液力變矩器外形參數(shù)測(cè)量方法研究

張海寧，白 福

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

液力變矩器外形參數(shù)測(cè)量方法研究

張海寧，白 福

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

針對(duì)應(yīng)用傳統(tǒng)方法測(cè)量液力變矩器外形參數(shù)存在的各種問(wèn)題，結(jié)合液力變矩器各外形參數(shù)的特點(diǎn)，采用了應(yīng)用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)液力變矩器外形參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法；首先：將液力變矩器工件放入測(cè)量夾具，待它固定后，它開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，其次：工控機(jī)通過(guò)NI采集卡和MARPOSS位移傳感器采集被測(cè)工件外形參數(shù)的公差測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)一周后，測(cè)試停止；通過(guò)在液力變矩器生產(chǎn)企業(yè)中測(cè)量多個(gè)YJH254的液力變矩器工件試驗(yàn)，可以證明這種測(cè)量方法的正確性；并且它可以很好的滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

液力變矩器；外形參數(shù)；數(shù)據(jù)采集；自動(dòng)測(cè)量

液力變矩器是[1]由泵輪、渦輪、導(dǎo)輪組成，以液壓油為工作介質(zhì)，起傳遞轉(zhuǎn)矩、變矩、變速及離合作用的液力元件。一些生產(chǎn)液力變矩器的企業(yè)，在測(cè)量產(chǎn)品各外形參數(shù)時(shí)，所運(yùn)用的測(cè)量方法還比較傳統(tǒng)，有些甚至依靠技術(shù)人員應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)所有產(chǎn)品的各外形參數(shù)逐一進(jìn)行測(cè)量。這樣的測(cè)量方法存在許多不足，如，有些外形參數(shù)無(wú)法測(cè)量、測(cè)量時(shí)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少、應(yīng)用的測(cè)量工具精確度較低、人為進(jìn)行操作會(huì)帶來(lái)許多誤差，并且所耗費(fèi)的時(shí)間也比較長(zhǎng)。因此，應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)量方法，不僅耗費(fèi)大量的人力、物力，測(cè)量效率低下，而且還可能使生產(chǎn)企業(yè)的出廠產(chǎn)品中出現(xiàn)外形參數(shù)不符合要求的產(chǎn)品。為了確保這樣的現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生，本文將研究對(duì)液力變矩器外形參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的方法。相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，應(yīng)用這種測(cè)量方法，既可以提高對(duì)液力變矩器外形參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的精確化、自動(dòng)化、智能化水平，又可以促進(jìn)液力變矩器行業(yè)的發(fā)展。

1 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

液力變矩器的外形參數(shù)主要包括徑向跳動(dòng)、泵輪轂外徑、泵輪轂圓度、軸向尺寸、葉窩圓跳動(dòng)、端面跳動(dòng)、罩輪轂外徑等。如圖3所示，對(duì)各外形參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)識(shí)。自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[2-4]由許多不同功能的部件，它的核心部件組成如圖1所示。

圖1 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)核心部件組成

自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)核心部件主要包括工控機(jī) （工程測(cè)量中應(yīng)用的計(jì)算機(jī)）、掃描儀、總控機(jī)（實(shí)時(shí)控制測(cè)量進(jìn)程的計(jì)算機(jī)）、測(cè)量夾具以及可編程邏輯控制器PLC[5]等。

可編程邏輯控件PLC用來(lái)對(duì)測(cè)量夾具進(jìn)行控制[6-7]。測(cè)量平臺(tái)對(duì)液力變矩器外形參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的整個(gè)過(guò)程為：首先，PLC控制測(cè)量夾具上方的力臂將生產(chǎn)線上的液力變矩器工件逐一放入測(cè)量夾具；其次，當(dāng)測(cè)量啟動(dòng)時(shí)，PLC控制測(cè)量夾具對(duì)被測(cè)工件的泵輪轂軸和罩輪轂軸進(jìn)行固定，固定完成之后測(cè)量夾具中的MARPOSS位移傳感器開(kāi)始向被測(cè)工件移動(dòng)，直到移動(dòng)到傳感器測(cè)頭與被測(cè)工件接觸為止，接觸之后被測(cè)工件開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，工控機(jī)通過(guò)NI采集卡和MARPOSS位移傳感器采集被測(cè)工件外形參數(shù)的公差測(cè)量數(shù)據(jù)[8]，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖2所示，當(dāng)被測(cè)工件按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)一周后，測(cè)量停止，最后，當(dāng)測(cè)量停止后，PLC控制MARPOSS位移傳感器進(jìn)行移動(dòng)遠(yuǎn)離被測(cè)工件，并且使測(cè)量夾具解除對(duì)被測(cè)工件泵輪轂軸和罩輪轂軸的固定，再控制測(cè)量夾具上方的力臂將被測(cè)工件從測(cè)量夾具中取出。

核心部件工作原理：

1）測(cè)量啟動(dòng)后，工控機(jī)通過(guò)RS232與掃描儀進(jìn)行雙向?qū)崟r(shí)通信。工控機(jī)請(qǐng)求掃描儀掃描被測(cè)工件的二維條碼；掃描儀掃描完成后，會(huì)將掃描到的被測(cè)工件二維條碼發(fā)送給工控機(jī)[9]。

2）工控機(jī)通過(guò)其內(nèi)部安裝的NI數(shù)據(jù)采集卡采集測(cè)量夾具中MARPOSS位移傳感器對(duì)被測(cè)液力變矩器工件外形參數(shù)進(jìn)行測(cè)量所采集到的所有測(cè)量數(shù)據(jù)[10-11]；

圖2 測(cè)量夾具

3）可編程邏輯控件PLC將測(cè)量啟動(dòng)信號(hào)、測(cè)量停止信號(hào)；端面啟動(dòng)信號(hào)，端面停止信號(hào)；工件ID1；工件ID2；工件ID3等幾路信號(hào)發(fā)送給工控機(jī)；同時(shí)，測(cè)量結(jié)束后，工控機(jī)還會(huì)將測(cè)量OK（所有外形參數(shù)都符合要求）、測(cè)量NG（部分外形參數(shù)不符合要求）兩路信號(hào)發(fā)送給PLC；

4）工控機(jī)通過(guò)RS232與可編程邏輯控件PLC進(jìn)行雙向?qū)崟r(shí)通信；

5）工控機(jī)通過(guò)TCP與總控機(jī)進(jìn)行雙向?qū)崟r(shí)通信；

自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中MARPOSS位移傳感器的輸入值（位移值）測(cè)量范圍為-5～+5mm，輸出值（電流值）測(cè)量范圍為4～20 mA；在每路傳感器外串接一個(gè)250歐姆的電阻，這樣可以使得采集到的各路外形參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)在1～5 V（電壓值）之間。如圖3所示，為一個(gè)液力變矩器的簡(jiǎn)圖，圖中1～6為測(cè)量時(shí)六路MARPOSS位移傳感器在液力變矩器表面的分布位置。

圖3 液力變矩器簡(jiǎn)圖

各位移傳感器測(cè)量的外形參數(shù)分別為：

1）1號(hào)傳感器測(cè)量徑向跳動(dòng)；

2）2號(hào)傳感器測(cè)量泵輪轂外徑和泵輪轂圓度；

3）3號(hào)傳感器配合5號(hào)傳感器測(cè)量軸向尺寸；

4）4號(hào)傳感器測(cè)量葉窩圓跳動(dòng)；

5）5號(hào)傳感器測(cè)量端面跳動(dòng)；

6）6號(hào)傳感器測(cè)量罩輪轂外徑。

自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)每次開(kāi)機(jī)進(jìn)行測(cè)量前，需要用與被測(cè)工件相同型號(hào)的校準(zhǔn)元件對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)[12]，校準(zhǔn)的目的是提高液力變矩器外形參數(shù)公差測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。

2 測(cè)量方法

對(duì)液力變矩器外形參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，測(cè)量啟動(dòng)信號(hào)和端面啟動(dòng)信號(hào)均是上升沿觸發(fā)，采樣頻率為200 Hz。當(dāng)測(cè)量啟動(dòng)信號(hào)到來(lái)時(shí)，被測(cè)工件開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)傳感器開(kāi)始采集被測(cè)工件外形參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延時(shí)，當(dāng)端面啟動(dòng)信號(hào)到來(lái)時(shí)，3號(hào)和5號(hào)位移傳感器開(kāi)始采集被測(cè)工件外形參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)。當(dāng)被測(cè)工件按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)一周后，測(cè)量停止。測(cè)量信號(hào)和端面信號(hào)如圖4所示。

圖4 測(cè)量信號(hào)和端面信號(hào)

對(duì)六路MARPOSS位移傳感器采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到液力變矩器七個(gè)外形參數(shù)的公差測(cè)量值（電壓值）。六路被測(cè)工件外形參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)均在1～5 V之間，而MARPOSS位移傳感器的輸入值測(cè)量范圍為-5～+5mm，因此實(shí)際所得的位移值和電壓值之間的關(guān)系為：

各路測(cè)量數(shù)據(jù)中均含有快速變化的高頻分量。首先，采用滑動(dòng)平均濾波系統(tǒng)將各路測(cè)量數(shù)據(jù)中的高頻分量濾除[13]?；瑒?dòng)平均濾波系統(tǒng)[14]的方程定義為：

其中，N表示輸入序列第n個(gè)值的前N個(gè)值，M表示輸入序列第n個(gè)值的后個(gè)值。

2.1 徑向跳動(dòng)、葉窩圓跳動(dòng)、端面跳動(dòng)

1）徑向跳動(dòng)

對(duì)1號(hào)傳感器采集到的所有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次滑動(dòng)平均濾波后取均值所得的數(shù)據(jù)為U1，徑向跳動(dòng)的公差測(cè)量值（位移值）為S1；

2）葉窩圓跳動(dòng)、端面跳動(dòng)

對(duì)4號(hào)和5號(hào)感器采集到的所有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次滑動(dòng)平均濾波后取均值所得的數(shù)據(jù)中最大值與最小值的差為U2，葉窩圓跳動(dòng)、端面跳動(dòng)的公差測(cè)量值（位移值）為S2；

則可得：

2.2 泵輪轂外徑、罩輪轂圓度、罩輪轂軸外徑

對(duì)2號(hào)和6號(hào)傳感器采集到的所有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波之后，還需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)中不規(guī)則的低頻分量進(jìn)行平滑濾波。運(yùn)用巴特沃斯逼近[15]對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)中不規(guī)則的低頻分量進(jìn)行平滑濾波，需要確定幅值平滑濾波函數(shù)的待定參數(shù)和巴特沃斯濾波器的階數(shù)。

階低通濾波器的幅值平滑函數(shù)為：

在式（4）中，ε＞0；Ln（λ）是一個(gè)階多項(xiàng)式。巴特沃斯低通濾波器選用Ln（λ）=λn，因此，可以得到幅值函數(shù)為：

式（5）在λ=0處的前2n-1階導(dǎo)數(shù)為零，從而有最大平坦響應(yīng)。

由通帶最大衰減：

可求得待定參數(shù)：

由阻帶最小衰減：

可求得濾波器的階數(shù)：

由式（7）和式（9）可得；當(dāng)ε越小時(shí)，巴特沃斯濾波器通帶越平坦，當(dāng)越大時(shí)，阻帶衰減越大，其中，n為整數(shù)。

在校準(zhǔn)和實(shí)際測(cè)量時(shí)，校準(zhǔn)元件和被測(cè)工件的泵輪轂軸和罩輪轂軸被固定在呈直角的鐵槽中。校準(zhǔn)元件和被測(cè)工件相對(duì)應(yīng)的泵輪轂軸橫截面或罩輪轂軸橫截面如圖5所示。被測(cè)工件泵輪轂軸或罩輪轂軸的橫截面為圖中半徑較小的圓，半徑用表示；校準(zhǔn)元件泵輪轂軸或罩輪轂軸的橫截面為圖中半徑較大的圓，半徑用表示。兩個(gè)圓圓心之間的距離為，2號(hào)或6號(hào)位移傳感器采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)為。

圖5 橫截面圖

圖中所標(biāo)識(shí)的角度為45°，兩個(gè)圓圓心之間的距離為：

設(shè)泵輪轂軸外徑和圓度，罩輪轂軸外徑的公差測(cè)量值（位移值）為D，則D與L的關(guān)系為：

1）泵輪轂外徑、罩輪轂外徑

對(duì)2號(hào)和6號(hào)傳感器采集到的所有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次滑動(dòng)平均濾波及巴特沃斯逼近后取均值得到的數(shù)據(jù)為U3，各傳感器的校準(zhǔn)值為SJ，泵輪轂外徑，罩輪轂外徑的公差測(cè)量值（位移值）為S3；

2）泵輪轂圓度

對(duì)2號(hào)傳感器采集到的所有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次滑動(dòng)平均濾波及巴特沃斯逼近后得到的數(shù)據(jù)每50組進(jìn)行一次分段取最值，對(duì)得到的數(shù)據(jù)取均值得到U4，傳感器的校準(zhǔn)值為SJ，泵輪轂圓度的公差測(cè)量值（位移值）為S4；

則可得：

2.3 軸向尺寸

軸向尺寸是指液力變矩器泵輪轂軸和罩輪轂軸的長(zhǎng)度之和。3號(hào)和5號(hào)傳感器配合測(cè)量軸向尺寸，對(duì)3號(hào)和5號(hào)傳感器采集的測(cè)量數(shù)據(jù)處理后得到的位移值的和為軸向尺寸的公差測(cè)量值。

將3號(hào)和5號(hào)傳感器采集到的端面啟動(dòng)信號(hào)到來(lái)時(shí)的幾組測(cè)量數(shù)據(jù)取出，對(duì)每組測(cè)量數(shù)據(jù)中間一半的數(shù)進(jìn)行兩次滑動(dòng)平均濾波，對(duì)得到的數(shù)據(jù)取均值，分別得到U5和U6；它們的校準(zhǔn)值分別為和，3號(hào)和5號(hào)傳感器的測(cè)量值（位移值）分別為S5和S6，則軸向尺寸的公差測(cè)量值（位移值）為：

3 結(jié) 果

應(yīng)用上述測(cè)量方法測(cè)量工件型號(hào)為YJH254的液力變矩器工件得到的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示 （若所有外形參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)均在要求的測(cè)量范圍之內(nèi)，則結(jié)果為OK，否則，結(jié)果為NG）。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，證明了本文所講述的測(cè)量方法的正確性；并且它可以很好的滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。將它應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，可以使液力變矩器生產(chǎn)企業(yè)以低廉的生產(chǎn)成本，獲得較高的生產(chǎn)效益。同時(shí)，它將對(duì)液力變矩器生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展產(chǎn)生重要影響，對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)液力變矩器行業(yè)的發(fā)展以及縮小同國(guó)際相同行業(yè)之間的差距產(chǎn)生重要作用。

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Research on measuring method of hydraulic torque converter shape parameters

ZHANG Hai-ning，BAI Fu
（College of Electronic and Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710021，China）

In view of the various problems existing in the traditional method to measuring the Hydraulic Torque Converter shape parameters，the method that using the Automatic Measurement System to measure the Hydraulic Torque Converter shape parameters is presented，combined with the characteristics of the Hydraulic Torque Converter shape parameters；First of all，put the Hydraulic Torque Converter work piece into the Measuring Fixture，it will begin to rotate，after it is fixed；What's more，the IPC（Industrial Personal Computer）collects the tolerance measurement data of Hydraulic Torque Converter shape parameters through the NI acquisition card and MARPOSS displacement sensors，and then processes these data；The measuring will stop as soon as the measured work piece completes rotating 360 degrees；It proves the correctness of this measuring method，through the experiment to measuring multiple YJH254 Hydraulic Torque Converter work piece in the production enterprise； This measuring method fits the industrial production demand very well，and has a strong practicality.

hydraulic torque converter；shape parameters；data acquisition；automatic measuring

TN05

：A

：1674－6236（2017）06-0127-05

2016-01-28稿件編號(hào)：201601270

張海寧（1964—），男，陜西寶雞人，碩士，副教授。研究方向：測(cè)控技術(shù)。