光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x的自動(dòng)化改造

陳琪 王曉飛 周軍 張瑩 / . 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院；.無錫威孚高科技集團(tuán)有限公司計(jì)量中心

光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x的自動(dòng)化改造

陳琪1王曉飛1周軍2張瑩2/ 1. 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院；2.無錫威孚高科技集團(tuán)有限公司計(jì)量中心

介紹了凸輪軸升程的測(cè)量和儀器現(xiàn)狀，針對(duì)中小企業(yè)常用的傳統(tǒng)光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x提出了一種自動(dòng)化的改造方案，介紹了相關(guān)的測(cè)量原理、系統(tǒng)組成和軟件界面，給出了計(jì)算實(shí)例。

凸輪軸；升程；光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x；自動(dòng)化改造

0 引言

凸輪軸是內(nèi)燃機(jī)五大核心部件（缸體、缸蓋、曲軸、連桿、凸輪軸）之一，是機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的重要部件，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)氣門開閉間隙大小和配氣效率的主要因素。隨著凸輪軸自動(dòng)化加工水平的不斷提高，傳統(tǒng)的光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x和人工數(shù)據(jù)處理方式已經(jīng)完全不能適應(yīng)凸輪軸實(shí)際測(cè)量的需要。為此，有必要對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x進(jìn)行全自動(dòng)改造，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和制造全自動(dòng)的凸輪軸測(cè)量?jī)x。

每種型號(hào)的凸輪軸都有一個(gè)獨(dú)特的升程表，凸輪軸測(cè)量?jī)x就是依據(jù)升程表來評(píng)判凸輪的實(shí)際輪廓與理想輪廓的長(zhǎng)度偏差以及各個(gè)凸輪桃尖相對(duì)于理論值的角度偏差。

本文利用精密光電編碼器、直線位移傳感器和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x的全自動(dòng)改造，效果符合使用要求，為設(shè)計(jì)和制造下一代的全自動(dòng)凸輪測(cè)量?jī)x作了很好的鋪墊。

1 測(cè)量現(xiàn)狀

現(xiàn)在常見的有傳統(tǒng)的光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x和全自動(dòng)的凸輪軸檢測(cè)儀，光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x測(cè)量過程慢，檢測(cè)人員的工作量大，儀器價(jià)格便宜；全自動(dòng)的凸輪軸檢測(cè)儀檢測(cè)精度高速度快，但儀器價(jià)格昂貴。

傳統(tǒng)光學(xué)凸輪檢測(cè)儀的工作過程是將凸輪軸裝在凸輪軸檢查儀的兩個(gè)頂尖上，測(cè)量基準(zhǔn)為凸輪軸兩端的軸頸，用光學(xué)分度頭讀取角度，用光學(xué)計(jì)管讀取凸輪的升程，依照鍵槽、軸頸、各個(gè)凸輪桃尖和末端軸頸的順序進(jìn)行測(cè)量，然后還要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，通常情況下需要三個(gè)人同時(shí)工作一天才能完成檢測(cè)，工作強(qiáng)度非常大。而且由于各種加工和裝夾的誤差無法消除，檢測(cè)準(zhǔn)確度低，這種測(cè)量方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代加工檢測(cè)的要求。

目前比較先進(jìn)的是美國(guó)ADCOLE和德國(guó)HOMMEL等設(shè)計(jì)制造的凸輪軸測(cè)量?jī)x，都是利用高精度圓光柵和直線光柵采集凸輪的升程，測(cè)量一個(gè)凸輪軸的時(shí)間已縮短到30 s，通過計(jì)算機(jī)軟件消除了偏心及裝夾誤差，檢測(cè)準(zhǔn)確度和檢測(cè)效率都大大提高，但儀器價(jià)格過于昂貴，只有少數(shù)大型企業(yè)能夠配置這樣的儀器。

為此，利用精密光電編碼器、直線位移傳感器和計(jì)算機(jī)，對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x進(jìn)行全自動(dòng)改造，這一技術(shù)方案非常適合于國(guó)內(nèi)中小企業(yè)的凸輪軸檢測(cè)需求。

2 測(cè)量原理

將傳統(tǒng)光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x的手工旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)改為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將一個(gè)高精度的圓光柵安裝于頂尖的軸線上，將直線位移傳感器取代光學(xué)計(jì)管讀數(shù)頭測(cè)量直線位移。

依次測(cè)量凸輪軸的鍵槽、軸頸、各個(gè)凸輪桃尖及末端軸頸，通過兩端軸頸中心的偏心計(jì)算出凸輪軸軸心線的空間方向，然后計(jì)算每一個(gè)凸輪桃尖消除偏心后的實(shí)際輪廓，再用所得的實(shí)際輪廓與理想升程相比就可以得到各個(gè)桃尖的升程誤差及角度偏差。

3 系統(tǒng)的組成

為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度，圓光柵選用的是德國(guó)海德漢公司生產(chǎn)的高精度圓光柵（分辨力0.2＂，準(zhǔn)確度1＂），用它可以準(zhǔn)確測(cè)量凸輪軸的旋轉(zhuǎn)角度，直線位移傳感器選用的是德國(guó)海德漢公司生產(chǎn)的高精度直線位移傳感器（量程100 mm，準(zhǔn)確度0.5 μm），用它來測(cè)量凸輪軸的升程，可以保證測(cè)量準(zhǔn)確度。

除了上述兩個(gè)高精度測(cè)量元件外，系統(tǒng)還有三個(gè)電機(jī)：旋轉(zhuǎn)電機(jī)、平移電機(jī)和推拉電機(jī)。

4 工作過程

全自動(dòng)凸輪測(cè)量?jī)x的工作過程如下：先在計(jì)算機(jī)上編輯好各種被測(cè)型號(hào)凸輪軸的升程表以及鍵槽、軸頸以及各導(dǎo)頭位置的工藝參數(shù)表。測(cè)量時(shí)在計(jì)算機(jī)上選用所測(cè)凸輪軸對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)及升程表，然后計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)工藝參數(shù)表發(fā)出一系列指令，推拉電機(jī)先把直線位移傳感器收縮到安全位置，平移電機(jī)先把直線位移傳感器移動(dòng)到起始零位處后，繼續(xù)帶動(dòng)直線位移傳感器運(yùn)行到第一個(gè)測(cè)量位置處。釋放推拉電機(jī)后直線位移傳感器在重錘的作用下伸出并接觸到工件的測(cè)量位置，旋轉(zhuǎn)電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)快速同步記錄下編碼器和直線位移傳感器的數(shù)據(jù)組。然后推拉電機(jī)再次把直線位移傳感器收縮到安全位置，平移到下一個(gè)測(cè)量位置處，重復(fù)以上過程，直至測(cè)完全部數(shù)據(jù)后，返回到起始零位處。

5 軟件界面

如圖2所示，上位機(jī)軟件包含升程表輸入、升程表管理、工件參數(shù)及測(cè)量等功能。

圖2 軟件界面

6 數(shù)據(jù)處理

如某型號(hào)凸輪軸的理論升程表，如圖3所示。

工藝參數(shù)表如表1所示。

圖3 某凸輪軸的理論升程表

表1 工藝參數(shù)

導(dǎo)頭的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)頭的原始測(cè)量數(shù)據(jù)

經(jīng)消偏心和內(nèi)插計(jì)算后，導(dǎo)頭的升程數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 消偏心和內(nèi)插計(jì)算后的數(shù)據(jù)

將理論升程平移，找出實(shí)際升程與理論升程差值的平方和為最小的平移角度，并在此平移角度下算出所有輪廓點(diǎn)與理論升程的偏差，畫出偏差曲線。同樣的，按照此方法算出每一個(gè)導(dǎo)頭的偏差曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖6 某凸輪軸的測(cè)量結(jié)果

整個(gè)計(jì)算過程大約需要1 min，可以通過優(yōu)化迭代過程進(jìn)一步縮短計(jì)算時(shí)間。

經(jīng)過比較，與國(guó)外產(chǎn)品不同的是算法并不局限于360°完整升程表的測(cè)量，還可以對(duì)任意升程表的凸輪軸進(jìn)行測(cè)量。

7 結(jié)語

用高精度光電編碼器、直線位移傳感器和計(jì)算機(jī)就可以對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)凸輪軸測(cè)量?jī)x進(jìn)行全自動(dòng)改造，測(cè)量準(zhǔn)確度符合使用要求，極大地提高了檢測(cè)效率，適合中小型生產(chǎn)企業(yè)的凸輪軸檢測(cè)，也適合大型企業(yè)在生產(chǎn)線上的在線質(zhì)量監(jiān)控。

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The automation of optical camshaft measuring instrument

Chen Qi1，Wang Xiaofei1，Zhou Jun2，Zhang Yin2
（1.Length laboratory, Jiangsu Institute of Metrology；2.Center of metrology, Weifu High Technology Group Co., Ltd）

This paper introduces the measurement and instruments status of camshaft lift. An automatic modification scheme for traditional optical camshaft measuring instrument used in small enterprises is proposed. The related measurement principle, system composition and software interface are introduced. An evaluation example is given.

camshaft; profile; optical camshaft measuring instrument;automatic transformation