缸孔圓度圓柱度多截面測量方法應(yīng)用

夏良雄，劉 剛，陳明愛

（上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司，重慶401135）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車已是人們不可或缺的交通工具，發(fā)動機作為汽車的核心部件，其質(zhì)量要求也越來越受到人們關(guān)注。缸體是發(fā)動機的核心零件，缸孔圓度圓柱度的質(zhì)量檢測對發(fā)動機性能至關(guān)重要。圓度圓柱度是形位公差中的一類，形位公差的測量在幾何量測量中占有十分重要的地位[1]，圓度圓柱度測量的準(zhǔn)確、迅速在零件加工質(zhì)量中起到很大作用。缸孔圓度圓柱度允許的公差范圍很小，雖然測量圓度的裝置較多，但適用于缸孔圓度的測量裝置較少，選用合適的檢測方法和裝置，將較大提升圓度測量的實用性和準(zhǔn)確性，提高生產(chǎn)線效率和經(jīng)濟效益。本文以多截面缸孔圓度圓柱度測量儀為研究對象，從設(shè)備測量缸孔的工作原理入手，優(yōu)化了多截面缸孔圓度圓柱度測量儀測頭定位方法，為更準(zhǔn)確高效測量缸孔圓周圓柱度打下基礎(chǔ)。

1 缸孔圓度圓柱度主要測量設(shè)備分類

主機廠測量缸孔圓度圓柱度的測量儀主要有大圓度儀、單截面缸孔圓度圓柱度測量儀、多截面缸孔圓度圓柱度測量儀三類，如下介紹：

（1）大圓度儀采用標(biāo)準(zhǔn)傳感器回轉(zhuǎn)方法來測量缸孔圓度圓柱度[2]，在測量缸孔圓度時需要調(diào)心調(diào)平以保證測量準(zhǔn)確性，而且需要建立工件坐標(biāo)系，使測量缸孔圓度效率較低。

（2）單截面缸孔圓度圓柱度測量儀配備定位夾具測量，可保證測頭軸線與缸孔軸線平行，測頭上的測針可以沿測頭軸線上下移動，該設(shè)備測量速度快，但由于需要測量多個截面，測針需要沿測頭軸線來回移動，易造成測頭上的數(shù)據(jù)線斷裂，故障率較高。

（3）多截面缸孔圓度圓柱度測量儀配備多個測針測量，可根據(jù)缸孔圓度的測量截面定制測針高度，測頭也配備有定位夾具，只需將測頭放入缸孔中則可一次完成所有截面的測量。此方案測量效率高，可避免測頭數(shù)據(jù)線因來回移動而造成疲勞斷裂，故障率低。

如上所述，多截面缸孔圓度圓柱度儀優(yōu)勢明顯，在缸孔圓度圓柱度測量中應(yīng)用最廣泛。但該設(shè)備測頭需要配置專門的定位夾具才能保證測量精度，我們在新項目中通過分析工藝圖紙優(yōu)化了測頭定位方式，從而取消測頭定位夾具，現(xiàn)在設(shè)備已正式投入使用半年，測量效果良好，極大節(jié)約成本并提升測量效率。

2 多截面缸孔圓度圓柱度儀工作原理

（1）多截面缸孔圓度圓柱度儀設(shè)備系統(tǒng)

該設(shè)備設(shè)計緊湊，夾持部件適合各種尺寸的缸體，其結(jié)構(gòu)設(shè)計對于震動不敏感，適合生產(chǎn)環(huán)境下使用。軟件操作界面方便，探頭具備自動旋轉(zhuǎn)和伸縮功能，減少了對工件的測量時間，測量軟件可以自動對測量軸和缸孔內(nèi)壁的距離進行修正，電腦控制的驅(qū)動系統(tǒng)，操作簡便減少了編程的難度。多截面缸孔圓度圓柱度儀實物及原理如圖1和圖2所示。

圖1 多截面缸孔圓度圓柱度儀圖

圖2 多截面缸孔圓度圓柱度儀系統(tǒng)原理圖

測量儀系統(tǒng)包含主要模塊有：測頭系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（包含驅(qū)動）、融合分配單元、輔助單元。設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，決定缸孔圓度圓柱度測量精度的主要部件是測頭系統(tǒng)，測頭的結(jié)構(gòu)及其定位方式對測量結(jié)果至關(guān)重要。

（2）測頭結(jié)構(gòu)及原理

多截面缸孔圓度圓柱度測頭上做了設(shè)計革新，將多個測頭和傳感器固定在一根主軸上，按測量要求設(shè)計好每相鄰傳感器之間的間距，通過電路控制各個測頭和傳感器達到多截面同時測量圓度的目的。如圖3測頭系統(tǒng)共包含5個針尖，每個針尖后方對應(yīng)一個傳感器，分別距離上頂面10 mm、35.6 mm、60 mm、90 mm、110 mm，測量過程中5個針尖同時繞中軸線旋轉(zhuǎn)，可一次性完成缸孔五個截面的圓度和圓柱度測量。

圖3 測頭結(jié)構(gòu)圖

圖4是測頭放入缸孔時5個傳感器的量程示意圖，此時傳感器處于受力狀態(tài)，傳感器理論值為1 mm，量程范圍為±0.5 mm，旋轉(zhuǎn)一周時其允許的缸孔直徑變化為±1 mm.傳感器通過缸孔圓周的狀態(tài)，將電信號反饋控制系統(tǒng)計算測量值。

圖4 測頭傳感器感應(yīng)圖

（3）夾具設(shè)計

多截面缸孔圓度圓柱度測量儀配備有專門的定位夾具，如圖5所示。夾具中間的四個孔與缸體四個缸孔一一對應(yīng)，夾具上有兩個定位銷與缸體的399面配合使得每次裝夾的位置唯一，測頭通過夾具放入缸孔，再通過夾具上的旋轉(zhuǎn)銷鎖固定，可以保證圓度儀測頭軸線與缸孔軸線平線，從而達到準(zhǔn)確測量的目的。

圖5 多截面缸孔圓度圓柱度儀夾具

3 多截面缸孔圓度圓柱度儀測頭定位優(yōu)化

因為設(shè)備測頭需要配置專門的定位夾具才能保證測量精度，增加了夾具成本和人工操作工時，如果能夠改變測頭的定位方式從而取消測頭定位夾具，可以極大節(jié)約成本并提升測量效率。通過分析工藝圖紙，發(fā)現(xiàn)缸孔的頂部有一個小的倒角可以用來定位，而且在精加工階度缸體的399面與缸孔垂直度為0.05 mm，如果通過倒角和399面同時定位，可以滿足缸孔圓度的測量要求。如圖6倒角參數(shù)為：

角度：20°±1°

深度：0.7mm（0，-0.04mm）

圖6 四缸直列缸體缸孔頂部倒角

如圖7的設(shè)計方案，通過在測頭與缸體的結(jié)合處設(shè)計一個高0.7mm、角度為20°的錐角，優(yōu)化了測頭定位方式，靠測頭的自重定位，不需要專門的測頭定位夾具，此方案通過現(xiàn)場功能試驗，與缸體配合良好，能夠滿足測量需求。

圖7 改進后的測頭定位方式

4 測頭定位優(yōu)化后測量系統(tǒng)分析

測頭定位優(yōu)化后可以依靠測頭的自重和錐角定位，不需要再使用專門的測頭定位夾具，由于測頭定位方式發(fā)生改變形成了新的測量系統(tǒng)，需要對該測量系統(tǒng)進行穩(wěn)定性和重復(fù)性分析，以保證新測頭定位方法可正常投入使用，下面是驗證新測頭定位方式穩(wěn)定性和重復(fù)性而開展Type1和Type2的具體方法[3]。

（1）準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性分析（Type1）

準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性分析采用設(shè)備配的專用的內(nèi)圓柱，共測量指定的5個截面圓度和整體圓柱度，主要輸出和兩個參數(shù)，當(dāng)兩者都大于等于1.67時，該新的測量系統(tǒng)可接受。其中Sg是標(biāo)準(zhǔn)差，代表數(shù)據(jù)的離散程度，RF代表零件的公差，缸孔圓度公差為0.005 mm.

開展方法為連續(xù)測量設(shè)備配備的專用的內(nèi)圓柱（已知名義值）50次，得到50遍的數(shù)據(jù)，按照上述兩個公式進行計算，得到和值，如圖8的分析結(jié)果：

圖8 測頭新定位方式Type1分析結(jié)果

如上圖分析結(jié)果，6個參數(shù)的和值均大于1.67，準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性通過。

（2）重復(fù)性和再現(xiàn)性分析（Type2）

重復(fù)性和再現(xiàn)性分析應(yīng)用于存在人為因素影響的測量系統(tǒng)，可以評估測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性（%R&R），本次的Type2方法采用：2個操作人員（k），每人對每個工件測量3次（r），至少測量5個工件（n），即 k·r·n=30；共輸出 30 組測量數(shù)據(jù)。按照重復(fù)性和再現(xiàn)性方差分析法的計算方法，由電腦計算得出%R&R值，如圖9所示。

如圖9的測量結(jié)果，6組參數(shù)的R&R值均小于20%，符合新測量系統(tǒng)要求，重復(fù)性和再現(xiàn)性分析通過。

5 結(jié)論

本文以多截面缸孔圓度圓柱度測量儀為研究對象，分析和介紹了該儀器測量缸孔的工作原理，根據(jù)測量儀常出現(xiàn)的問題優(yōu)化了設(shè)備測頭的定位方法，通過MSA測量系統(tǒng)分析了測頭新定位方式測量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，符合使用要求。此測頭新定位方式已投入使用近半年，測量效果良好，能夠滿足測量要求，極大的節(jié)約了成本和提升效率，使缸孔圓度圓柱度多截面測量更準(zhǔn)確高效。

圖9 測頭新定位方式Type2分析結(jié)果