連桿彎曲度和扭曲度的高精度在線測量技術(shù)

錢曉明，胡益?zhèn)?，樓佩?/p>

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，連桿加工質(zhì)量很大程度上決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能[1]。連桿連接發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞和曲軸，活塞上作用的燃燒氣體壓力通過連桿傳遞到曲軸，從而輸出扭矩。連桿彎曲會(huì)直接影響曲軸中心線和活塞平行度以及活塞和汽缸中心線的垂直度，使活塞在運(yùn)動(dòng)的過程中形成前、后傾斜從而導(dǎo)致與氣缸的間隙不一致，造成活塞連桿組發(fā)生不同程度的偏磨。另外，連桿的扭曲會(huì)使氣缸內(nèi)發(fā)生竄油、竄氣，將會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[2]。因此，連桿的彎曲度和扭曲度的測量極其重要。

連桿的生產(chǎn)量巨大，如上海某連桿生廠企業(yè)日產(chǎn)量超過了10萬件。為了滿足生產(chǎn)要求，連桿的在線測量也必須匹配生產(chǎn)節(jié)拍，全面地提高生產(chǎn)效率[3]。由于連桿工作環(huán)境的特殊性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，傳統(tǒng)手工抽樣檢測方法的工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、一致性差。對(duì)連桿彎曲度和扭曲度的檢測方法大致分為通用量具測量方法、專用測量臺(tái)測量方法和光電自動(dòng)化設(shè)備測量方法[4]。廣西大學(xué)韋東梅等[5]研制的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿彎曲度和扭曲度的數(shù)字檢測裝置采用電渦流傳感器測量物件距離的變化，電路連接較為困難，測量精度受環(huán)境影響較大;哈爾濱工業(yè)大學(xué)許連虎等[6]研發(fā)了一款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿綜合測量儀，該測量儀可以很好地提高了連桿的測量效率一定程度上提高連桿的測量精度，但是該測量儀還是非現(xiàn)場離線的，未能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場化的在線測量;吉林大學(xué)高樂[7]研究了發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的結(jié)構(gòu)幾何尺寸檢測特點(diǎn)，搭建了視覺檢測系統(tǒng)，通過圖像處理的方法對(duì)連桿的幾何尺寸進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)于連桿的視覺測量;北京交通大學(xué)高曉婧[8]采用DG-3P差動(dòng)式電感位移傳感器搭建了連桿的綜合測量系統(tǒng)，可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)參數(shù)的測量，該測量系統(tǒng)的測量效率和測量精度均有一定的提高，但離在線測量[9]的要求還有一定差距。

因此，本文提出一種接觸式的連桿彎曲度和扭曲度的在線測量方法，分析研究了對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理算法，同時(shí)對(duì)測量過程中可能出現(xiàn)的測量誤差進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的措施減小誤差的產(chǎn)生，并對(duì)誤差進(jìn)行進(jìn)一步的補(bǔ)償，最終得到所測連桿的彎曲度和扭曲度；設(shè)計(jì)了連桿的在線測量平臺(tái)，采用線性可變差動(dòng)變壓器(Linear Variable Displacement Transducer, LVDT)高精度位移傳感器配合設(shè)計(jì)的自動(dòng)化檢測載體，對(duì)于連桿的彎曲度和扭曲度進(jìn)行在線測量。將得到的測量結(jié)果與三坐標(biāo)測量儀測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該測量方法的可靠性與可行性。

1 連桿彎曲度和扭曲度測量模型

1.1 連桿結(jié)構(gòu)及彎曲度和扭曲度

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿如圖1所示，主要由連桿體以及大頭端和小頭端等部分組成，大小頭端的制造精度直接決定著連桿的工作性能和使用壽命，除了大小頭端自身的圓度、圓柱度等形狀誤差外，大小頭端之間的位置誤差的測量也極其重要。其中連桿的彎曲度和扭曲度就直接涉及到大小頭端的位置誤差。如圖2所示，連桿的彎曲是指連桿大小頭端孔軸線不平行，連桿的扭曲是指連桿大小頭端軸線不在同一平面內(nèi)。而連桿的彎曲度和扭曲度是指連桿在100 mm偏離正常位置的距離，一般連桿的彎曲度不大于0.03 mm，扭曲度不大于0.06 mm。

1.2 測量方法設(shè)計(jì)

本文通過在連桿的大小頭端布置LVDT高精度位移傳感器，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)使用設(shè)計(jì)的算法確定連桿大小頭端的軸線，然后根據(jù)軸線的偏離，計(jì)算連桿的彎曲度和扭曲度。如圖3所示為連桿的測點(diǎn)布置圖，在連桿大頭端的45°的方向上上下對(duì)稱均勻布置8個(gè)測點(diǎn)，分別為T1～T8，上下測點(diǎn)的距離為12 mm，小頭端的90°方向上上下對(duì)稱均勻布置8個(gè)測點(diǎn)，分別為T9～T16，上下測點(diǎn)的距離為8 mm。

測點(diǎn)采集到的原始數(shù)據(jù)只是相對(duì)的偏移量，沒有明確的幾何關(guān)系。首先需要通過連桿標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行標(biāo)定，獲得測頭的位移零點(diǎn)，以標(biāo)定連桿的大頭端為例，設(shè)該標(biāo)準(zhǔn)件連桿大頭端的半徑為R0，被測連桿大頭端的半徑為R，則有

R=Δd+R0。

(1)

式中Δd表示測頭的偏移量。由式(1)可以將位移傳感器測頭測得的位移偏量轉(zhuǎn)化為被測連桿在該測點(diǎn)方向的徑向長度R。同時(shí)，設(shè)坐標(biāo)的原點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)件標(biāo)定的圓心，坐標(biāo)系的建立如圖3所示，可以推導(dǎo)出各個(gè)測點(diǎn)測量時(shí)的坐標(biāo)，以測點(diǎn)T1為例：

x=R×cos145°,

y=R×sin145°。

(2)

同理可以得到大頭端上側(cè)其他3個(gè)測點(diǎn)的坐標(biāo)，之后采用最小二乘法擬合出該4個(gè)測頭所在的圓的圓心坐標(biāo)[10]，計(jì)算得出的大頭端上側(cè)的圓心坐標(biāo)為O1，同理可以得到大頭端下側(cè)所測得的圓心坐標(biāo)為O2。由上下側(cè)所求得的圓心坐標(biāo)可以計(jì)算出大頭端的軸線在測頭布置的12 mm范圍內(nèi)的x、y方向上的偏移量分別為：

(3)

將其延伸到連桿厚度的范圍，設(shè)被測連桿的厚度為C，可以得到連桿大頭端軸線的總偏移為：

(4)

根據(jù)同樣的計(jì)算方法，可以求得小頭端的軸線在x、y方向上的總偏移量分別為Δx2、Δy2，設(shè)被測連桿大小頭端的中心距為S，最后根據(jù)連桿彎曲度和扭曲度的定義可以求得連桿的彎曲度和扭曲度分別為：

彎曲度=|Δx1-Δx2|×100÷S,

扭曲度=|Δy1-Δy2|×100÷S。

(5)

2 誤差分析及補(bǔ)償

在線測量機(jī)構(gòu)的誤差來源主要分為環(huán)境變化帶來的測量誤差以及所設(shè)計(jì)的測量方法的誤差[11]。本文采用的LVDT高精度位移傳感器為差動(dòng)變壓器式傳感器，由于制作工藝和材料等因素，以及電源電壓和環(huán)境等因素影響，在零位移時(shí)的輸出電壓并不為零，存在零點(diǎn)殘余電壓。而零點(diǎn)殘余電壓的存在會(huì)使得該傳感器的輸出特性在零位附近不靈敏、分辨率差，引起非線性誤差，從而不利于測量并帶來測量誤差。因此，本文采用零點(diǎn)殘差自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)[12]，以減少環(huán)境等因素的影響，提高了測量的精度、穩(wěn)定性和可靠性。

本文主要的測量誤差來源于所設(shè)計(jì)的測量方法本身存在的測量誤差。其中定位方案采用一面兩孔的定位方式，定位基準(zhǔn)如果存在誤差，將會(huì)影響測頭采集的數(shù)據(jù)。這一偏差產(chǎn)生的主要原因?yàn)楸粶y連桿兩端面的平行度偏差，而平行度誤差主要是由于連桿的厚度不一致導(dǎo)致的，在夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)被測連桿進(jìn)行加緊時(shí)，將導(dǎo)致定位的端面向厚度小的一側(cè)偏移，繼而導(dǎo)致測頭所測得的數(shù)據(jù)在這一方向上產(chǎn)生一定的偏移，從而將連桿端面平行度的誤差傳遞給大小頭端軸線的偏差，進(jìn)一步影響連桿彎曲度和扭曲度的評(píng)定。

由于連桿的大頭端在連桿整體上占據(jù)了主要的部分，為了解決該測量方法的誤差，在大頭端周圍均勻布置了4個(gè)測頭T17～T20，用來測量大頭端的局部厚度以代表連桿的整體厚度(如圖4)。該4個(gè)測頭布置在原來大頭端內(nèi)孔測頭的延長線上，構(gòu)成一個(gè)邊長為72 mm×72 mm的正方形，測量時(shí)，連桿上方的壓緊機(jī)構(gòu)壓緊連桿，使各個(gè)測頭測得各自的一段偏移量，得到連桿大頭端各方向上的厚度偏差數(shù)據(jù)。將得到的厚度偏差數(shù)據(jù)與連桿大小頭端軸線的偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，從而減小被測連桿的厚度偏差帶來的預(yù)期之外的測量誤差，進(jìn)一步提高測量的精度。

以大頭端測頭T1、T5為例，分析該誤差補(bǔ)償?shù)乃惴?。如圖5所示，設(shè)ac為定位面，其中ab、fd等于大頭端圓孔半徑r，af、cd為連桿厚度h，設(shè)該方向測頭測得的連桿厚度偏差為Δh，則根據(jù)三角形相似原理，可知Δabc和Δcde相似，得到：

de=(h·Δh-Δh2)/r,

(6)

(7)

同理，由Δcde、ΔckT5、ΔcgT1相似，可以得到：

(8)

其中，T1c、T5c為連桿大頭端測頭離定位面確定的距離，T1c=h1，T5c=h2。由式(6)和式(7)代入，得到由于連桿厚度誤差造成測頭T1和T5方向上的測量偏差Δd1、Δd5：

(9)

(10)

同理可以計(jì)算得到其他各個(gè)測頭方向上的測量偏差，將該結(jié)果與采集到的測頭數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，可以很好地減小連桿的厚度偏差帶來的的預(yù)期之外的數(shù)據(jù)采集偏差，從而進(jìn)一步提高了所設(shè)計(jì)的測量裝置的測量精度，滿足測量要求。

除了以上兩種主要誤差以外，在測量的過程中還可能存在粗大誤差的影響，即超出在規(guī)定條件下預(yù)期的誤差，粗大誤差的誤差值較大，會(huì)明顯歪曲所測量的結(jié)果，可以采用3σ準(zhǔn)則剔除粗大誤差，減小粗大誤差對(duì)測量結(jié)果的影響[13]。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 測量平臺(tái)搭建

為了滿足所設(shè)計(jì)的測量方法的要求，驗(yàn)證測量模型的可行性，設(shè)計(jì)了專門的測量平臺(tái)，平臺(tái)可以集成到整個(gè)連桿的在線測量系統(tǒng)之中。如圖6所示為連桿在線測量機(jī)，其中彎曲度扭曲度測量結(jié)構(gòu)如圖7所示，連桿的定位方法采用一面兩孔的定位方式，以大頭端的底面以及大小頭端的孔為定位基準(zhǔn)進(jìn)行定位。大小頭端的定位芯軸上按照設(shè)計(jì)要求各布置8個(gè)LVDT高精度位移傳感器，用于測量大小頭端的制造偏差，得到原始測量數(shù)據(jù)。被測連桿的夾緊由上方的旋轉(zhuǎn)夾緊機(jī)構(gòu)完成，夾緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由氣動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)，可以滿足速度快、定位精度高等要求，加快了整個(gè)測量過程的節(jié)拍。

當(dāng)被測連桿到達(dá)該測量工位點(diǎn)時(shí)，通過機(jī)械手將連桿精確的定位擺放在升降平臺(tái)上，接著升降臺(tái)將連桿定位放置在測量平臺(tái)上，然后旋轉(zhuǎn)夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作，將連桿夾緊在測量平臺(tái)上。由于連桿的生產(chǎn)誤差，位移傳感器會(huì)得到相應(yīng)的距離偏差，然后采集到的原始數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，通過設(shè)計(jì)的算法以及編好的軟件計(jì)算出相應(yīng)的連桿的誤差數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完畢后，夾緊機(jī)構(gòu)回到原位，升降臺(tái)將被測連桿送回機(jī)械手，通過機(jī)械手進(jìn)入下一個(gè)測量工位點(diǎn)。該測量過程的測量節(jié)拍可以達(dá)到3 s/件，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的檢測方法，極大地縮短了測量周期，很好地實(shí)現(xiàn)了快節(jié)拍的測量要求。

待測連桿在輸料口由機(jī)械手定位到各個(gè)測量工位點(diǎn)，進(jìn)行不同參數(shù)的測量。先后經(jīng)過上料工位、預(yù)檢工位、稱重工位后，待測連桿進(jìn)入到本文設(shè)計(jì)的測量機(jī)構(gòu)的測量工位，測量完畢后進(jìn)入打標(biāo)工位，最后送往下料料道。所設(shè)計(jì)的連桿在線測量儀采用的位移傳感器為Solartron LVDT AUSB-0.25-S高精度位移傳感器，其量程為0.25 mm，測量重復(fù)精度為0.15 μm，分辨率可以達(dá)到<0.1 μm。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過多通道箱進(jìn)行放大、濾波等降噪處理[12]，由設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)過程控制軟件進(jìn)行計(jì)算以得到測量結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)對(duì)100個(gè)連桿進(jìn)行測量，在測量之前，先用連桿標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)測頭進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定完成后，進(jìn)行待測連桿的測量，大小頭端各布置的8個(gè)測頭采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波等預(yù)處理。測得的其中10個(gè)連桿的數(shù)據(jù)如表1～表3所示，其中表1中T1～T4為大頭端上側(cè)4個(gè)測頭的數(shù)據(jù)，T5～T8為大頭端下側(cè)4個(gè)側(cè)頭的數(shù)據(jù);表2中T9～T12為小頭端上側(cè)4個(gè)測頭的數(shù)據(jù),T13～T16為小頭端下側(cè)4個(gè)側(cè)頭的數(shù)據(jù);表3中T17～T20為連桿厚度偏差4個(gè)測頭的數(shù)據(jù)。

表1 連桿大頭端測頭數(shù)據(jù)

表2 連桿小頭端測頭數(shù)據(jù)

表3 連桿厚度測頭數(shù)據(jù)

使用三坐標(biāo)測量儀測得被測連桿的厚度和中心距如表4所示。根據(jù)前文所設(shè)計(jì)的連桿彎曲度和扭曲度的計(jì)算方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)的誤差補(bǔ)償，采用最小二乘法擬合圓心，將數(shù)據(jù)帶入計(jì)算公式，得到連桿的彎曲度和扭曲度如表4所示，被測連桿的彎曲度的技術(shù)指標(biāo)為0.017 mm，扭曲度的技術(shù)指標(biāo)為0.04 mm。從表4中可以看出各個(gè)連桿的彎曲度和扭曲度都滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，無需進(jìn)行矯正。

表4 測量結(jié)果

續(xù)表4

為了確定所設(shè)計(jì)的連桿測量機(jī)的測量重復(fù)性[14]，對(duì)上述相同的被測連桿在測量機(jī)上重復(fù)進(jìn)行測量50次，測得的連桿的彎曲度和扭曲度的平均值如表5所示，可以計(jì)算得到測量的GR&R[15]均小于5%，測量的重復(fù)性和可再現(xiàn)性高。再將測量結(jié)果與三坐標(biāo)測量儀測得的彎曲度和扭曲度進(jìn)行對(duì)比，誤差值均小于等于1 μm，測量精度高，滿足誤差要求。同時(shí)，對(duì)每個(gè)被測連桿測量時(shí)間進(jìn)行了記錄，平均時(shí)間可以達(dá)到小于3 S/件，測量節(jié)拍相對(duì)于傳統(tǒng)的以及一些數(shù)字測量方法得到了很大的提升，完全匹配如今汽車連桿生產(chǎn)線的節(jié)拍要求。

表5 連桿測量機(jī)與三坐標(biāo)測量儀結(jié)果的比對(duì)

4 結(jié)束語

本文提出了連桿彎曲度和扭曲度的高精度、快節(jié)拍在線測量方法，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)化的在線測量平臺(tái)，能夠集成到連桿的自動(dòng)化生產(chǎn)線之中，極大地提高了汽車連桿的生產(chǎn)檢測效率。通過分析測量誤差，進(jìn)行相應(yīng)的誤差補(bǔ)償，提高測量的精度以及重復(fù)性和可再現(xiàn)性。測量誤差小于1 μm，重復(fù)性GR&R小于5%，滿足測量可重復(fù)性的要求。通過設(shè)計(jì)開發(fā)的測量機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，很好地驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的測量機(jī)構(gòu)的可行性，且能夠預(yù)測該測量平臺(tái)將會(huì)很好地應(yīng)用到汽車連桿生產(chǎn)工業(yè)現(xiàn)場。

未來的研究可以采取動(dòng)態(tài)采集的方式，讓測頭能夠較為全面的采集輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)連桿內(nèi)孔進(jìn)行完整的掃描。同時(shí)，本文研究的是接觸式測量，對(duì)于連桿的測量可以采用已經(jīng)越來越成熟的非接觸式測量技術(shù)，不斷地改進(jìn)連桿的在線測量技術(shù)，提高測量的精度和節(jié)拍。