基于激光位移传感器的缸套内部形廓尺寸测量系统
基于激光位移传感器的缸套内部形廓尺寸测量系统
作者:刘宾;王黎明;赵霞
气缸套和活塞环是柴油机工作中重要的一对摩擦副,气缸套由于自身形位公差、刚度和机体螺栓预紧力分布的作用会产生机械应力变形,影响气缸套内孔和活塞环的配合特性,造成活塞环?气缸套摩擦副在工作过程中跟随特性下降,降低活塞环的密封特性,严重影响发动机的经济性、动力性和排放特性。因此需要对气缸套装配过程中变形量进行测量,有效控制缸套失圆变形,减小活塞与气缸套之间的间隙。对于缸套静态变形,国内外一些研究机构及公司提出基于电涡流传感器的气缸套变形测量方法。但受电涡流测距传感器技术限制,目前传感器线圈直径普遍较大,常见传感器线圈直径约 3 mm,这样传感器激励在被测导体上形成的短路环等效半径约为传感器线圈半径的 3 倍(即感应有效区域直径约为 9 mm),作用面积偏大,加之气缸套内表面为圆柱面,对电涡流测量影响较大。 鉴于此,考虑到激光测距仪具有测量精度高、激光光斑直径小、在较大测量范围内可保持良好线性的特点,且对弧面被测物体具有良好的适应性,本文提出采用高精度激光位移传感器开发分布式孔径缸套形廓尺寸光电测量系统,可有效克服缸套截面弧度对电涡流传感器测量的影响,实现缸套形廓尺寸的高精度测量。
1 分布式孔径缸套形廓尺寸光电测量方法
理想的缸套截面被认为是一理想的圆,但由于自身形位误差和紧固螺栓预紧力大小的问题,造成不同程度的失圆变形。为获取缸套内部形廓尺寸及变形状态,需要对缸套多个截面的极径绝对数值进行精确测量。本文设计了周向均布的 3 个高精度激光位移传感器组成的分布式孔径缸套形廓测量系统,通过运动控制系统调整测量方位角度,实现缸套截面任意方向极径绝对数值的测量。
测量装置中 3 个激光位移传感器安装在按照周向 120?均匀分布的传感器支架上,一次触发可以获取截面呈 120?分布的 3 个测量点的数值,根据测量值可计算得到截面的极径。
2 测量过程中系统轴偏斜误差分析
基于上述方法测量时,由于缸套形廓尺寸测量装置是由多部件组装而成,装配过程中会存在一定的误差,其中部分装配误差可以通过静态标定进行具体测量并进行调校修正,如传感器测量端面到旋转中心的距离、旋转中心与卡盘轴承中心的偏差、传感器测量端面所在平面与卡盘定位截面的平行度等。但是部分误差是在测试过程中由于装卡误差产生的,因此无法通过静态标定方法校正,如卡盘定位中心与缸套轴线的偏差、卡盘装卡过程中导致的直线光轴与缸套轴线的夹角等,因此需要对此类误差进行分析,并做必要的处理以减小最终的测量误差。
当工装轴线与缸套轴线仅存在距离偏差时,实际测量截面和理想测量截面共面,仅存在截面中心的偏移,对缸套形廓尺寸的测量无影响。但是当两轴存在夹角时,实际测量截面不再是理想测量截面,因此,需要对倾斜角度、测量截面与理想截面的偏差进行评估,考量偏差程度对测量结果的影响,从而确定校正的必要性及相应的方法。
当轴倾斜角度增大时,测量数值与理想测量数值间的偏差呈线性增加,其主要原因是由于偏斜角度的存在,导致旋转中心严重偏离缸套轴线。而且随着定心截面?测试截面距离增大,导致的旋转中心偏离缸套轴的距离逐渐增大。鉴于上述问题,在测量过程中应增加卡爪定位面的面积和保证工装轴线和重力方向一致的测量姿态,同时按照上节中所述的在测量前确定旋转中心的位置,对测量数据进行校正,从而降低轴倾斜造成的测量误差。
3 测量实验及数据分析
基于上述测量方法,利用分布孔径激光缸套尺寸测量装置对直径为 150 mm 的缸套自由状态及预紧状态下的形廓尺寸进行测量。测量时通过台架调整柴油机箱体的姿态,使缸套轴线与重力方向一致,测量装置装卡后轴线也和重力方向一致,这样最大限度的降低装置自重造成直线光轴产生的偏差和倾斜。通过调节直线光轴的伸缩量设定测量截面距离卡盘定位截面的距离,分别取距离卡盘定位截面距离为 10-180 mm范围内取多个截面进行测量,截面距离步进为 10 mm。单个截面测量点数为 72 个测量点,获取相应的极径测量数据。对测量数据进行三次样条拟合,得到自由状态、预紧状态下的截面形廓。为了突出显示截面的变形状态,绘制曲线时仅将极径向对理想极径的偏差量进行绘制,所以图中各虚线圆环间的距离为 30 m,这样能够很好的表现截面的变形情况。根据二维数据得到的自由和预紧状态下缸套轮廓的三维显示,可更为直观的观察缸套的形廓变形情况。
为验证测量装置测量数据的正确性,利用传统的千分表测量方式与本文系统测量数据进行比较,本文测量装置测量图片和传统测量工具的示意图片,传统测量工具有两个定位面,定位面与缸套的曲率一致,定位面到工具中心的距离为 75 mm,测量时通过 150 mm 标准环规进行标定,然后人工操作实现缸套极径的测量。
利用本文测量装置测试结果与传统千分表测量方式表现出较好的一致性,验证了本文所提出方法的有效性。结果表明预紧装态下本文方法测量结果与千分表测量方案测量结果误差相对较大,分析原因可能是两个方面的问题:1) 预紧状态下由于预紧螺栓的作用,缸套的多边形变形严重,导致靠近螺栓的区域变形严重;2) 千分表测量系统定位截面与缸套接触面过大,对支撑点处的变形有一定的中和作用,导致测量结果较实际数值偏差较大。
4 结 论
本文提出了基于激光位移传感器的分布式孔径缸套形廓尺寸光电测量方法,可实现缸套自由和预紧状态下的多截面、多点极径的测量;针对在实测过程中装卡造成的测量误差,数值分析了偏差对测量结果的影响程度,提出了有效的校正方法;利用设计的分布孔径激光缸套尺寸测量装置对直径为 150 mm 的缸套自由状态及预紧状态下的形廓尺寸进行测量,与传统的千分表测量数据进行对比,本文测量装置测试结果与传统千分表测量方式表现出较好的一致性,验证了本文所提出方法的有效性。该测量方法可以有效地测量汽缸套在缸盖安装前后的变化,对缸盖的装配工艺提供有利的数据支撑,为柴油机的设计和加工工艺积累经验。
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