專利名稱:一種曲軸加工在線檢測自動定位系統及方法
技術領域:
本發明涉及一種機械加工檢測系統,特別是關于一種曲軸加工在線檢測自動定位系統及方法。
背景技術:
一般活塞式發動機中,曲軸是傳遞動能的關鍵部件,活塞的往復運動通過曲軸轉變為旋轉運動,從而輸出發動機的功率。在大型船用柴油發動機中,曲軸往往動輒上百噸, 由于重型曲軸形狀復雜、剛度差、工作環境復雜等特點,為保證承受扭矩、彎矩以及動載荷等的影響,其結構強度、剛度、尺寸精度以及質量平衡等方面,都有很高的要求,重型曲軸的制造加工仍是機械制造領域重要的研究課題之一。重型曲軸檢測定位技術是保證曲軸加工質量、加工效率的關鍵技術之一。重型曲軸制造過程一般采用分段鑄造熱處理,紅套熱裝后再利用曲軸旋風加工中心進行整體的粗精加工。在曲軸旋風加工中心上安裝曲軸,除曲軸軸端采用四爪卡盤夾持外,曲軸各段主軸頸處輔以中心架支撐,由于所受重力較大,通過中心架上的液壓缸支撐曲軸。曲軸的準確安裝定位是保證加工質量的前提條件,一般要求曲軸的軸端與各段主軸頸軸線保持同軸并在同一水平面,采用曲軸各段主軸頸同軸度誤差來衡量安裝定位的準確程度。根據曲軸結構特點可知,曲軸沿長度方向上質量分布并不均勻,于是各段中心架受力并不一致,在安裝過程中,只有精確調整各中心架的液壓力,才能使各段主軸頸軸線同軸度誤差滿足加工精度要求。由于測量手段的限制,直接測量曲軸安裝主軸頸同軸度誤差有一定的困難。通過觀察發現,在曲軸繞主軸頸旋轉過程中,曲拐上與主軸頸相對端的曲柄臂間距,隨曲軸旋轉呈現周期性變化規律,而這恰恰是曲軸各段主軸頸不同軸的反映。工程中獲取該間距的測量數據,即可利用相應算法反推曲軸各段曲拐主軸頸軸線的相對偏移量,從而間接獲取曲軸安裝主軸頸同軸度的信息,以此為依據指導中心架壓力調整,實現曲軸安裝過程中的自動定位找正。目前,在生產中使用的在線檢測定位系統,一般采用獨立的工控機單元對測量數據進行分析處理。從系統集成的角度看,這種配備獨立工控機單元進行數據處理的傳統方式,由于測量數據和制造數據的分離,容易產生操作頻繁移位,降低生產效率。而且,由于采用手動調整定位找正,這在很大程度上依賴操作員的經驗和主觀判斷,具有一定的盲目性, 影響生產效率。此外,附加的工控機單元增加了開發管理成本。為此,迫切需要開發出一套的檢測系統,滿足生產實踐的需要。
發明內容
針對上述問題,本發明的目的是提供一種用于數控重型曲軸旋風加工中心的在線檢測自動定位系統及方法。為實現上述目的,本發明采取以下技術方案一種曲軸加工在線檢測自動定位系統,其特征在于它包括加工曲軸的旋風加工中心、信號采集處理裝置和數控系統三部分,其中信號采集處理裝置包括間距測量裝置、壓力測量裝置和相位測量裝置,數控系統中設置有一數控PCU單元;所述的間距測量裝置包括間距信號傳感器、間距測量傳輸裝置、無線測量數據發送裝置、無線測量數據接收裝置、網絡傳輸裝置和數控系統PCU單元,其中間距信號傳感器、間距測量傳輸裝置和無線測量數據發送裝置集成在一起,設置在曲軸的各對曲柄臂之間,無線測量數據接收裝置、網絡傳輸裝置和數控系統PCU單元設置在數控系統的操作臺上;所述間距信號傳感器獲取間距信號,通過測量傳輸裝置將間距數據通過無線發送裝置發出,由無線接收裝置獲取間距數據,經網絡傳輸裝置將間距數據傳送到數控系統P⑶單元進行處理;所述的相位測量裝置包括主軸相位信號傳感器、主軸相位數據測量傳輸裝置和數控系統PCU單元,所述主軸相位信號傳感器設置在曲軸旋風加工中心的主軸的一端,通過四爪卡盤和曲軸的軸端相連接,將其獲取的相位數據,通過主軸相位數據測量傳輸裝置傳送到數控系統PCU單元進行處理;所述的壓力測量裝置包括壓力信號傳感器、 壓力測量傳輸裝置和數控系統PCU單元,所述壓力信號傳感器設置在支撐曲軸的中心架上,其獲取的壓力信號,通過壓力測量傳輸裝置傳送到數控系統PCU單元進行處理。曲軸加工在線檢測自動定位方法,其包括以下步驟1)在數控系統中輸入所需要的采樣次數n,經計算得到相應的采樣相位值;2)打開旋風加工中心電源,使主軸以恒定的速率運轉起來,對曲軸上各段曲拐進行標號,選定其中一個曲拐的連桿軸頸的軸線作為基準,并將該處計為初始相位零點,以下測量得到的間距值均是與該相位處間距比較的相對值;3)將獲得的間距、相位、壓力等模擬信號經過采樣、量化、編碼等數據處理,得到數字信號,經過有線或者無線的傳輸形式,將數字信號傳輸到數控系統PCU單元,數控系統PCU單元記錄在曲軸旋轉的過程中,給定采樣相位處的各段曲柄臂間距值和壓力值,在段號-間距坐標圖上,繪制相對應的圖形;4)采樣每完成一次算法將η依次做減1處理,判斷η是否等于0,如果η = 0時滿足所設置的采樣次數,進入下一步操作,否則算法繼續回到初始采樣循環力)采樣完成后得到各給定的相位值處各段曲柄臂間距在曲軸長度方向的分布圖, 設置間距均值為0,計算各相位處曲柄臂間距的標準差,根據給定的容許標準差數值范圍, 判斷是否滿足加工精度要求;6)取標準差最大處為曲軸最大變形的相位值,根據該處間距分布圖,結合曲軸結構材料特點,通過有限元建模分析,推算出曲軸在長度方向上的相對變形,計算當前相對變形條件下,中心架壓力所需要調整的數值;7)控制曲軸在最大變形的相位位置處,按照計算結果,控制中心架對壓力進行調整,調整中心架之后,進入下一個檢測調整循環,計算得到的標準差數值小于給定值時,算法結束。本發明由于采取以上技術方案,其具有以下優點1、本發明通過布置在曲軸旋風加工中心及曲軸上的測量裝置,對曲軸安裝狀態下各段主軸頸之間的同軸度誤差進行在線測量,指導曲軸安裝的定位找正。2、相比較人為調整找正過程,本發明節省了繁重的工作量,提高了生產效率,為大型復雜零件在線參數的檢測提供了參考依據。3、相比較手動調整定位找正,本發明克服了手動操作存在的缺點,避免操作的盲目性,自動定位的應用實施, 在一定程度上,減輕了對操作人員技術熟練程度以及經驗積累的依賴,使生產更加的自動化。4、本發明直接利用數控系統PCU單元來分析處理測量數據,省去了附加的工控機單元, 有利于對測量制造數據統一集中處理,采用集成的手段,減少了開發管理成本,對制造系統的集成有著深遠的影響。
圖1為本發明曲軸的結構示意2為本發明在線檢測自動定位系統總體結構示意3為本發明信號采集處理裝置的結構示意4為本發明相鄰曲柄臂間距測量裝置示意5為本發明主軸相位測量裝置示意6為本發明中心架壓力測量裝置示意7為本發明數據處理流程圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖1所示,本發明需要加工的曲軸包括軸端1,曲軸軸向間隔設置的若干曲拐2 以及主軸頸3等,其中每一個曲拐2包括與主軸頸3相連接的一對曲柄臂21以及每對曲柄臂21的端部設置的一連桿軸頸22,軸端1的一端通過四爪卡盤4夾緊,各個主軸頸3中部間隔設置有若干用于輔助支撐的中心架5。如圖2、圖3所示,本發明包括加工曲軸的旋風加工中心、信號采集處理裝置和數控系統三部分,其中信號采集處理裝置包括間距測量裝置6、相位測量裝置7和壓力測量裝置8,數控系統中設置有一數控PCU單元9,從廣義上說,數控系統是指實現機床自動控制的整套硬件和軟件,主要包括輸入裝置、核心計算裝置、伺服裝置與執行電機、輔助裝置等,數控P⑶單元9是核心計算裝置的一部分。如圖4所示,本發明的間距測量裝置6包括間距信號傳感器61、間距測量傳輸裝置 62、無線測量數據發送裝置63、無線測量數據接收裝置64、網絡傳輸裝置65和數控系統PCU 單元9。其中間距信號傳感器61、間距測量傳輸裝置62和無線測量數據發送裝置63設置在各對曲柄臂21之間,在測量過程中,隨曲軸一起旋轉;無線測量數據接收裝置64、網絡傳輸裝置65和數控系統P⑶單元9設置在數控系統的操作臺上。測量時,間距信號傳感器61 獲取間距信號,通過間距測量傳輸裝置62將間距數據通過無線發送裝置63發出,由無線測量數據接收裝置64獲取間距數據,經網絡傳輸裝置65將間距數據傳送到數控系統PCU單元9進行處理。如圖5所示,本發明的相位測量裝置7包括主軸相位信號傳感器71、主軸相位數據測量傳輸裝置72和數控系統P⑶單元9,主軸相位信號傳感器71設置在曲軸旋風加工中心的主軸的一端,通過四爪卡盤4和曲軸的軸端1相連接。測量時,由主軸相位信號傳感器71 獲取相位數據,通過主軸相位數據測量傳輸裝置72將相位數據傳送到數控系統PCU單元9 進行處理。如圖6所示,本發明的壓力測量裝置8包括壓力信號傳感器81、壓力測量傳輸裝置 82和數控系統P⑶單元9。測量時,壓力信號傳感器81獲取壓力信號,通過壓力測量傳輸裝置82將壓力數據傳送到數控系統P⑶單元9進行處理。如圖7所示,本發明的數據處理過程包括如下步驟1)開始時,在數控系統中輸入所需要的采樣次數n,根據采樣次數n,將曲軸旋風加工中心的主軸一端360度整圈均分為n,得到相應的采樣相位值,例如η = 4,則對應的采樣相位點處分別為0°,90°,180°,270° ;對曲軸各段曲拐進行標號,例如把靠近四爪卡盤4處的曲拐標記為1號曲拐,該段曲拐的曲柄臂間距作為1號段間距。2)打開曲軸旋風加工中心電源,使曲軸旋風加工中心的主軸以恒定的速率運轉起來,選定1號曲拐,將1號曲拐的連桿軸頸22的軸線作為基準,設該軸線通過豎直最高位置時,系統將該處計為初始相位零點,并且,每次通過該零點時,系統將各段曲柄臂間距清零, 因此,可知以下測量得到的間距值均是與該相位處間距比較的相對值。3)把獲得的間距、相位、壓力等模擬信號經過采樣、量化、編碼等數據處理,得到數字信號,經過有線或者無線的傳輸形式,將數字信號傳輸到數控系統PCU單元9。數控系統 PCU單元9記錄在曲軸旋轉的過程中,給定采樣相位處的各段曲柄臂間距值和壓力值,在段號-間距坐標圖上,繪制相對應的圖形。4)采樣每完成一次算法將η依次做減1處理,判斷η是否等于0,如果η = 0時滿足所設置的采樣次數,進入下一步操作,否則算法繼續回到初始采樣循環。5)采樣完成后得到各給定的相位值處各段曲柄臂間距在曲軸長度方向的分布圖, 設置間距均值為0,計算各相位處曲柄臂間距的標準差。根據給定的容許標準差數值范圍, 判斷是否滿足加工精度要求。6)由于標準差反映的是曲軸變形程度,間距值為負時,反映了該段曲拐受壓,間距為正反映該段曲拐受拉。取標準差最大處為曲軸最大變形的相位值。根據該處間距分布圖, 結合曲軸結構材料特點,通過有限元建模分析,推算出曲軸在長度方向上的相對變形,計算當前相對變形條件下,中心架壓力所需要調整的數值。7)控制曲軸在最大變形的相位位置處,按照計算結果,控制中心架壓力調整。調整中心架壓力之后,進入下一個檢測調整循環,計算得到的標準差數值小于給定值時,算法結
束ο本發明檢測系統通過對間距、壓力和相位三個參數的測量,獲取曲軸在特定的相位處相對的各曲柄臂間距的測量數據,反推曲軸各段主軸頸的相對偏移量,從而間接得到當前安裝狀態下曲軸主軸頸的同軸度誤差,以此為依據指導中心架5壓力調整,實現曲軸安裝過程中的自動定位找正。其中由于曲軸旋轉帶來的布線限制,本實施例中曲柄臂21間距值采用無線傳輸形式,但是并不限于此,還可以采用電刷滑環的方式實現,而壓力和相位值的測量采用有線傳輸形式。上述各實施例僅用于說明本發明,其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的,凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進,均不應排除在本發明的保護范圍之外。
權利要求
1.一種曲軸加工在線檢測自動定位系統,其特征在于它包括加工曲軸的旋風加工中心、信號采集處理裝置和數控系統三部分,其中信號采集處理裝置包括間距測量裝置、壓力測量裝置和相位測量裝置,數控系統中設置有一數控PCU單元;所述的間距測量裝置包括間距信號傳感器、間距測量傳輸裝置、無線測量數據發送裝置、無線測量數據接收裝置、網絡傳輸裝置和數控系統PCU單元,其中間距信號傳感器、間距測量傳輸裝置和無線測量數據發送裝置集成在一起,設置在曲軸的各對曲柄臂之間,無線測量數據接收裝置、網絡傳輸裝置和數控系統PCU單元設置在數控系統的操作臺上;所述間距信號傳感器獲取間距信號,通過測量傳輸裝置將間距數據通過無線發送裝置發出, 由無線接收裝置獲取間距數據,經網絡傳輸裝置將間距數據傳送到數控系統PCU單元進行處理;所述的相位測量裝置包括主軸相位信號傳感器、主軸相位數據測量傳輸裝置和數控系統PCU單元,所述主軸相位信號傳感器設置在曲軸旋風加工中心的主軸的一端,通過四爪卡盤和曲軸的軸端相連接,將其獲取的相位數據,通過主軸相位數據測量傳輸裝置傳送到數控系統P⑶單元進行處理;所述的壓力測量裝置包括壓力信號傳感器、壓力測量傳輸裝置和數控系統PCU單元, 所述壓力信號傳感器設置在支撐曲軸的中心架上,其獲取的壓力信號,通過壓力測量傳輸裝置傳送到數控系統P⑶單元進行處理。
2.一種采用如權利要求1所述系統的曲軸加工在線檢測自動定位方法,其包括以下步驟1)在數控系統中輸入所需要的采樣次數Π,經計算得到相應的采樣相位值,對曲軸上各段曲拐進行標號;2)打開旋風加工中心電源,使主軸以恒定的速率運轉起來,對曲軸上各段曲拐進行標號,選定其中一個曲拐的連桿軸頸的軸線作為基準,并將該處計為初始相位零點,以下測量得到的間距值均是與該相位處間距比較的相對值;3)將獲得的間距、相位、壓力等模擬信號經過采樣、量化、編碼等數據處理,得到數字信號,經過有線或者無線的傳輸形式,將數字信號傳輸到數控系統PCU單元,在數控系統 PCU單元記錄在曲軸旋轉的過程中,給定采樣相位處的各段曲柄臂間距值和壓力值,在段號-間距坐標圖上,繪制相對應的圖形;4)采樣每完成一次算法將η依次做減1處理,判斷η是否等于0,如果η= 0時滿足所設置的采樣次數,進入下一步操作,否則算法繼續回到初始采樣循環;5)采樣完成后得到各給定的相位值處各段曲柄臂間距在曲軸長度方向的分布圖,設置間距均值為0,計算各相位處曲柄臂間距的標準差,根據給定的容許標準差數值范圍,判斷是否滿足加工精度要求;6)取標準差最大處為曲軸最大變形的相位值,根據該處間距分布圖,結合曲軸結構材料特點,通過有限元建模分析,推算出曲軸在長度方向上的相對變形,計算當前相對變形條件下,中心架壓力所需要調整的數值;7)控制曲軸在最大變形的相位位置處,按照計算結果,控制中心架對壓力進行調整, 調整中心架之后,進入下一個檢測調整循環,計算得到的標準差數值小于給定值時,算法結束ο
全文摘要
本發明涉及一種曲軸加工在線檢測自動定位系統及方法,其特征在于它包括加工曲軸的旋風加工中心、信號采集處理裝置和數控系統三部分,其中信號采集處理裝置包括間距測量裝置、壓力測量裝置和相位測量裝置,數控系統中設置有一數控PCU單元;該檢測系統通過對間距、相位和壓力三個參數的測量,獲取曲軸在特定的相位處,與主軸頸相對端各曲柄臂間距的測量數據,反推曲軸各段主軸頸軸線的相對偏移量,從而間接得到當前安裝狀態下曲軸主軸頸同軸度誤差,以此為依據指導中心架壓力調整,實現曲軸安裝過程中的自動定位找正。通過本發明在線檢測自動定位系統的實施,在一定程度上改善加工精度,提高生產效率,降低了附加的工控機單元所增加的開發管理成本,具有廣闊的市場應用前景。
文檔編號G01B21/24GK102240925SQ201110086378
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月7日 優先權日2011年4月7日
發明者葉佩青, 周東, 王英瑞, 趙彤 申請人:清華大學