基于最小二乘法的四缸发动机缸体孔位置度测量方法

摘要:研究了缸体孔位置度误差的测量方法,建立了基于最小二乘法的缸孔位置度评定模型,并在此基础上研制了四缸发动机缸体孔位置度专用测量仪。

1 引言

在生产中,当零件上分布的孔组的位置度符合相关原则时,一般可采用通用量仪进行检测。但由于通用量仪难以建立实效边界,因此会给孔组位置度的测量带来困难,尤其在装配发动机缸体时,为保证活塞、连杆、曲轴等运动部件相互位置准确,必须将气缸孔位置度误差限制在要求的公差范围内。为保证气缸孔的位置精度,除采用合理的加工方法外,气缸孔位置度的检测也十分重要。为适应在发动机生产、装配线上快速、准确测量气缸孔位置度误差的需要,需要开发相应的专用测量仪器。文献研究了采用多传感器确定孔心位置的测量方法和模型,但该方法在测量成本和测量可靠性上还存在一定局限性,测量结果的随机误差较大。本文提出一种基于最小二乘法的缸体孔位置度误差评定方法及模型,并研制了用于四缸发动机缸体孔位置度测量的专用测量仪器。

2 单孔中心位置测量的最小二乘法模型

为确定发动机缸体上各缸体孔的位置度,首先必须确定每个孔的中心位置。
孔的位置度误差测量采用相对测量法,即首先制作一个标准件,标准孔的位置精度经高精度测量仪器检测后已知,将其作为评定被测孔位置度的基准。测量前,先在标准件上对传感器进行校正,以校正传感器的测量数据作为传感器零点。
根据测量方案,在每个被测孔的测量截面上按180°相对布置两个传感器。设两个传感器测头分别安装于测试棒上的a、b点,O点为测试棒的中心,r为标准孔的直径,h
i1、hi2为被测孔两传感器第i次测量的位移量,θi为第i次测量时与x轴的夹角。为确定被测孔的实际中心位置,需要对被测孔圆周进行多次测量,然后根据最小二乘法原理构造一个最小二乘圆,并以该最小二乘圆的圆心O近似作为被测孔的实际中心位置。
在平面坐标系O-xy中,A、B点的坐标分别为 A (x
A, yA)=[(r+hi1)cosθi, (r+hi1)sinθi)
B(xB, yB)=[(r+hi2)cos(θi+π), (r+hi2)sin(θi+π)]
直线AB的中点坐标为[(h
1-h2)cos(θ/2), (h1-h2)sin(θi/2)] 。
设在被测孔上对N个点采样,采样间隔角度为θ=360/N。以测试棒的中心为坐标原点,以x轴为测量起始位置,则最小二乘圆的中心坐标为(Δx, Δy),可建立最小二乘法模型为 ε
2i=N-1Σi=1{[(hi1-hi2)cos iθ-Δx]2+[(hi1-hi2)sin iθ-Δx]2}=min (i=0, …, N-1)22令:εi=0, εi=0。则该被测孔的最小二乘圆的中心坐标(Δx, Δy)为(Δx)(Δy)Δx=1N-1Σi=0hi1-hi2cos iθN2Δy=1N-1Σi=0hi1-hi2sin iθ22(1)

3 缸体孔位置度测量原理

根据被测缸体孔的结构尺、并设计了可测量四个缸体孔的传感器测试棒组件装置,其装配结构。测量时,整个测试棒组件装置在气缸推动下沿两导向立柱向下运动,插入被测孔中。每个测试棒各配置一个步进电机,用于控制其旋转运动,使传感器测头按要求旋转并获取采样数据。每一被测孔的传感器安装方式与测量单孔中心位置时相同,测量前需用标准件校正传感器。传感器组测量各孔位置度的示意。设标定标准件时孔NO.1、NO.2、NO.3、NO.4 的单孔中心位置坐标分别为(Δx
1b,Δy1b), (Δx2b,Δy2b), (Δx3b,Δy3b), (Δx4b,Δy4b);;测量实际工件时缸体孔NO.1、NO.2、NO.3、NO.4 的单孔中心位置坐标分别为(Δx1,Δy1), (Δx2,Δy2), (Δx3,Δy3), (Δx4,Δy4),则各被测实际工件孔的中心位置坐标分别为 {Δxi=Δxi-ΔxibΔyi=Δyi-Δyib式中,i=1,2,3,4。标准孔、被测孔的单孔中心位置坐标Δxib,Δyib,Δxi,Δyi(i=1, 2, 3, 4)分别按单孔中心位置测量方法和式(1)计算。
根据企业标准,将发动机四缸体孔的位置度定义为:缸体孔NO.2、NO.3、NO.4的中心位置相对于以缸体孔NO.1为基准的理想位置的最大变化量。按此定义,缸体孔的位置度是相对于孔NO.1而言的,即孔No.2、No.3、No.4的位置相对于孔No.1中心位置的偏移量,相当于测试棒平动使其中心位置与缸体孔NO.1的中心位置重合后,各孔中心位置的偏差,即 {δx
i=Δxi-Δx1δyi=Δyi-Δy1式中,i=2, 3, 4。则第i个孔的位置误差为 ei=√ (i=2, 3, 4)δx2i+δy2i
该缸体孔组的位置度为 Ø=2e
imax          (i=2, 3, 4)

4 结语

根据本测量原理研制的四缸发动机缸体孔位置度专用测量仪,作为发动机缸体综合精度测量机的一个组成部分,已成功应用于发动机缸体全自动生产线上。该测量仪的使用可显著提高缸体孔位置度的检测精度和检验效率,对保证发动机制造质量、提高生产率起到了重要作用。该测量原理同样可推广应用于其它位置度误差测量场合。

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