基于电涡流传感器连杆孔平行度的检测系统及检测方法

摘要

本发明基于电涡流传感器连杆孔平行度的测量系统与检测方法，测量系统主要由定位系统、驱动及传动系统、信息采集控制系统以及数据处理系统组成。其检测方法是：检测时，首先对系统进行初始化，然后放置被测连杆并用定位系统对其定位，电涡流传感器由驱动及传动系统在可编程逻辑控制器程序控制的控制下，顺次经过规定的检测位置，同时由信息采集控制系统采集电涡流传感器的模拟量信号、限位探头的通、断信号以及升降支座的位置信号，最后，采集到的数据由数据处理系统经被测截面圆心拟合、两孔实际距离计算、实际中心线误差计算以及计算结果判定后，最终实现连杆孔平行度的检测。本发明能够快速、自动地实现连杆大小头两孔中心线平行度的测量。

说明书

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种发动机连杆大小头两孔中心线平 行度的检测系统及检测方法。

背景技术

连杆作为发动机的核心传力部件，连接活塞和曲轴，将作用在活塞上的燃 烧气体压力传给曲轴，输出扭矩。在工作过程中，连杆承受活塞销传来的气体 作用力以及其本身摆动和活塞组往复运动时的交变载荷，机械负荷重，工作条 件恶劣。因此，对连杆的结构强度的要求很高，而连杆本身的制造精度直接影 响着连杆的承力状态，进而影响着发动机的性能。

如果连杆大小头孔中心线的平行度不满足要求则直接影响活塞销中心线与 曲轴中心线的平行度以及与汽缸中心线的垂直度，使活塞在汽缸中产生前、后 倾斜而间隙不一致，从而导致活塞连杆组产生偏磨，加速机件的磨损，严重时 会产生拉缸；导致连杆扭曲，造成窜油、窜气，使发动机动力下降，经济性差， 排污增加，使用寿命缩短；活塞在汽缸内运动不规则，发生前、后摇摆，撞击 汽缸壁产生敲缸，导致发动机噪声级升高。

目前，常见的连杆大小头中心孔中心线平行度的检测方法大致有：使用专 用量规和机械式检验夹具，纯手工或半自动的检测，例如台州宏鑫曲轴有限公 司研发的“连杆平行度的检测装置”等，这类方法普遍操作复杂、效率低，测 量精度也受到许多主观因素的影响，不仅很难实现大批量产品生产时的全检， 而且容易出现误检，产生浪费；另外是采用三坐标测量仪等通用综合测量仪进 行检测的方法，这种方法检测成本很高，而且效率较低。还有采用光学测量方 法，但由于光学测量一方面对被测表面要求较高，另一方面对棱镜本身及其移 动导轨要求较高，也不适用于测量连杆孔；北京交通大学高晓婧设计的“智能 连杆测量系统”，虽然实现了自动化测量，但其测量点受探头数量的限制，且传 感器的自身尺寸决定了其不适用于一般汽、柴油发动机连杆等大小头中心孔孔 径较小的场合。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述针对一般汽、柴油发动机连杆大小头孔中心 线平行度检测的不足，公开一种能够快速自动测量连杆大小头两孔中心线平行 度的检测系统。

本发明的技术方案是：

基于电涡流传感器连杆孔平行度的检测系统，其特征在于：该测量系统包 括定位系统、驱动及传动装置、信息采集控制系统及数据处理系统，其中：

所述的定位系统包括测量台、测量台支架、V形定位块、定位销、定位衬套、 定位以及紧固螺钉；所述的定位系统的测量台由测量台支架支撑，V形定位块固 定在测量台左侧，其V形定位块的中心线与测量台的水平中心线重合；定位销 固定于测量台右上方；定位衬套由两组定位、紧固螺钉固定于测量台孔内；

所述的驱动、传动装置包括驱动电机、主动齿轮、大头端升降装置、小头 端升降装置、大头端从动齿轮、小头端从动齿轮、齿条、大头端支撑轴承、小 头端支撑轴承、齿条架、左限位探头、右限位探头；驱动电机安装在测量台的 两孔中间，主齿动轮安装在驱动电机的输出轴上，及大、小头端升降装置和中 间，大、小头端升降装置和分别固定于测量台两孔的正下方，大、小头端支撑 轴承分别安装在大、小头端升降装置上，大头端从动齿轮与小头端从动齿轮分 别安装在大、小头端支撑轴承上，齿条架固定在地面上，齿条紧贴齿条架，齿 条与主齿动轮及大、小头端从动齿轮啮合；左限位探头和右限位探头分别固定 于齿条移动的左极限和右极限位置；齿条由齿条架支撑；

所述的信息采集控制系统由信息采集装置和可编程控制器程序组成，信息 采集装置包括大头端电涡流传感器、大头端电涡流传感器、大头支架、小头支 架、大头端升降装置、小头端升降装置、可编程控制器以及计算机；信息采集 控制系统的大、小头两端支架分别穿于定位衬套内，上端分别放置大、小端电 涡流传感器，下端放置在大、小头端升降装置上；限位探头、驱动电机与可编 程控制器连接，大、小端电涡流传感器分别通过其配套的前置端接入可编程控 制器模拟量的输入端，大、小头端升降装置与可编程控制器连接，可编程控制 器连接的计算机通过可编程控制器程序实现对信息采集控制系统的启动并读取 测量数据；

所述的数据处理系统包括被测截面圆心拟合、两孔实际距离计算、实际中 心线误差计算以及计算结果判定四部分。

应用上述检测系统的连杆孔平行度检测方法，采用以下步骤实现连杆孔的 平行度检测：

1）系统初始化：将支架降至最低高度，大、小端电涡流传感器分别处于0 °位置，齿条处于左极限位置；

2）放置被测连杆：将被测连杆置于测量台上，小头紧贴V形定位块，大头 侧面靠紧定位销。检查大、小端电涡流传感器测量头与两孔被测面间距，如果 超出了其线性量程，则调整大、小端电涡流传感器在支架上的固定位置使其测 量头与两孔被测面间距处于其线性量程范围内；

3）传感器采集数据：两升降座分别上升至两孔的低测量位后，驱动电机匀 速正转，齿条开始右移；大、小端电涡流传感器从各自的0°位置开始旋转，并 测量，测量数据通过PLC传输到计算机并保存；当齿条运动到右极限位置时， 右限位探头信号突变；驱动电机停转，此时大、小端电涡流传感器处于各自的 360°位置；升降座升至高测量位；电机匀速反转，齿条左移，大、小端电涡流 传感器进行测量；齿条运动到左极限位置，左限位探头信号突变，大、小端电 涡流传感器回到各自的0°位置；电机停转；升降座回到最低位置；

4）数据处理：大、小端电涡流传感器将测量信号通过前置端和PLC，对信 号进行整流、滤波、放大，A/D转换后输入计算机，输入量即测量点与理论中心 的距离r，设驱动电机的旋转速度为V，转动时间为T，则可得出该测量点所处 角度θ，进而得到该点坐标(r,θ)，对同一个测量截面内的点使用最小二乘法进行 被测截面圆心拟合，得到该测量面的圆心位置，再由大头孔内两圆心位置，得 到大头孔实际中心线，通过计算小头孔两测量点到该直线的距离，计算两孔的 实际距离，将两孔实际距离分别与设计中心线距离进行比较，完成实际中心线 误差计算，并与设计最大允许误差进行比较，判定计算结果，最终实现连杆孔 平行度的检测。

本发明显著的有益效果是能够快速、自动地实现连杆大小头两孔中心线平 行度的测量。

附图说明

图1为本发明定位系统、驱动及传动系统以及信息采集装置的装配图。

图2为本发明图1中A-A剖视图。

图3为本发明信息采集控制示意图。

图4为本发明测量流程图。

图5为本发明测量过程中物理参量示意图。

图1中所示各零部件：1-被测连杆，2-小头端电涡流传感器，3-小头支架， 4-大头支架，5-大头端电涡流传感器，6-定位衬套，7-齿条架，8-定位、紧固 螺钉，9-左限位探头，10-齿条，11-小头端从动齿轮，12-V形定位块，13-小头 端升降装置，14-小头端支撑轴承，15-主动齿轮，16-驱动电机，17-测量台， 18-大头端从动齿轮，19-大头端升降装置，20-定位销，21-大头端支撑轴承， 22-测量台支架，23-右限位探头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

基于电涡流传感器的连杆孔平行度测量系统由定位系统、驱动及传动系统、 信息采集控制系统、数据处理系统四个子系统组成，其中，信息采集控制系统 包括信息采集装置和PLC程序。

1.测量系统的硬件组成

如图1所示，定位系统由测量台17、测量台支架22、V形定位块12、定位 销20、定位衬套6、定位、紧固螺钉8组成。测量台17由测量台支架22支撑， V形定位块12固定在测量台17左侧，其中心线与测量台水平中心线重合，定位 销20固定于测量台17右上方，测量时，被测连杆1置于测量台17上，连杆1 小头外表面紧贴V形定位块12、连杆1大头靠紧定位销20，用以确定被测连杆 与测量台的相对位置；定位衬套6由两组定位、紧固螺钉8分别固定于测量台 17的测量孔内，每组包括三个定位、紧固螺钉8，间隔120°，大小孔合计4组 共12个，以确定衬套中心线与测量台17的相对位置；测量台17上加工有两个 孔，两孔的中心线分别与连杆1两孔的理论中心线重合，进而确定了被测连杆1、 测量台17、定位衬套6的相对位置。

如图1和图2所示，所述的驱动、传动装置包括驱动电机16、主动齿轮15、 大、小头端升降装置19和13、大头端从动齿轮18、小头端从动齿轮11、齿条 10、大头端支撑轴承21、小头端支撑轴承14、齿条架7、左限位探头9、右限 位探头23；所述的驱动电机安装在测量台的两孔中间，主动齿轮安装在驱动电 机16的输出轴上，位于大、小头端升降装置中间，大、小头端升降装置分别固 定于测量台17两孔的正下方，小头端支撑轴承和大头端支撑轴承分别安装在大、 小头端升降装置上，大、小头端从动齿轮分别安装在大、小头端支撑轴承上， 齿条架固定在地面上，齿条紧贴齿条架，齿条与主动齿轮及大、小头端从动齿 轮啮合；齿条与主动齿轮及大、小头端从动齿轮啮合；左限位探头和右限位探 头分别固定于齿条移动的左极限和右极限位置；齿条由齿条架支撑，两个齿条 架放置在大、小头端升降装置之间。

所述的驱动电机带动主动齿轮旋转并驱动齿条移动，齿条仅做左右方向的 平动，且带动大、小头端从动齿轮同步转动。齿条架保证齿条与大、小头端从 动齿轮啮合良好，支撑牢固和运行稳定。

所述的信息采集装置由小头端电涡流传感器2、大头端电涡流传感器5、小 头支架3、大头支架4、小头升降支座13、大头升降支座19、可编程控制器以 及计算机组成，大小头两端支架4和5分别穿于定位衬套内，上端分别放置大、 小端电涡流传感器5和2，下端放置在大、小头端升降装置19、13上，大小头 两端支架4和5的下端通过键分别与小头端从动齿轮11和大头端从动齿轮18 连接，随齿条移动而旋转。左、右限位探头9

左、右限位探头9和23、驱动电机16与可编程控制器连接，小头端电涡流 传感器2和大头端电涡流传感器5分别通过其配套的前置端接入可编程控制器 模拟量的输入端，小头端升降装置13和大头端升降装置19为商品化装置，通 过其自带接口RS232与可编程控制器连接，可编程控制器给大、小头端升降装 置19和13发送信号即可控制其升降，可编程控制器与计算机连接。

2.测量系统的安装调试

基于电涡流传感器的连杆孔平行度测量系统所需零件中除测量台需要按照 被测连杆的尺寸定做外，其他部分均可适用于大部分规格尺寸的连杆测量。安 装方法如下：

分别在测量孔下方测量台17上安装上下两组定位、紧固螺钉8，每组3个， 间隔120°，大小孔合计4组共12个。调整测量台17上用于固定定位衬套的定 位、紧固螺钉8，分别保证两定位衬套6与测量台支撑面的垂直度和两定位衬套 中心线的平行度，定位衬套6的中心线与V形定位块12、定位销20的距离满足 精度要求；大、小头支架3、4穿过定位衬套6通过键分别与大、小头端从动齿 轮18、11连接后分别放置于大、小头端升降装置19、13上，并保证支架能够 平稳转动。大、小头端电涡流传感器5、2的测量头分别固定在大、小头端升降 装置13、19上部平台边沿，测量端略微突出；连接大、小头端电涡流传感器的 电缆分别由大、小头端升降装置19、13头部的通孔穿下，连接小头端电涡流传 感器2的数据线从小头支架3的下侧绕过，连接大头端电涡流传感器5的数据 线从大头支架4的上方绕过，留适当长度后固定入测量台17的沉槽中，最终分 别输入大、小头端电涡流传感器前置端。

调整齿条10的位置，使其右端靠近连杆大头升降装置19连接的齿轮18， 确定齿条10的最左端为左端运动极限位置；驱动齿条向右移动，使大、小头端 升降装置旋转一周，确定齿条最右端为右极限位置；在两极限位置处分别放置 限位探头9和23。两个齿条架放置在大、小头端升降装置之间，保证齿条与齿 轮啮合良好，支撑牢固，运行稳定。主动齿轮直接安装在驱动电机16的输出轴 上，并安装在大、小头端升降装置中间。

调测试时，驱动电机16通过齿轮带动齿条移动，同时带动两从动轮转动， 支架随之旋转。齿条不动时，大、小头端升降装置分别进行升降运动，支架在 定位衬套的约束下随大、小头端升降装置上下运动。保证定位衬套与支架间， 齿轮齿条间润滑良好，系统运行平稳。

分别在齿条10两端的极限位置安装左限位探头9和右限位探头23。当齿条 位于左极限位置时，大、小头端电涡流5、2传感器分别所处的位置认为是其各 自的初始位置，记为0°位置，此时触发左限位探头；驱动电机16正转带动齿 条向右移动，当大、小头端电涡流5、2传感器旋转一周终止位置，记为360° 位置，此时触发右限位探头23。同理，驱动电机16反转，大、小头端电涡流5、 2传感器回到0°位置时再次触发左限位探头9。这样，不但确定了大、小头端 电涡流5、2传感器所处位置，而且保证齿条与齿轮保持啮合良好。

3.测量系统的数据采集

当大、小头端电涡流传感器5、2分别处于如图1所示位置时，认为是其各 自的初始位置，对应角度为0°，此时触发左限位探头9，驱动电机16正传， 通过齿轮15带动齿条10向右移动，同时带动两从动轮11、18转动，支架3、4 随之旋转；当大、小头端电涡流传感器5、2旋转一周达到360°位置后，触发 右限位探头23，驱动电机16反转，大、小头端电涡流传感器5、2回到0°位 置时再次触发左限位探头9；齿条不动时，大、小头端升降装置13、19分别进 行升降运动，支架3、4在定位衬套6的约束下随升降装置上下运动，保证定位 衬套与支架间，齿轮齿条间润滑良好，系统运行平稳。

测量系统的数据采集过程如图3和图4所示：

1）系统初始化将支架3、4降至最低高度，大、小头端电涡流传感器5、2 分别处于如图1所示位置，并默认为0°，此时，齿条10左端处于左极限位置。

2）放置被测连杆将连杆1置于测量台17上，小头紧贴V形定位块12，大 头侧面靠紧定位销20。检查大、小头端电涡流传感器5、2测量头与两孔被侧面 间距处于其线性量程内，否则调整大、小头端电涡流传感器5、2在支架上的固 定位置。

3）传感器采集数据两升降座13、19分别上升至两孔的低测量位H_p1、H_q1， 如图4所示。驱动电机16匀速正转，齿条开始右移，大、小头端电涡流传感器 5、2从初始角度（0°）开始旋转并测量，测量数据通过可编程控制器PLC传输 到计算机并保存。当齿条10右端达到右极限位置时，右限位探头23信号突变， 驱动电机16停转。大、小头端升降装置13、19升至高测量位H_p2、H_q2。驱动 电机16匀速反转；齿条10左端达到左极限位置时，左限位探头9发出信号， 驱动电机16停转。升降座回最低位置H_p0、H_q0。

4.测量系统的数据处理

PC端预设驱动电机的旋转速度V、小头端升降装置的最低高度H_p0、低测量 位高度H_p1、高测量位高度H_p2、大头端升降装置的最低高度H_q0、低测量位高度 H_q1、高测量位高度H_q2。

1）测截面圆心拟合每一个电涡流传感器旋转一周都可以得到一组坐标数 据。对该组数据首先进行坐标变换，将各点在极坐标系位置变化成直角坐标系 下的坐标值。根据旋转速度V、转动时间T和测量点与理论中心的距离r，得到 一个电涡流传感器旋转一周所对应的一组坐标位置(r,θ)，使用最小二乘法拟合 该测量面圆心位置(x₀,y₀)及对应的半径R。分别得到小头孔H_p1测量面圆心P₁、 H_p2测量面圆心P₂、大头孔H_q1测量面圆心Q₁、H_q2测量面圆心Q₂。

2）两孔实际距离计算由大头孔两测量面圆心Q₁,Q₂确定大头孔中心线l_q， 分别计算小头孔两圆心P₁,P₂到l_q的距离d₁,d₂，即得到小头孔高、低两个被测截面 内两孔中心线的实际距离。

3）实际中心线误差计算若两孔的设计中心线距离为d_s，则认为绝对误差 δ＝|d-d_s|，代入d₁,d₂计算得到δ₁,δ₂，即小头孔高、低两个被测截面内两孔中心线 误差。

4）计算结果判定根据设计给出的精度要求计算得到最大允许误差δ_max。若 δ₁≤δ_max,δ₂≤δ_max，则认为满足设计精度要求，否则不符合设计要求。

输入量即测量点与理论中心的距离r。设驱动电机的旋转速度为V，转动时 间为T，则可得出该测量点所处角度θ，进而得到该点坐标(r,θ)。