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1、 發(fā)動機凸輪軸檢測方法綜述 作者: 日期: 發(fā)動機凸輪軸檢測方法綜述 Summarize to The Measure Method of Engine Cam Shaft 摘要論述了凸輪軸測量儀的測量原理和凸輪測量數據的處理與評定方 法。 Abstract: The article main ly in troduces the prin ciple of the cam shaft measuri ng system and the method of data processing and assess in cam shaft measuring system.

2、關鍵詞 凸輪軸測量數據處理評定 keywords: cam shaft ， measure, data processing , assess. 1概述 凸輪機構廣泛應用于自動化機械、精密儀器、自動化控制系統(tǒng)中 ，作為 發(fā)動機的關鍵部件，凸輪軸是影響發(fā)動機氣門開閉間隙大小和配氣效率的主 要因素。隨著凸輪軸自動化加工水平的不斷提高， 為了高精度、高效率地檢 測凸輪軸，并正確處理、評定它的各項工藝誤差， 及時快速地反饋凸輪軸的 質量信息，傳統(tǒng)的光學機械量儀以及采用人工數據處理的方法， 已不能適應 凸輪軸工藝質量管理的實際檢測需要 ?為此廣州威而信精密儀器有限公司研 制了基于計算機為

3、檢測、處理核心的 L系列凸輪軸測量儀，它可以實現對 凸輪軸加工質量的高效、高精度檢測，從而對凸輪軸磨床的磨削工藝進行實 時監(jiān)控，以保證產品質量和提高生產效率。 發(fā)動機凸輪軸的測量包括與設計有關因素的測量項目和與質量管理有 關因素的測量項目。L-2000型凸輪軸測量儀的主要功能有： （1）檢測凸輪軸的軸頸（凸輪軸的裝配基準）誤差 （圓度，跳動）； （2）檢測凸輪軸的桃型（包括基圓段，爬行段，升程段等）誤差; （3） 檢測凸輪軸的鍵槽（或定位銷）與參考桃的相位角度； （4） 檢測凸輪軸的各個桃型與參考桃的相位角度； （5）計算凸輪軸的各個桃型輪廓的相鄰誤差； （6

4、） 計算凸輪軸的各個桃型輪廓最大升程和高度 ； （7） 具有偏心修正功能，可以最大限度的減少由于凸輪軸各個桃型輪廓 不同心而引起的附加測量誤差； （8） 具有靈活的參數設置功能和方便的桃型升程表修改功能， 被檢凸輪 軸的軸頸和桃型輪廓的個數可自由設定，可以適應不同廠家的使用需要； （9） 具有測試數據自動備份功能， 以方便建立工藝質量的過程控制和統(tǒng) 計分析； （10）提供有完善的數據分析報告。打印升程誤差曲線，桃型輪廓的極 坐標誤差圖，每個桃型的升程誤差數據、理論升程表以及實際升程表等 ? 本文對凸輪軸測量儀中涉及的主要檢測功能、處理方法予以介紹 ? 2定位基準的檢測 在凸輪軸加

5、工過程中，通常借助凸輪軸端面的鍵槽或定位孔作為角度基 準來完成后續(xù)的加工工序，因此在凸輪軸測量時需要確定凸輪軸端面的鍵槽 或定位孔的中心位置 一一定位基準。鍵槽的中心位置可以通過測量柱形鍵銷 （要求與鍵槽緊密配合）的中心位置獲得；當定位基準是凸輪軸端面的定位孔 時，可以通過測量定位銷（要求與定位孔緊密配合）的中心位置獲得定位孔 的中心位置?按設計要求，應當選用測頭為球型測頭， 由于測頭（球）與定位銷 （圓柱）是點與線的接觸，其中心位置不易找準，致使測量中出現了數據不穩(wěn) 定，重復性不好的情況。通過多種方法試驗 ，也沒有取得滿意的效果。定位 銷中心位置的測量，一度成為凸輪相位角度測量中的棘手問

6、題。 通過進一步的分析可知， 定位銷雖不在凸輪軸的旋轉中心， 但當被測凸 輪軸以其旋轉中心轉動時，定位銷的運動軌跡是凸輪軸的同心圓 ，這樣，隨著 測頭與定位銷接觸點位置的不斷改變，測頭將產生相應位移（升降） ，因此, 可以把定位銷看成是凸輪軸上的一個凸輪 ，這個凸輪的“桃尖”一一定位銷 中心的位置，則可按求解凸輪測量起點轉角類似的數據處理方法， 用“敏感 點法” [1:予以求解，從而解決了定位銷中心位置的測量問題。 3凸輪升程誤差的測量與處理 凸輪機構從動件的運動規(guī)律是通過凸輪的形狀來反映的， 因此需要根據 從動件的運動要求設計凸輪的形狀 ?一般來講，每個凸輪的形狀一-桃形，

7、由基 圓和許多二次曲線、三次曲線及圓弧組成，其構成的封閉曲線稱為升程曲線， 由于凸輪升程曲線的特殊性，實際應用中提供給磨床的升程曲線是 ? 的離散數據，這也就是描述每個凸輪形狀的理論升程表， 其升程曲線的 精度由升程公差來進行控制。 1） 凸輪的升程誤差 凸輪的升程誤差是指，實際凸輪對應理論角度上的實際升程與理論升程 的代數差。即 根據升程誤差的定義，凸輪升程測量時，測量的應是凸輪理論轉角對應 測點的實際升程。這一點在實際測量中是不容易做到的， 測量數據中一般含 有轉角誤差（系統(tǒng)性誤差）的影響，必須剔除測量數據中的轉角誤差的影響， 才可能得出正確的測量結果 ?這就提出了如何進行

8、凸輪測量和數據處理方法 的問題。 2） 凸輪升程測量、數據處理、評定方法 如圖1所示，凸輪升程表上給出的是理論轉角 對應的理論升程 h，按誤 差定義要求，本應測量出理 論轉角 對應測點的實際升程 hs （圖1a）.可是，由于凸輪測量起點轉角有 誤差 ，實際上測量出的不是理論轉角 對應點上的實際升程 hs,而是轉 角 對應點上的實際升程 （圖1b）。所以，一般按 求 解出的升程誤差與定義相悖 ? 根據定義，凸輪的升程誤差應按下式求解 ： 式中 一-凸輪升程變化率； 應根據凸輪的公差要求分別求解 °,即 （1） 升程公差按尺寸公差標注時（公差帶位置固定，見圖 2）: 當丨h(huán)'|

9、目h'd或c| W |h|,'則（由左、右側最大點 等距"導出） 圖1凸輪升程的測量方法 當 | h' I >| h'a或 b I W 冋|,則 （由左、右側最小點“等距”導出 ） （2） 升程公差按形狀公差標注時（公差帶位置浮動，見圖 3）: 當 |h a| > |h或'I w I h'b I,貝y （由左、右側最大點“等值”導出 ） 當 I h'c I >| h'或b I w 冋|,則 （由左、右側最小點“等值”導出） 綜上所述，凸輪測量（處理）方法應該是：①獲得原始（迭代）數據，要求 測量數據盡量準確； ②對原始數據進行處理， 只有準確的原始數據， 才能保 證數據處理

10、的可靠性；③根據處理結果確定（計算出）各凸輪“桃尖”的角 度位移 （用它來修正凸輪的相位角）。 一般來講，應根據凸輪升程的公差要求，即按尺寸公差標注的處理方法 和按形狀公差標注的處理方法， 給出相應的處理方法。數據處理過程，就是 將測量數據處理成符合定義的升程誤差值一 -符合設計要求的升程誤差值的 過程。 這里，應說明的是，凸輪升程的測量基準是“敏感點” ，凸輪升程的評 定基準是“極限點”。測量時，以凸輪左、右側的“敏感點”為基準，獲得 （確定）凸輪測量起點轉角 ；處理時以凸輪左、右側的最大點和最小點 的四個 極限點"a、b、c、d為基準，求出凸輪測量起點轉角的角度位移 之后，即

11、得凸輪處理（評定）起點轉角： 測量數據的處理過程可以以為測量起點轉角，進行二次測量 ；也可以按 解析式，逐點算出符合定義的升程誤差值。 4關于升程誤差測量數據處理方法的說明 凸輪的升程公差，常用的有兩種標注方法：①標注的是帶正負號的公差 值,公差帶的位置由凸輪升程的理論正確尺寸確定， 且公差帶位置是固定的， 升程公差控制的僅是實際凸輪的輪廓尺寸 ?這時，凸輪的升程誤差應按尺寸公 差來處理：凸輪的升程公差要求，設定了兩個極限尺寸 一一最大實體尺寸 （MMS ）和最小實體尺寸（LMS ）來限制升程的實際尺寸，要求凸輪升程 的任一局部尺寸不得超出兩個極限尺寸；②標注的是不帶正負號的公

12、差值， 公差帶的方向隨凸輪的實際形狀而定（變動） ，公差帶的位置是浮動的，升 程公差控制要素是實際凸輪的輪廓形狀。 這時，凸輪的升程誤差應按形位公 差來處理（升程誤差的測量數據 ，應按最小條件”要求進行評定）：凸輪的升 程公差要求，設定了兩個平行（或等距）的界面或界線，構成形狀公差帶來 限制實際被測要素。 凸輪測量數據按尺寸公差要求處理時， 應把升程誤差與升程公差聯系起 來，最大限度的保證凸輪升程的合格（圖 2）；凸輪測量數據按形位公差要 求處理時，應把升程誤差與 最小條件”聯系起來，保證凸輪升程誤差（包容 區(qū)域的寬度）的最大值為最?。▓D 3）。處理時可根據設計要求，選擇相應 的處理

13、方法。 在此應強調指出：當凸輪異側（左、右側）升程公差相等時， “等距” 誤差點也是“等值”誤差點。尺寸誤差和形位誤差數據的處理方法相一致。 所不同的只是，形位公差帶位置浮動，尺寸公差帶位置固定。 5凸輪軸測量儀的工作原理 凸輪軸的測量是二維測量系統(tǒng)。目前凸輪軸測量儀的分度裝置大都采用 圓光柵編碼器測量系統(tǒng)，線值裝置采用直線光柵測量系統(tǒng)。 凸輪軸測量儀的 原理框圖［3］如圖4所示：由計算機發(fā)出的控制信號啟動直流同步電機旋轉 由驅動機構帶動被測凸輪軸轉動，通過 Y軸圓光柵傳感器,X軸直線光柵傳 感器分別將凸輪軸的角位移、 徑向、軸向位移轉換成明暗條紋的光強變化信 號，經光電轉換電路

14、轉換成電壓信號，再經前置放大和整形濾波 ，形成角度 脈沖和徑向位移脈沖經 T/C計數板送入計算機?經計算機處理后，就獲得了每 個凸輪輪廓對應于各個轉角的徑向測量值（升程） 。應用計算機控制技術， 凸輪測量儀的機械運動、測量數據的采集和處理均可由計算機自動控制完 成。 這里，應特別強調：凸輪測量時，測頭的形狀應與凸輪機構中的從動件 的形狀一致，這樣才能更好的模擬凸輪機構的實際工作情況， 使測量出的凸 輪升程值準確反映凸輪機構從動件的工作位移和運動規(guī)律。 圖2 尺寸公差標注（公差帶固定 ） 圖3 形位公差標注（公差帶浮動 ） 圖4凸輪軸測量儀原理框圖 6凸輪軸各項參數的自動測量

15、以廣州威而信精密儀器有限公司 L系列凸輪軸測量儀為例：儀器結構 采用立式安裝和測量方式，旋轉軸系由精密氣浮主軸與氣浮頂尖構成 ，雙氣浮 直線導軌為直線運動基準，由進口電機驅動 ；電器部分由高級計算機及德國 海德漢（HEIDEHAIN ）公司精密圓光柵傳感器、精密光柵位移傳感器組成 測量軟件采用基于中文版 WINDOWS操作系統(tǒng)平臺的 WILSON測量軟件， 完成參數輸入、測量選擇、數據采集、處理及測量數據管理和測量結果打印 輸出等工作。它可以準確、快速地完成凸輪軸各項參數的測量、 處理、管理、 打印輸出等，達到了高精度、高效率地檢測凸輪軸的目的。 （1 ）定位銷中心位置的確定 如

16、圖5，設測頭（球）的半徑為 SRc，定位銷（圓柱）的半徑為Rx，定位 銷中心運動軌跡圓的半徑為 Rz，定位銷（凸輪）的虛擬基圓半徑為 ，軸的 轉角為 ，測頭（球）中心到軸的旋轉中心的距離 L（OcO），則可由 OcOOx 依據余弦定理求出： L=R zcos + 式中的取值范圍為 定位銷（凸輪）的升程、升程變化率：=L — （Ro+Rc） =Rzcos +-（ Ro+Rc） 式中虛擬基圓半徑 圖5定位基準-定位銷中心位置的確定 因為定位銷（凸輪）是對稱形，升程變化率曲線是正弦曲線，可知其左、 右側“敏感點”（升程變化率的絕對值最大的點） m、n位于定位銷（凸輪） 正、負絕對值最大的

17、轉角處。 這里應指出：為防止測頭（球）與定位銷（圓柱）接觸不上，測量時應 取比“敏感點”理論轉角小一點的轉角，替代所求出的“敏感點” ，以保證 測頭（球）與定位銷（圓柱）接觸。為了提高測量準確度，可以在“敏感點” 附近（敏感區(qū)域內）多取幾對點（ 1~2對）,來求解定位銷的中心轉角。 例如，某汽車發(fā)動機凸輪軸的軸頸 =32mm,測頭（球）的半徑 SRc=2 mm，定位銷（圓柱）的半徑 Rx=2。5 mm，定位銷中心運動軌跡圓的半徑 Rz=11.5 mm，定位銷（凸輪）的虛擬基圓半徑 =8。617 mm，求出的左、 右側敏感點”為： 建議以敏感區(qū)域（ 一±23 ）如下的點來替代所求出的

18、 敏感點”： -0。 848, 609 , —0。451mm。 —0 。 737 ， 現將上例定位銷（凸輪）的理論升程計算結果（升程表）抄錄如下，供參 考: 至此，左、右側“敏感點” m、n的各參數（ 0 ° 1° 2 ° 3 ° 4 ° 5° 6 ° 7 ° 8 ° 9 ° ± 0 5。383 5。377 5.358 5.327 5.283 5.226 5。156 5.073 4。977 4.866 ± 1 4。741 4。600 4.444 4。270 4.078 3。866 3。632

19、3.371 3。081 2。753 ± 2 2。376 1。926 1。346 0。212 （左、右側敏感點 ±23 —0。 000 mm）。 可按上述方法求出。當找出（由軟件自動找出 ）定位銷（凸輪）左、右側 感點” m n的理論正確升程 、 對應點轉角 、 之后,定位銷的中心 轉角，即可按下式求出： （2）凸輪桃尖”位置的確定 “敏感點法”宀是求解凸輪測量起點轉角的基本方法。它是運用 敏 感點"升程變化對轉角變化最“敏感”的特性，創(chuàng)建的比較準確的求解凸輪測 量起點轉角的方法? “敏感點法”的求解過程非常簡便 ：只需找

20、出（由軟件自動找出）凸輪 左、右側“敏感點” m、n理論正確升程 hm 、 hn所對應的轉角側、枷, 即可按下式求出凸輪測量起點轉角： 求出凸輪測量起點轉角之后，就可以根據“起點”與“桃尖”之間的角 度關系，確定出凸輪的“桃尖”位置了。 （3）凸輪升程的測量、處理 凸輪升程測量時，凸輪每轉過 軟件就給出一個升程測量值，經數據 處理后，軟件按每1 °俞出測量結果（升程誤差值、升程誤差曲線） 。 圖6是在廣州威而信精密儀器有限公司生產的 L-2000凸輪自動測量儀 上，由WILSON測量軟件，完成參數輸入、測量選擇、數據采集、處理和測 量結果，打印輸出的某發(fā)動機凸輪軸各凸輪的升程誤差

21、表和升程誤差曲線 (限于篇幅，僅給出升程誤差曲線，未將升程誤差表給出 )。 (4) 其它項參數的測量、計算 參考文獻：2打3］中有詳細論述,這里就不再贅述了。 7有關凸輪軸測量的幾點說明 (1) 如果凸輪升程公差為分段標注不同的公差要求時，則應分段評定； (2) 為便于測量者觀察，測量軟件輸出的升程誤差曲線，應將 桃尖”置 于曲線圖形的中間(于18 0 。處)位置； 圖6軟件打印輸出的凸輪升程誤差曲線 (3) 通常，發(fā)動機凸輪設計時是將 桃尖"定義為0。的，而凸輪軸專用 測量軟件輸入時，一般是將 桃尖"置為18 0。?因此，將理論升程值輸入到 測量軟件上時，要進行一次角度轉換 ?這一點應引起特別注意。 參考文獻 :1 :劉興富，用電腦找“桃尖”，中國測試技術，2003^4 :2 :劉興富，凸輪測量數據處理的一種間接的簡便適用方法 ，機械工業(yè)標 準化與質量，2004>5 :3］葉宗茂，發(fā)動機凸輪軸形位公差的檢測，計量技術， 2004>7