活塞環(huán)梯形角度測量儀的設(shè)計說明書

1、海納百川 有容乃大活塞環(huán)梯形角度測量儀設(shè)計 姓 名：李洋 學(xué) 號：0743024017 學(xué) 院：制造學(xué)院 指導(dǎo)老師：趙世平 黃玉波 陸小龍 2011年1月 活塞環(huán)梯形角度測量儀的設(shè)計一·概述 活塞環(huán)(Piston Ring) 是用于崁入活塞槽溝的環(huán)，分為兩種：壓縮環(huán)和機油環(huán)。壓縮環(huán)可用來密封燃燒室內(nèi)的壓縮空氣；機油環(huán)則用來刮除汽缸上多余的機油?；钊h(huán)是一種具有較大向外擴張變形的金屬彈性環(huán)，它被裝配到剖面與其相應(yīng)的環(huán)形槽內(nèi)。往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運動的活塞環(huán)，依靠氣體或液體的壓力差，在環(huán)外圓面和氣缸以及環(huán)和環(huán)槽的一個側(cè)面之間形成密封。 活塞環(huán)作用包括密封、調(diào)節(jié)機油（控油）、導(dǎo)熱（傳熱）、導(dǎo)向（支承

2、）四個作用。 密封：指密封燃氣，不讓燃燒室的氣體漏到曲軸箱，把氣體的泄漏量控制在最低限度，提高熱效率。漏氣不僅會使發(fā)動機的動力下降，而且會使機油變質(zhì)，這是氣環(huán)的主要任務(wù)； 調(diào)節(jié)機油（控油）：把氣缸壁上多余的潤滑油刮下，同時又使缸壁上布有薄薄的油膜，保證氣缸和活塞及環(huán)的正常潤滑，這是油環(huán)的主要任務(wù)。在現(xiàn)代高速發(fā)動機上，特別重視活塞環(huán)控制油膜的作用； 導(dǎo)熱：通過活塞環(huán)將活塞的熱量傳導(dǎo)給缸套，即起冷卻作用。據(jù)可靠資料認為，活塞頂所受的的熱量中有7080%是通過活塞環(huán)傳給缸壁而散掉的； 支承：活塞環(huán)將活塞保持在氣缸中，防止活塞與氣缸壁直接接觸，保證活塞平順運動，降低摩擦阻力，而且防止活塞敲缸。一般汽油

3、發(fā)動機的活塞采用兩道氣環(huán)，一道油環(huán)，而柴油發(fā)動機則采用三道氣環(huán)，一道油環(huán)。 作為發(fā)動機的關(guān)鍵零件，活塞環(huán)的形狀對內(nèi)燃機的性能有著重要的影響, 活塞環(huán)的梯形角是梯形活塞環(huán)的一個重要參數(shù), 其角度大小直接影響到活塞環(huán)的質(zhì)量及使用性能。角度過大, 易發(fā)生拉缸現(xiàn)象, 角度過小, 則密封性能差, 發(fā)動機功率下降且容易發(fā)生燒機油現(xiàn)象。要提高活塞環(huán)的質(zhì)量和性能，就必須首先提高其檢測技術(shù)，為解決梯形活塞環(huán)角度測量問題，我們改進設(shè)計一種檢測系統(tǒng)活塞環(huán)梯形角度測量儀。二·設(shè)計目的及技術(shù)指標 1.設(shè)計目的 本次設(shè)計課題為活塞環(huán)梯形角度測量儀的設(shè)計，其目的如下： a、鞏固所學(xué)傳感器、檢測技術(shù)、精密機械設(shè)計、

4、機械制圖、公差 分析等相關(guān)知識； b、培養(yǎng)綜合運用所學(xué)課程和知識的能力； c、培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力； d、初步掌握儀器設(shè)計的基本方法和步驟。 2.主要技術(shù)指標 被測梯形活塞環(huán)的截面圖如下圖所示： 其技術(shù)指標如下： a.測量夾角，示值誤差：±2 b.測量角度范圍：±5°，可在1.5mm處測環(huán)高（選項） c.活塞環(huán)外圓厚度：3-8mm，內(nèi)圓厚度：2.5-6mm d.活塞環(huán)徑向?qū)挾龋?-6mm e.測量效率沒有要求，可以是連續(xù)自動測量，也可以是單點或多點手動測量3.任務(wù)要求 本課程設(shè)計應(yīng)該包括：測量原理框圖、結(jié)構(gòu)布局，主要元器件選擇（傳感器,導(dǎo)軌等），主要誤

5、差項及估算值，誤差分配考慮。以測量原理和儀器總體輪廓及布局為主。 a.儀器工作原理圖一張。 b.儀器總裝配圖一張（0號或1號圖紙） 不要求所有的結(jié)構(gòu)都詳細設(shè)計，但至少要能表達儀器的工作原理，要求標注出主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)、零件序號及零件名稱。 c.零件圖5張及以上（圖號不限）要求標注所有的尺寸、公差及技術(shù)要求； d.設(shè)計說明書一份（5000字以上，五號或小四號字）儀器概述，儀器工作原理設(shè)計說明，儀器傳感器及基準的選擇及工作原理，儀器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定和計算，儀器精度分析和優(yōu)化設(shè)計，對與之配合的電氣和計算機部分的要求說明等。三·設(shè)計內(nèi)容 1.測量原理 目前存在的測量梯形角度的一般有三種方法：兩

6、點法，多點法以 及光學(xué)讀數(shù)測量法，其中光學(xué)讀數(shù)測量法屬于直接測量法，而兩點法和多點法屬于間接測量法。本儀器選取多點測量法為測量原理。 所謂多點法就是測量多個點，用位移傳感器來間接測量梯形環(huán)角度，通過測量梯形環(huán)端面的一段組成三角形的兩個直角邊的長度，然后由數(shù)學(xué)關(guān)系求出梯形環(huán)角度，通過用位移傳感器來測角邊的長度。 測量時, 首先用壓板壓緊被測工件梯形活塞環(huán), 然后由步進電機通過傳動機構(gòu)的精密絲桿帶動空氣靜壓導(dǎo)軌和工作臺自左向右移動。臺架上固定的電渦流傳感器同時對活塞環(huán)的上、下側(cè)面進行掃描測量, 并由水平光柵位移傳感器記錄橫向位移。計算機對測量信號進行采樣, 然后將被測面的上、下邊界輪廓按比例放大顯

7、示在屏幕上。信號采樣完成后, 導(dǎo)軌退回到起始位置, 同時計算機對所采樣信號進行數(shù)據(jù)處理, 得出測量結(jié)果, 并對所需數(shù)據(jù)或圖形進行輸出和打印。對于不同厚度的環(huán), 由步進電機移動上傳感器來實現(xiàn)測量。2.主要結(jié)構(gòu) 本儀器的主要結(jié)構(gòu)詳見裝配圖。3.各主要元器件的選取 本儀器所涉及到的主要元器件包括：傳感器，導(dǎo)軌，精密絲桿，步進電機等。下面將逐一進行分析。 a.傳感器 設(shè)計技術(shù)指標中要求，測角范圍為±5°，活塞環(huán)徑向?qū)挾葹?6mm，示值誤差為±2，故可知上下傳感器測量量程和精度分別為： 6*tan5°=0.525mm 最小量程 4*tan2=2um 最小精度水平傳

8、感器的測量范圍為0-10mm。 上下傳感器為小位移傳感器，可以選擇電容式傳感器，電感式傳感器，霍爾式傳感器等。他們具有各自的技術(shù)特點： （1）電容傳感器一般量程都小于1mm。精度能達到納米級。一般用于厚度測量，要先對被測體的導(dǎo)電性進行標定再進行測量。響應(yīng)頻率幾KHz-幾十KHz不等。但只能在實驗室或者精密的生產(chǎn)線上進行測量。 （2）霍爾式傳感器是非接觸式測量，精度較高，但是在生產(chǎn)環(huán)境中容易出現(xiàn)較大位差。 （3）電感式位移傳感器（電渦流式）電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。量程一般是毫米級，精度一般是微米級。響應(yīng)頻率幾K

9、Hz。 鑒于儀器工作環(huán)境的影響，以及測量范圍的限制等一系列工藝和技術(shù)問題，上下傳感器選用電感式位移傳感器。同時該傳感器要求精度大于2um，因此采用了電渦流傳感器, 其具有結(jié)構(gòu)簡單、幾何尺寸小、靈敏度高、抗干擾能力強特點,其分辨率達到0.1um，完全符合測量需要。 水平傳感器選用分辨率為0.1um，測量范圍為0-10mm的光柵位移傳感器。其具有易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高、抗干擾能力強、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等特點。調(diào)頻式電渦流電感位移傳感器和光柵位移傳感器組成二維測量空間。 b.導(dǎo)軌 由于導(dǎo)軌誤差將會1:1的傳遞到測量值中, 直接影響測量精度, 故對導(dǎo)軌精度要求很高, 為此選用全封閉式空

10、氣靜壓導(dǎo)軌(導(dǎo)向精度0.2um/100mm )。其具有剛度大、抗干擾力強、耐磨、運動靈活、運行精度高等特點。 c. 精密絲桿 為了實現(xiàn)將步進電動機的動力傳第給氣浮導(dǎo)軌使之作平穩(wěn)的水平運動，我們采用精密絲桿副作為傳動機構(gòu)。選用滾珠絲桿螺母副作為精密絲桿副。其原理圖如圖。滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置。在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當它們套裝在一起時形成了螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。當絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)時，兩者發(fā)生軸向位移，而滾珠則沿著滾道滾動，螺母螺旋槽的兩端用回珠管連接起來，使?jié)L珠能作周而復(fù)始的循環(huán)運動，管道的兩端還起著擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。 d.步進電

11、機 采用HB(混合式)步進電機。考慮到混合式步進電機的結(jié)構(gòu)特點, 于是采用了雙極恒流、細分控制驅(qū)動器, 從而達到低速、平穩(wěn)、角度細分均勻的效果。4.電氣部分設(shè)計模擬調(diào)理放大電路電氣傳感器步進電機步進電機驅(qū)動電路D/A&A/D多功能卡微機A/D轉(zhuǎn)換器光柵傳感器 電氣部分主要完成對步進電機的控制和對三個傳感器輸出信號的采集。其主要組成部分有微機、 A/D& D/ A多功能卡、 傳感器前置放大電路及電機驅(qū)動部分等組成。其原理框圖如上所示。 一方面從微機中發(fā)出的數(shù)字信號給電機驅(qū)動電路以驅(qū)動步進電機運動;另一方面 ,從三個傳感器中的非電量信號通過放大電路變成電壓信號 ,再經(jīng)過A/ D轉(zhuǎn)換

12、變成數(shù)字信號 ,輸入到微機中 ,進行數(shù)據(jù)處理。 放大電路的選擇：放大電路是連接傳感器與中央處理系統(tǒng)的紐帶，是獲取被測信號不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是信息輸入通道。同時，測量電路性能的好壞直接影響到測量儀器的精度和可靠性。由于傳感器輸出信號的大小、變化往往是很微小的，因此，對放大電路的主要要求可概括為精、快、靈、可靠，當然還有一些其他要求，如量程和經(jīng)濟性。具體要求是：低噪聲與高抗干擾能力；低漂移、高穩(wěn)定性；線性與保真度好。 A/D& D/ A的選擇：在本設(shè)計中，采用計算機對輸出數(shù)據(jù)進行處理，因此，A/D& D/ A轉(zhuǎn)換器必不可少的器件。A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；

13、D/ A轉(zhuǎn)換器將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構(gòu)需要的模擬信號。四·誤差分析影響儀器測量精度的主要誤差有：1.傳感器的示值誤差 所選用的調(diào)頻式傳感器分辨率為0.1um，每個傳感器本身帶來的隨機誤差為1=±0.2um。其在水平方向的誤差分量經(jīng)過計算由帶來的角度誤差為=±0.2。光柵傳感器的分辨率為1um，對梯形角的測量誤差20。 在實際的測量中采用的是多點法，通過掃描測量梯形環(huán)上下輪廓，然后利用數(shù)據(jù)處理軟件采用一元線性回歸法計算而得，所以由于傳感器得示值誤差引起的誤差要小于計算值。2.導(dǎo)軌運動直線度誤差 空氣靜壓導(dǎo)軌的實際導(dǎo)向精度為0.2um/100mm，所以取3

14、=±0.2um。由導(dǎo)軌引起的側(cè)面角誤差3±0.2.由于在測量時，工作臺行程只有23mm所以由于導(dǎo)軌運動直線度對角度測量的影響比這個要小。3.導(dǎo)軌運動軸線與光柵傳感器測桿軸線的平行度誤差和導(dǎo)軌運動軸線與電感位移傳感器測桿軸線的垂直度誤差 兩項誤差源可造成二維測量坐標軸不垂直,引起測量儀器的系統(tǒng)誤差,但均為二次誤差,可利用角度標準件和調(diào)整附件進行調(diào)整標定予以消除，即40.4.梯形環(huán)定位誤差 梯形環(huán)定位誤差可造成梯形環(huán)的實際被測截面不通過梯形環(huán)的理論中心軸線，從而引起梯形角測量誤差。如圖： 但是通過計算可以求得其定位誤差對測量誤差的影響比較小，一般可以在設(shè)計的忽略不計。所以這項誤

15、差可以不用考慮，即565.工件因素引起的誤差 工件自身的因素，也會給測量帶來誤差，主要有以下幾項： a.由于工件變形，基面不平整，每次安裝時，壓緊的情況都不一致，都會給引起測量結(jié)果的變化，在一次安裝下多次測量不反映這項誤差。只有在多次安裝測量下才會產(chǎn)生。 b.每次安裝由于調(diào)整步進電機位置，即測量點起點和終點的位置都會有變化，又因工件表面有波度，因此測量值也會有變化。 c.上下測頭位置不重合，在正、反安裝工件時，也會因波度影響而測的值不一致。 d.定位基準不平行，正、反安裝時，測量同一錐角，因其定位面不同而引進了正、反安裝之間的系統(tǒng)誤差。 以上4種情況隨工件的質(zhì)量不同，其影響也是不一樣的。6.

16、環(huán)境因素引起的誤差 由于本儀器屬于精密儀器，其工作環(huán)境要求很高，但是在實際的應(yīng)用中，需要儀器工作在車間現(xiàn)場。車間現(xiàn)場的溫度、振動等各種環(huán)境因素都是惡劣的。 a.溫度對測量的影響 實驗表明，隨著溫度的升高，角度會略微升高?？梢酝ㄟ^軟件把此項誤差彌補掉。 b.振動對測量的影響 振源主要來自水平步進電機。因此首先要減小步進電機本身的振動，主要措施是：采用細分驅(qū)動法并選擇“線性+正弦規(guī)律波”作為控制電流波形。 除了采用減小自身電機的振動外，還通過使用彈性連軸器、在電機連接處增加橡膠墊、改善零件的結(jié)構(gòu)以及增加工件的剛度等方法來減小振動。 雖然采取了諸多減小振動的有效措施，但畢竟不能完全消除振動。為了不影

17、響測量的精度結(jié)果，采用延時采集的方法。即在掃描測量時，在電機運行后，不立即采集，而是待振動趨于穩(wěn)定后再采集傳感器的讀數(shù)。這樣可以有效的減少振動對角度測量的影響。最后得出環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響為6±0.3um。 由此綜合儀器的角度測量誤差為 =0.42 該誤差完全滿足儀器的設(shè)計要求。五·總結(jié) 1.設(shè)計總結(jié) 本次梯形活塞環(huán)角度測量儀的設(shè)計，本人是從以下幾個方面來完成的： a.先根據(jù)測量對象、測量任務(wù)和測量目的，研究具體的測量方法。最后從三種現(xiàn)有的測量方法中(光學(xué)讀數(shù)測量法、兩點發(fā)和多點法)確定用多點法來測量，即采用掃描測量法。用這種方法的優(yōu)點是檢測的精度高，準確性好，可以更詳

18、細、更真實的反映活塞環(huán)表面的狀態(tài)，從而提高檢測的質(zhì)量。 b.根據(jù)測量方法研究具體的實現(xiàn)方法。整臺儀器以計算機為核心。一方面，從計算機中發(fā)出的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入給電機驅(qū)動電路，驅(qū)動步進電機運動，從而帶動工作臺水平運動和上傳感器的垂直運動，從而實現(xiàn)掃描測量；另一方面，從三個傳感器中的非電量信號通過放大電路變成電壓信號，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡AD轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，輸入到計算機機中，通過軟件進行數(shù)學(xué)處理，雖后得出梯形角。 c.根據(jù)具體的實現(xiàn)方法，把測量儀分為主要三個部分來完成。它們分別是機械部分、電氣部分和軟件部分。機械部分主要功能是給測量提供一個工作臺面：完成活塞環(huán)的裝夾、定位和拆卸；完成三個傳感器的定位和固定；電機的固定和運動機構(gòu)的