专利名称：一种曲轴加工在线检测自动定位系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种机械加工检测系统，特别是关于一种曲轴加工在线检测自动定位系统及方法。
背景技术：
一般活塞式发动机中，曲轴是传递动能的关键部件，活塞的往复运动通过曲轴转变为旋转运动，从而输出发动机的功率。在大型船用柴油发动机中，曲轴往往动辄上百吨， 由于重型曲轴形状复杂、刚度差、工作环境复杂等特点，为保证承受扭矩、弯矩以及动载荷等的影响，其结构强度、刚度、尺寸精度以及质量平衡等方面，都有很高的要求，重型曲轴的制造加工仍是机械制造领域重要的研究课题之一。重型曲轴检测定位技术是保证曲轴加工质量、加工效率的关键技术之一。重型曲轴制造过程一般采用分段铸造热处理，红套热装后再利用曲轴旋风加工中心进行整体的粗精加工。在曲轴旋风加工中心上安装曲轴，除曲轴轴端采用四爪卡盘夹持外，曲轴各段主轴颈处辅以中心架支撑，由于所受重力较大，通过中心架上的液压缸支撑曲轴。曲轴的准确安装定位是保证加工质量的前提条件，一般要求曲轴的轴端与各段主轴颈轴线保持同轴并在同一水平面，采用曲轴各段主轴颈同轴度误差来衡量安装定位的准确程度。根据曲轴结构特点可知，曲轴沿长度方向上质量分布并不均勻，于是各段中心架受力并不一致，在安装过程中，只有精确调整各中心架的液压力，才能使各段主轴颈轴线同轴度误差满足加工精度要求。由于测量手段的限制，直接测量曲轴安装主轴颈同轴度误差有一定的困难。通过观察发现，在曲轴绕主轴颈旋转过程中，曲拐上与主轴颈相对端的曲柄臂间距，随曲轴旋转呈现周期性变化规律，而这恰恰是曲轴各段主轴颈不同轴的反映。工程中获取该间距的测量数据，即可利用相应算法反推曲轴各段曲拐主轴颈轴线的相对偏移量，从而间接获取曲轴安装主轴颈同轴度的信息，以此为依据指导中心架压力调整，实现曲轴安装过程中的自动定位找正。目前，在生产中使用的在线检测定位系统，一般采用独立的工控机单元对测量数据进行分析处理。从系统集成的角度看，这种配备独立工控机单元进行数据处理的传统方式，由于测量数据和制造数据的分离，容易产生操作频繁移位，降低生产效率。而且，由于采用手动调整定位找正，这在很大程度上依赖操作员的经验和主观判断，具有一定的盲目性， 影响生产效率。此外，附加的工控机单元增加了开发管理成本。为此，迫切需要开发出一套的检测系统，满足生产实践的需要。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于数控重型曲轴旋风加工中心的在线检测自动定位系统及方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种曲轴加工在线检测自动定位系统，其特征在于它包括加工曲轴的旋风加工中心、信号采集处理装置和数控系统三部分，其中信号采集处理装置包括间距测量装置、压力测量装置和相位测量装置，数控系统中设置有一数控PCU单元；所述的间距测量装置包括间距信号传感器、间距测量传输装置、无线测量数据发送装置、无线测量数据接收装置、网络传输装置和数控系统PCU单元，其中间距信号传感器、间距测量传输装置和无线测量数据发送装置集成在一起，设置在曲轴的各对曲柄臂之间，无线测量数据接收装置、网络传输装置和数控系统PCU单元设置在数控系统的操作台上；所述间距信号传感器获取间距信号，通过测量传输装置将间距数据通过无线发送装置发出，由无线接收装置获取间距数据，经网络传输装置将间距数据传送到数控系统P⑶单元进行处理；所述的相位测量装置包括主轴相位信号传感器、主轴相位数据测量传输装置和数控系统PCU单元，所述主轴相位信号传感器设置在曲轴旋风加工中心的主轴的一端，通过四爪卡盘和曲轴的轴端相连接，将其获取的相位数据，通过主轴相位数据测量传输装置传送到数控系统PCU单元进行处理；所述的压力测量装置包括压力信号传感器、 压力测量传输装置和数控系统PCU单元，所述压力信号传感器设置在支撑曲轴的中心架上，其获取的压力信号，通过压力测量传输装置传送到数控系统PCU单元进行处理。曲轴加工在线检测自动定位方法，其包括以下步骤1)在数控系统中输入所需要的采样次数n，经计算得到相应的采样相位值；2)打开旋风加工中心电源，使主轴以恒定的速率运转起来，对曲轴上各段曲拐进行标号，选定其中一个曲拐的连杆轴颈的轴线作为基准，并将该处计为初始相位零点，以下测量得到的间距值均是与该相位处间距比较的相对值；3)将获得的间距、相位、压力等模拟信号经过采样、量化、编码等数据处理，得到数字信号，经过有线或者无线的传输形式，将数字信号传输到数控系统PCU单元，数控系统PCU单元记录在曲轴旋转的过程中，给定采样相位处的各段曲柄臂间距值和压力值，在段号-间距坐标图上，绘制相对应的图形；4)采样每完成一次算法将η依次做减1处理，判断η是否等于0，如果η = 0时满足所设置的采样次数，进入下一步操作，否则算法继续回到初始采样循环力)采样完成后得到各给定的相位值处各段曲柄臂间距在曲轴长度方向的分布图， 设置间距均值为0，计算各相位处曲柄臂间距的标准差，根据给定的容许标准差数值范围， 判断是否满足加工精度要求；6)取标准差最大处为曲轴最大变形的相位值，根据该处间距分布图，结合曲轴结构材料特点，通过有限元建模分析，推算出曲轴在长度方向上的相对变形，计算当前相对变形条件下，中心架压力所需要调整的数值；7)控制曲轴在最大变形的相位位置处，按照计算结果，控制中心架对压力进行调整，调整中心架之后，进入下一个检测调整循环，计算得到的标准差数值小于给定值时，算法结束。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明通过布置在曲轴旋风加工中心及曲轴上的测量装置，对曲轴安装状态下各段主轴颈之间的同轴度误差进行在线测量，指导曲轴安装的定位找正。2、相比较人为调整找正过程，本发明节省了繁重的工作量，提高了生产效率，为大型复杂零件在线参数的检测提供了参考依据。3、相比较手动调整定位找正，本发明克服了手动操作存在的缺点，避免操作的盲目性，自动定位的应用实施， 在一定程度上，减轻了对操作人员技术熟练程度以及经验积累的依赖，使生产更加的自动化。4、本发明直接利用数控系统PCU单元来分析处理测量数据，省去了附加的工控机单元， 有利于对测量制造数据统一集中处理，采用集成的手段，减少了开发管理成本，对制造系统的集成有着深远的影响。
图1为本发明曲轴的结构示意2为本发明在线检测自动定位系统总体结构示意3为本发明信号采集处理装置的结构示意4为本发明相邻曲柄臂间距测量装置示意5为本发明主轴相位测量装置示意6为本发明中心架压力测量装置示意7为本发明数据处理流程图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明需要加工的曲轴包括轴端1，曲轴轴向间隔设置的若干曲拐2 以及主轴颈3等，其中每一个曲拐2包括与主轴颈3相连接的一对曲柄臂21以及每对曲柄臂21的端部设置的一连杆轴颈22，轴端1的一端通过四爪卡盘4夹紧，各个主轴颈3中部间隔设置有若干用于辅助支撑的中心架5。如图2、图3所示，本发明包括加工曲轴的旋风加工中心、信号采集处理装置和数控系统三部分，其中信号采集处理装置包括间距测量装置6、相位测量装置7和压力测量装置8，数控系统中设置有一数控PCU单元9，从广义上说，数控系统是指实现机床自动控制的整套硬件和软件，主要包括输入装置、核心计算装置、伺服装置与执行电机、辅助装置等，数控P⑶单元9是核心计算装置的一部分。如图4所示，本发明的间距测量装置6包括间距信号传感器61、间距测量传输装置 62、无线测量数据发送装置63、无线测量数据接收装置64、网络传输装置65和数控系统PCU 单元9。其中间距信号传感器61、间距测量传输装置62和无线测量数据发送装置63设置在各对曲柄臂21之间，在测量过程中，随曲轴一起旋转；无线测量数据接收装置64、网络传输装置65和数控系统P⑶单元9设置在数控系统的操作台上。测量时，间距信号传感器61 获取间距信号，通过间距测量传输装置62将间距数据通过无线发送装置63发出，由无线测量数据接收装置64获取间距数据，经网络传输装置65将间距数据传送到数控系统PCU单元9进行处理。如图5所示，本发明的相位测量装置7包括主轴相位信号传感器71、主轴相位数据测量传输装置72和数控系统P⑶单元9，主轴相位信号传感器71设置在曲轴旋风加工中心的主轴的一端，通过四爪卡盘4和曲轴的轴端1相连接。测量时，由主轴相位信号传感器71 获取相位数据，通过主轴相位数据测量传输装置72将相位数据传送到数控系统PCU单元9 进行处理。如图6所示，本发明的压力测量装置8包括压力信号传感器81、压力测量传输装置 82和数控系统P⑶单元9。测量时，压力信号传感器81获取压力信号，通过压力测量传输装置82将压力数据传送到数控系统P⑶单元9进行处理。如图7所示，本发明的数据处理过程包括如下步骤1)开始时，在数控系统中输入所需要的采样次数n，根据采样次数n，将曲轴旋风加工中心的主轴一端360度整圈均分为n，得到相应的采样相位值，例如η = 4，则对应的采样相位点处分别为0°，90°，180°，270° ；对曲轴各段曲拐进行标号，例如把靠近四爪卡盘4处的曲拐标记为1号曲拐，该段曲拐的曲柄臂间距作为1号段间距。2)打开曲轴旋风加工中心电源，使曲轴旋风加工中心的主轴以恒定的速率运转起来，选定1号曲拐，将1号曲拐的连杆轴颈22的轴线作为基准，设该轴线通过竖直最高位置时，系统将该处计为初始相位零点，并且，每次通过该零点时，系统将各段曲柄臂间距清零， 因此，可知以下测量得到的间距值均是与该相位处间距比较的相对值。3)把获得的间距、相位、压力等模拟信号经过采样、量化、编码等数据处理，得到数字信号，经过有线或者无线的传输形式，将数字信号传输到数控系统PCU单元9。数控系统 PCU单元9记录在曲轴旋转的过程中，给定采样相位处的各段曲柄臂间距值和压力值，在段号-间距坐标图上，绘制相对应的图形。4)采样每完成一次算法将η依次做减1处理，判断η是否等于0，如果η = 0时满足所设置的采样次数，进入下一步操作，否则算法继续回到初始采样循环。5)采样完成后得到各给定的相位值处各段曲柄臂间距在曲轴长度方向的分布图， 设置间距均值为0，计算各相位处曲柄臂间距的标准差。根据给定的容许标准差数值范围， 判断是否满足加工精度要求。6)由于标准差反映的是曲轴变形程度，间距值为负时，反映了该段曲拐受压，间距为正反映该段曲拐受拉。取标准差最大处为曲轴最大变形的相位值。根据该处间距分布图， 结合曲轴结构材料特点，通过有限元建模分析，推算出曲轴在长度方向上的相对变形，计算当前相对变形条件下，中心架压力所需要调整的数值。7)控制曲轴在最大变形的相位位置处，按照计算结果，控制中心架压力调整。调整中心架压力之后，进入下一个检测调整循环，计算得到的标准差数值小于给定值时，算法结
束ο本发明检测系统通过对间距、压力和相位三个参数的测量，获取曲轴在特定的相位处相对的各曲柄臂间距的测量数据，反推曲轴各段主轴颈的相对偏移量，从而间接得到当前安装状态下曲轴主轴颈的同轴度误差，以此为依据指导中心架5压力调整，实现曲轴安装过程中的自动定位找正。其中由于曲轴旋转带来的布线限制，本实施例中曲柄臂21间距值采用无线传输形式，但是并不限于此，还可以采用电刷滑环的方式实现，而压力和相位值的测量采用有线传输形式。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种曲轴加工在线检测自动定位系统，其特征在于它包括加工曲轴的旋风加工中心、信号采集处理装置和数控系统三部分，其中信号采集处理装置包括间距测量装置、压力测量装置和相位测量装置，数控系统中设置有一数控PCU单元；所述的间距测量装置包括间距信号传感器、间距测量传输装置、无线测量数据发送装置、无线测量数据接收装置、网络传输装置和数控系统PCU单元，其中间距信号传感器、间距测量传输装置和无线测量数据发送装置集成在一起，设置在曲轴的各对曲柄臂之间，无线测量数据接收装置、网络传输装置和数控系统PCU单元设置在数控系统的操作台上；所述间距信号传感器获取间距信号，通过测量传输装置将间距数据通过无线发送装置发出， 由无线接收装置获取间距数据，经网络传输装置将间距数据传送到数控系统PCU单元进行处理；所述的相位测量装置包括主轴相位信号传感器、主轴相位数据测量传输装置和数控系统PCU单元，所述主轴相位信号传感器设置在曲轴旋风加工中心的主轴的一端，通过四爪卡盘和曲轴的轴端相连接，将其获取的相位数据，通过主轴相位数据测量传输装置传送到数控系统P⑶单元进行处理；所述的压力测量装置包括压力信号传感器、压力测量传输装置和数控系统PCU单元， 所述压力信号传感器设置在支撑曲轴的中心架上，其获取的压力信号，通过压力测量传输装置传送到数控系统P⑶单元进行处理。
2.一种采用如权利要求1所述系统的曲轴加工在线检测自动定位方法，其包括以下步骤1)在数控系统中输入所需要的采样次数Π，经计算得到相应的采样相位值，对曲轴上各段曲拐进行标号；2)打开旋风加工中心电源，使主轴以恒定的速率运转起来，对曲轴上各段曲拐进行标号，选定其中一个曲拐的连杆轴颈的轴线作为基准，并将该处计为初始相位零点，以下测量得到的间距值均是与该相位处间距比较的相对值；3)将获得的间距、相位、压力等模拟信号经过采样、量化、编码等数据处理，得到数字信号，经过有线或者无线的传输形式，将数字信号传输到数控系统PCU单元，在数控系统 PCU单元记录在曲轴旋转的过程中，给定采样相位处的各段曲柄臂间距值和压力值，在段号-间距坐标图上，绘制相对应的图形；4)采样每完成一次算法将η依次做减1处理，判断η是否等于0，如果η= 0时满足所设置的采样次数，进入下一步操作，否则算法继续回到初始采样循环；5)采样完成后得到各给定的相位值处各段曲柄臂间距在曲轴长度方向的分布图，设置间距均值为0，计算各相位处曲柄臂间距的标准差，根据给定的容许标准差数值范围，判断是否满足加工精度要求；6)取标准差最大处为曲轴最大变形的相位值，根据该处间距分布图，结合曲轴结构材料特点，通过有限元建模分析，推算出曲轴在长度方向上的相对变形，计算当前相对变形条件下，中心架压力所需要调整的数值；7)控制曲轴在最大变形的相位位置处，按照计算结果，控制中心架对压力进行调整， 调整中心架之后，进入下一个检测调整循环，计算得到的标准差数值小于给定值时，算法结束ο
全文摘要
本发明涉及一种曲轴加工在线检测自动定位系统及方法，其特征在于它包括加工曲轴的旋风加工中心、信号采集处理装置和数控系统三部分，其中信号采集处理装置包括间距测量装置、压力测量装置和相位测量装置，数控系统中设置有一数控PCU单元；该检测系统通过对间距、相位和压力三个参数的测量，获取曲轴在特定的相位处，与主轴颈相对端各曲柄臂间距的测量数据，反推曲轴各段主轴颈轴线的相对偏移量，从而间接得到当前安装状态下曲轴主轴颈同轴度误差，以此为依据指导中心架压力调整，实现曲轴安装过程中的自动定位找正。通过本发明在线检测自动定位系统的实施，在一定程度上改善加工精度，提高生产效率，降低了附加的工控机单元所增加的开发管理成本，具有广阔的市场应用前景。
文档编号G01B21/24GK102240925SQ201110086378
公开日2011年11月16日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者叶佩青, 周东, 王英瑞, 赵彤 申请人:清华大学
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