一种喷孔结构参数自动测量方法
【专利摘要】一种喷孔结构参数自动测量方法,基于喷孔三维数字结构，在三维数字空间中任取一与喷孔相交的平面截取喷孔，找到使截面为圆形（或最接近圆形）的平面；获得喷孔的轴线，经过上述圆形平面的圆心且垂直于圆面的直线即为该孔的中轴线；利用垂直喷孔轴线的平面逐像素对喷孔进行截取，找到喷孔最外侧和最内侧的截面，即为喷口出口和入口截面，从而可以获得喷孔的各参数；利用经过喷孔轴线的平面对喷孔进行截取，从所截图像中即可计算出喷孔与喷嘴内部压力室连接处的入口圆角半径；对多孔喷嘴而言，在获得各喷孔的轴线之后，还可以计算喷孔之间的夹角以及张角等各类参数。本发明减少了人为误差，测量结果精确，操作过程方便快捷。
【专利说明】一种喷孔结构参数自动测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于内燃机【技术领域】，涉及喷油器，尤其是测量喷油器的喷孔结构参数的方法。
【背景技术】
[0002]目前喷油器喷嘴内部结构和尺寸的测量方法多种多样，但很难精确地对喷油器喷嘴内部结构和尺寸进行直接测量，能够直接测量喷油器内部尺寸的方法主要有光学诊断测量、探针测量、剖面测量和硅树脂喷孔铸模测量等。
[0003]光学诊断测量通过对喷孔直接成像获得喷油器喷孔的尺寸参数，但喷油器内部结构中能够直接拍摄的部分十分有限。探针测量方法利用微米级的探针对喷孔内部的表面进行探测，能够获得喷孔的直径、长度以及表面粗糙度等信息，该方法所需设备比较复杂，测量要求较高。剖面测量需将喷孔剖开，直接对内部尺寸结构进行测量，这是一种破坏性的测量手段，剖面的位置及厚度对测量结果影响很大。硅树脂喷孔铸模测量方法通过将一种特殊的硅树脂导入喷油器内部，使其填满喷油器前端的压力室和喷孔，经过一段时间待树脂凝固后将成型的树脂模型拔出来，利用电子显微镜拍得模型图片，导入CAD软件中进行参数的测量。为了获得完整且不失真的树脂模型，该方法对喷孔的清洁度要求非常高。
[0004]李治龙，高原等人在“基于同步辐射高能X射线的喷油器喷嘴内部几何结构及尺寸的测量”(吉林大学学报工学版，2011.01)的研究中介绍了一种利用高能高通量同步辐射X射线，对喷油器进行X线层析扫描，获得了高精度的喷油器内部三维结构模型，并基于该模型实现了柴油机喷油器的喷孔孔径、喷孔间夹角、喷孔锥角以及喷孔上下倒角半径的测量方法，该方法较上述几种方法有很多优点，但此方法需要将图片导入CAD进行测量，过程难免有些繁琐，测量过程存在一定的随机性，在此过程中可能产生人为误差，测量精确度和方便程度有待提高。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种能够实现喷孔结构参数自动测量的方法，弥补现有技术中存在的不足，去除了人为因素的影响，在给定喷嘴的数字模型的情况下，只需指定初始截取平面，其结构参数能够根据算法直接输出结果，提高了测量结果的准确性和操作的便捷性。
[0006]为达到以上目的，本发明采用以下解决方案:
[0007]本发明的方法包括以下步骤:
[0008](I)基于喷孔三维数字结构，在三维数字空间中任取一与喷孔相交的平面截取喷孔，找到使截面为圆形(或最接近圆形)的平面；
[0009](2)获得喷孔的轴线，经过步骤(I)中圆形平面的圆心且垂直于圆面的直线即为该孔的中轴线；
[0010](3)利用垂直喷孔轴线的平面逐像素对喷孔进行截取，找到喷孔最外侧和最内侧的截面，即为喷孔出口和入口截面，从而可以获得喷孔的各参数；
[0011](4)利用经过喷孔轴线的平面对喷孔进行截取，从所截图像中即可计算出喷孔与喷嘴内部压力室连接处的入口圆角半径。
[0012]步骤(I)所截平面若为椭圆形，则通过数字图像处理计算其圆心和长短轴，绕短轴沿一个方向对该平面进行旋转，并对其与喷孔相交的截面进行圆形识别，检测其圆度，直到找到使截面为圆形(或最接近圆形)的平面；如截面为圆形，则无需进行此步操作。
[0013]将步骤(I)中截面绕短轴沿一个方向对该平面进行旋转，如果圆度变小则反方向旋转。
[0014]步骤(2)为避免随机误差，可随机选取若干平面截取喷孔，利用以下方法获得圆截面:所截平面若为椭圆形，则通过数字图像处理计算其圆心和长短轴，绕短轴沿一个方向对该平面进行旋转，并对其与喷孔相交的截面进行圆形识别，检测其圆度，直到找到使截面为圆形或最接近圆形的平面；之后，连接这些圆截面的圆心拟合出喷孔的轴线。
[0015]步骤(3)由于在喷孔外侧(液体流出一侧)喷孔不存在，截面面积会突然变为O ;而在喷孔内侧，喷孔与喷嘴内部压力室连接，其截面积会突然增大。因此在平移平面寻找喷孔出口截面和入口截面的过程中，当截面面积发生突变时即表明所截取的截面已经不属于喷孔，应停止平移。
[0016]步骤(3)中喷孔各参数包括喷孔入口直径、出口直径、喷孔长度。获得喷孔的入口和出口圆形截面后，喷孔入口直径即为入口圆形截面的直径，喷孔出口直径即为出口圆形截面的直径，喷孔长度为两截面之间的距离。
[0017]步骤(4)中平面可沿喷孔轴线进行任意角度的旋转，因此可以获得喷孔任意位置的入口圆角半径。
[0018]对多孔喷嘴而言，在步骤(2)获得各喷孔的轴线之后，还可以计算喷孔之间的夹角以及张角等各类参数；此外，还可以计算喷孔轴线与喷嘴轴线之间的距离(单孔喷嘴可以据此反映喷孔与喷嘴轴线是否重合，多孔喷嘴可反映各个喷孔的对中情况)。
[0019]由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:光学诊断测量能够直接拍摄的部分十分有限；探针测量方法所需设备比较复杂，测量要求较高；剖面测量需将喷孔剖开，是一种破坏性的测量手段；硅树脂喷孔铸模测量方法，对喷孔的清洁度要求非常高，而本发明克服了上述困难，利用全新的方法进行测量，本发明通过平面截取找到截面为圆的平面，利用这些圆截面的圆心拟合出喷孔的轴线，获得喷孔入口、出口截面，从而得到喷孔各参数，适用于各种喷孔，操作方便，实现了自动测量，减少了人为误差，测量精度高；通过计算机自动计算，无需人为将图片CAD进行计算，使得测量更加方便快捷。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为喷孔结构参数自动测量方法流程图。
[0021]图2为喷油器喷孔正相三维数字结构模型图。
[0022]图3为压力室正相三维数字结构模型图。
[0023]图4为喷油器喷孔和压力室反相三维数字结构模型图。
[0024]图5为一单孔喷嘴喷孔示意图。
[0025]图6为经过喷孔轴线的平面截喷孔所得截面图。[0026]图7为一八孔喷嘴喷孔俯视图。
[0027]图8为一八孔喷嘴其中一个喷孔的正视图。
【具体实施方式】
[0028]以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
[0029]附图所示为应用本发明提出的测量方法测量一喷孔各结构参数的实例。图1为整个测量过程实施的流程图。
[0030]发明人曾利用高能高通量同步辐射X射线，对喷油器进行X线层析扫描，获得了高精度的喷油器内部三维结构模型，并基于该模型实现了柴油机喷油器的喷孔孔径、喷孔间夹角、喷孔锥角以及喷孔上下倒角半径的测量方法，该方法需要将图片导入CAD进行测量，过程难免有些繁琐，测量过程存在一定的随机性，在此过程中可能产生人为误差，测量精确度和方便程度有待提高。请参阅图5?8为本发明喷孔结构参数自动测量的实施示意图，该测量方法克服了现有技术中的不足和缺陷，包括以下步骤:
[0031]如图2?4所示，利用高能高通量同步辐射X射线，对喷油器进行X线层析扫描，获得了高精度的喷油器内部三维结构，在此基础上，如图5所示，在该数字空间中任取一与喷孔相交的平面截取喷孔。如果所截图形为圆截面5，表明该平面与喷孔轴线垂直，否则截面为椭圆截面3。
[0032]如截面为椭圆截面3，则通过数字图像处理计算其圆心和长短轴，绕短轴4沿一个方向对该平面进行旋转，并对其与喷孔相交的截面进行圆形识别，检测其圆度，圆度是指工件的横截面接近理论圆的程度。测量工具为圆度仪。这里用的方法是拟合椭圆，椭圆拟合法的基本思路是:对于给定平面上的一组样本点，寻找一个椭圆，使其尽可能靠近这些样本点。也就是说到，将图像中的一组数据以椭圆方程为模型进行拟合，使某一椭圆方程尽量满足这些数据，并求出该椭圆方程的各个参数。看长短轴之间的差值是否小于一个百分比，如果小于一个百分比，最后确定的最佳椭圆的中心即是要确定的靶心。如果圆度变小则反方向旋转，直到找到使截面为圆形(或最接近圆形)的平面；如截面为圆形，则无需进行此步操作。另外，寻找截面为圆形的方法也可按照以下思路进行:如图5中所示的各截面，仅当截面垂直时获得的截面面积最小(此时为圆形)，如果往任意方向偏转截面，则截面面积必增大，因此可以通过旋转截面来搜索面积最小的面，所获得的截面应垂直喷孔轴线。
[0033]过圆截面5圆心且垂直于圆面的直线即为该孔的中轴线。为避免随机误差，可随机选取若干平面截取喷孔，利用以下方法获得圆截面:所截平面若为椭圆形，则通过数字图像处理计算其圆心和长短轴，绕短轴沿一个方向对该平面进行旋转，并对其与喷孔相交的截面进行圆形识别，检测其圆度，直到找到使截面为圆形或最接近圆形的平面；之后，连接这些圆截面的圆心拟合出喷孔的轴线。
[0034]利用垂直喷孔轴线的平面逐像素对喷孔进行截取，并记录其与喷孔相交的截面。由于在喷孔外侧(液体流出一侧)喷孔不存在，喷孔出口截面6以下，截面面积会突然变为O;而在喷孔内侧，喷孔与喷嘴压力室I连接，喷孔入口截面2以上，其截面积会突然增大，。因此在平移平面的过程中，当截面面积发生突变时即表明所截取的截面已经不属于喷孔，应停止平移。
[0035]步骤(4)中平移平面所获得的喷孔最外侧，即为喷孔出口截面6，测量出该圆形截面的直径为喷孔的出口直径Dwt ;所获得的喷孔最内侧，即为喷孔入口截面2，测量出该圆形截面的直径即为喷孔的入口直径Din。
[0036](6)由于喷孔出口截面和入口截面平行，可计算出它们之间的距离L，该距离即为喷孔的长度。
[0037](7)随机生成经过喷孔轴线的平面，并利用其对喷孔进行截取，得到截面7。从该截面即可计算出喷孔与喷嘴内部压力室连接处的入口圆角半径r。由于该平面可沿喷孔轴线进行任意角度的旋转，因此可以获得喷孔任意位置的入口圆角半径。
[0038](8)对多孔喷嘴而言，如图3所示，在获得各喷孔的轴线之后，可以计算喷孔之间的夹角Θ i以及张角α。
[0039]以下是利用该发明方法测得某单孔柴油机喷嘴和某八孔柴油机喷嘴的各参数数据。
[0040]单孔柴油机喷嘴(单位:μ m)
【权利要求】
1.一种自动测量喷孔结构参数的方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)基于喷孔三维数字结构，在三维数字空间中任取一与喷孔相交的平面截取喷孔，找到使截面为圆形或最接近圆形的平面； (2)获得喷孔的轴线，经过步骤(I)中圆形平面的圆心且垂直于圆面的直线即为该孔的中轴线； (3)利用垂直喷孔轴线的平面逐像素对喷孔进行截取，并计算每个截面中的直径；找到喷孔最外侧和最内侧的截面，即可获得喷孔出口和入口直径，从而可以获得喷孔的各参数； (4)利用经过喷孔轴线的平面对喷孔进行截取，从所截图像中即可计算出喷孔与喷嘴内部压力室连接处的入口圆角半径。
2.根据权利要求1所述自动测量喷孔结构参数的方法，其特征在于:步骤(I)所截平面若为椭圆形，则通过数字图像处理计算其圆心和长短轴，绕短轴沿一个方向对该平面进行旋转，并对其与喷孔相交的截面进行圆形识别，检测其圆度，直到找到使截面为圆形或最接近圆形的平面。
3.根据权利要求2所述自动测量喷孔结构参数的方法，其特征在于:将截面绕短轴沿一个方向对该平面进行旋转，如果圆度变小则反方向旋转。
4.根据权利要求1所述自动测量喷孔结构参数的方法，其特征在于:步骤(2)为避免随机误差，可随机选取若干平面截取喷孔，利用以下方法获得圆截面:步骤(I)所截平面若为椭圆形，则通过数字图像处理计算其圆心和长短轴，绕短轴沿一个方向对该平面进行旋转，并对其与喷孔相交的截面进行圆形识别，检测其圆度，直到找到使截面为圆形或最接近圆形的平面；之后，连接这些圆截面的圆心拟合出喷孔的轴线。
5.根据权利要求1所述自动测量喷孔结构参数的方法，其特征在于:步骤(3)在平移平面寻找喷孔出口截面和入口截面的过程中，当截面面积发生突变时即表明所截取的截面已经不属于喷孔，应停止平移。
6.根据权利要求1所述自动测量喷孔结构参数的方法，其特征在于:步骤(3)中喷孔各参数包括喷孔入口直径、出口直径、喷孔长度。
7.根据权利要求6所述自动测量喷孔结构参数的方法，其特征在于:步骤(3)中获得喷孔的入口和出口圆形截面后，喷孔入口直径即为入口圆形截面的直径，喷孔出口直径即为出口圆形截面的直径，喷孔长度为两截面之间的距离。
8.根据权利要求1所述自动测量喷孔结构参数的方法，其特征在于:步骤(4)中通过平面沿喷孔轴线进行任意角度的旋转获得喷孔任意位置的入口圆角半径。
9.根据权利要求1所述自动测量喷孔结构参数的方法，其特征在于:对多孔喷嘴而言，通过步骤(2)获得各喷孔的轴线之后进一步获得喷孔之间的夹角、张角及喷孔轴线与喷嘴轴线之间的距离。
【文档编号】G01B15/00GK103868479SQ201410100412
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】吴志军, 李治龙, 朱敏婧, 朱正东, 黄魏迪 申请人:同济大学