一种轴瓦壁厚在线检测系统及方法与流程

本发明涉及车辆
技术领域：
，尤其涉及车辆发动机检测
技术领域：
，具体是指一种轴瓦壁厚在线检测系统及方法。
背景技术：
：轴瓦作为汽车发动机的关键零件，对发动机的性能起着关键作用。在发动机中，连杆瓦和曲轴连杆颈、曲轴瓦和曲轴主轴颈配合间隙的大小，对发动机工况影响很大。配合间隙越小，发动机产生的噪音越小，故障率也越低。为了提高装配精度，降低加工成本，通常采用“分组互换装配法”来控制相关零部件的装配，用普通的设备加工，即在生产时将精度放大到经济精度，然后采用精密测量仪器测量，根据测量结果将有装配关系的轴瓦按尺寸大小分成若干组，装配时按照分组号进行组合装配，这样可以以较低的成本获得较高的装配精度[1]。要想实现分组互换装配法，必须对轴瓦进行全检，而且测量精度要求较高。欧美国家轴类零件自动化检测起步较早，典型的是三坐标轴瓦检测机，精度高、短期稳定好[2]，但效率低，如ldmterrameter。英国uniscaninstruments公司的osp500lm光学表面轮廓检测系统，可以进行快速大面积非接触检测。上述两种轴瓦检测设备只能进行离线抽样检测，不适合轴瓦快速生产的在线检测。率先实现轴瓦在线测量的是德国米依测试科技公司，其dimemsioncontrol轴瓦壁厚和轮廓检测系统采用视觉几何量传感器系统[3]，但是对测试环境要求比较高，对产品的识别速度较慢，在比较好的光学环境下识别速度也只能达到3秒每片。近年来，国内的高校和研究院开始投入轴瓦自动检测分选系统的研发，如上海交通大学机械学院研发的轴瓦自动检测分选系统[4]，北京机科院研制的轴瓦自动分选机[5]，无锡允新机械公司研制的轴瓦分选机等。上述分选系统的测量功能设计不够完善，测量结果的重复性比较差。中国计量学院于2003年研发的轴瓦壁厚自动检测与分选系统，检测精度能达到微米级别，但在线检测速度不够。综上所述，能够开发高精度、高效率的轴瓦壁厚检测分选机对我国的汽车轴瓦行业的发展具有深远的意义，其中在线检测功能的优化设计尤为重要。技术实现要素：本发明提供了一种轴瓦壁厚在线检测系统及方法，可以实现对车辆发动机中轴瓦壁厚在线实时和准确的测量，提高轴瓦壁厚测量的效率，提高轴瓦的装配质量和经济效益。为了实现上述目的，本发明具有如下构成：该轴瓦壁厚在线检测系统，所述的系统包括：底座，所述底座的上表面设置有轴瓦测量区，待测量的轴瓦设置于所述轴瓦测量区中；支架，所述支架的第一端设置于所述底座的上表面；测量架，所述测量架的第一端通过一第一驱动机构连接至所述支架的第二端；以及轴瓦壁厚测量计，所述轴瓦壁厚测量计设置于所述测量架的第二端，测量所述待测量的轴瓦的壁厚时，所述轴瓦壁厚测量计位于所述轴瓦测量区的正上方；控制器，所述控制器控制所述第一驱动机构驱动所述支架移动，使得所述轴瓦壁厚测量计可在所述第一驱动机构的驱动下沿垂直于所述底座的上表面的方向移动，且所述控制器接收所述轴瓦壁厚测量计的测量数据。可选地，所述轴瓦壁厚测量计包括：第一定位杆，所述第一定位杆垂直于所述底座的上表面设置；第二定位杆，所述第二定位杆平行于所述第一定位杆设置，且所述第二定位杆可沿垂直于所述第二定位杆的方向移动；零位测头，所述零位测头设置于所述第一定位杆朝向所述第二定位杆的一侧表面上；长度计测量头，所述长度计测量头设置于所述第二定位杆朝向所述第一定位杆的一侧表面上；以及数据采集设备，用于获取所述长度计测量头的测量数据并发送至所述控制器；测量所述待测量的轴瓦的壁厚时，所述零位测头紧贴所述轴瓦的一侧表面，所述长度计测量头紧贴所述轴瓦的另一侧表面；所述控制器获取所述长度计测量头的伸出长度。可选地，所述支架的第一端还设置有平行导轨和第二驱动机构，所述支架在所述第二驱动机构的驱动下可沿所述平行导轨移动，使得所述支架沿平行于所述底座的上表面的方向移动。可选地，所述轴瓦测量区的第一侧设置有导向条，所述导向条垂直于所述底座的上表面，所述轴瓦测量区的第二侧还设置有第三定位杆和第三驱动机构，所述第三定位杆平行于所述底座的上表面设置，所述第三定位杆在所述第三驱动机构的驱动下可沿平行于所述底座的上表面的方向移动。可选地，所述系统还包括处理设备，所述处理设备与所述控制器进行通信，所述处理设备从所述控制器处获取所述长度计测量头的伸出长度，并根据所述长度计测量头的伸出长度计算待测量的轴瓦的壁厚；所述处理设备根据如下公式计算待测量的轴瓦的壁厚：x＝x0-x1其中，x为待测量的轴瓦的壁厚，x0为所述轴瓦测量区中未设置轴瓦，所述长度计测量头和所述零度测头直接接触时，所述长度计测量头的伸出长度值，x1为所述轴瓦测量区中设置轴瓦，所述长度计测量头和所述零度测头分别抵触所述轴瓦的一侧表面和另一侧表面时，所述长度计测量头的伸出长度值。本发明实施例还提供一种轴瓦壁厚在线检测方法，采用所述的轴瓦壁厚在线检测系统，所述方法包括如下步骤：在所述轴瓦测量区中放置待测量的轴瓦；所述控制器控制所述第一驱动机构驱动所述支架移动，使得所述轴瓦壁厚测量计移动至所述轴瓦测量区的正上方；所述轴瓦壁厚测量计对所述轴瓦的壁厚进行测量，并将测量数据发送至所述控制器。可选地，所述轴瓦壁厚测量计包括：第一定位杆，所述第一定位杆垂直于所述底座的上表面设置；第二定位杆，所述第二定位杆平行于所述第一定位杆设置，且所述第二定位杆可沿垂直于所述第二定位杆的方向移动；零位测头，所述零位测头设置于所述第一定位杆朝向所述第二定位杆的一侧表面上；长度计测量头，所述长度计测量头设置于所述第二定位杆朝向所述第一定位杆的一侧表面上；以及数据采集设备，用于获取所述长度计测量头的测量数据并发送至所述控制器；所述轴瓦壁厚测量计对所述轴瓦的壁厚进行测量，包括如下步骤：所述控制器调节所述支架的位置，使得所述零位测头紧贴所述轴瓦的一侧表面，所述长度计测量头向前伸出以紧贴所述轴瓦的另一侧表面；所述控制器获取所述长度计测量头的伸出长度。可选地，所述系统还包括处理设备，所述处理设备与所述控制器进行通信，还包括如下步骤：所述轴瓦测量区中未设置轴瓦时，所述长度计测量头和所述零度测头直接接触，所述长度计测量头记录此时的伸出长度值x0，并发送至所述控制器；所述轴瓦测量区中设置轴瓦时，所述长度计测量头和所述零度测头分别抵触所述轴瓦的一侧表面和另一侧表面，所述长度计测量头记录此时的伸出长度值x1，并发送至所述控制器；所述控制器将所述伸出长度值x0和伸出长度值x1发送至所述处理设备；所述处理设备根据如下公式计算待测量的轴瓦的壁厚：x＝x0-x1；其中，x为所述待测量的轴瓦的壁厚。可选地，所述轴瓦测量区中设置轴瓦时，所述处理器每隔预设间隔时间获取所述长度计测量头的测量数据，并将各个测量数据与前一时刻获取的测量数据进行比较，获取两个测量数据的差值，如果该差值小于预设阈值，则判断检测正常，如果该差值大于或等于预设阈值，则判断检测异常。可选地，所述方法还包括如下步骤：所述控制器判断当前的操作模式为手动模式还是自动模式；如果为手动模式，则用户手动操作所述第一驱动机构调整所述支架的位置，完成测量，所述控制器获取所述轴瓦壁厚测量计的测量数据；如果为自动模式，则控制器控制所述第一驱动机构驱动所述支架移动，完成测量，所述控制器获取所述轴瓦壁厚测量计的测量数据。采用该发明的轴瓦壁厚在线检测系统及方法，针对轴瓦壁厚在线检测的要求，综合应用传感器技术，plc控制技术以及虚拟仪器技术，在已有的轴瓦壁厚检测设备的基础上进行优化，提高了轴瓦壁厚检测的精度与效率；结果验证仪器测量精度为±0.78μm，测量效率为2.5s/片，满足轴瓦壁厚在线检测的要求；从而实现了高精度、高效率的轴瓦壁厚在线检测，提高了轴瓦的装配质量与经济效益。附图说明图1是本发明的轴瓦壁厚在线检测系统的结构示意图；图2是本发明的轴瓦壁厚在线检测系统的轴瓦壁厚测量计的结构示意图；图3是本发明的轴瓦壁厚在线检测系统的采集数据传输示意图；图4是本发明的轴瓦壁厚在线检测方法的流程图；图5是本发明的轴瓦壁厚在线检测方法的数据处理流程图。具体实施方式为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。参照图1，本发明提出了一种轴瓦壁厚在线检测系统及方法，包括：底座，所述底座的上表面设置有轴瓦测量区，待测量的轴瓦设置于所述轴瓦测量区中；支架1，所述支架1的第一端设置于所述底座的上表面；测量架，所述测量架的第一端通过一第一驱动机构连接至所述支架1的第二端；以及轴瓦壁厚测量计，所述轴瓦壁厚测量计设置于所述测量架的第二端，测量所述待测量的轴瓦的壁厚时，所述轴瓦壁厚测量计位于所述轴瓦测量区的正上方；控制器，所述控制器控制所述第一驱动机构驱动所述支架1移动，使得所述轴瓦壁厚测量计可在所述第一驱动机构(即升降气缸2)的驱动下沿垂直于所述底座的上表面的方向移动，且所述控制器接收所述轴瓦壁厚测量计的测量数据。控制器优选可以选用plc软件来实现全部控制流程。对于像轴瓦一类的圆柱形物体，一般选择轴瓦的外圆柱面作为轴瓦的定位基准，这是因为轴瓦的外圆柱面就是轴瓦的设计基准，这样就实现了基准的同一原则。此系统采用长度计3进行轴瓦厚度在线测量。采用两个定位杆对轴瓦进行定位，两个定位杆能使轴瓦的基准轴线处于两个定位杆的对称平面上，而不受定位基准误差的影响。长度计3测头与零位测头5分别与轴瓦接触进行检测，如图2所示。可选地，所述轴瓦壁厚测量计优选安装在测量架4上，包括：第一定位杆，所述第一定位杆垂直于所述底座的上表面设置；第二定位杆，所述第二定位杆平行于所述第一定位杆设置，且所述第二定位杆可沿垂直于所述第二定位杆的方向移动；零位测头5，所述零位测头5设置于所述第一定位杆朝向所述第二定位杆的一侧表面上；长度计测量头3，所述长度计测量头3设置于所述第二定位杆朝向所述第一定位杆的一侧表面上；以及数据采集设备，用于获取所述长度计测量头3的测量数据并发送至所述控制器；测量所述待测量的轴瓦的壁厚时，所述零位测头5紧贴所述轴瓦的一侧表面，所述长度计测量头3紧贴所述轴瓦的另一侧表面；所述控制器获取所述长度计测量头3的伸出长度。两测头之间无轴瓦时两测头相接触而定零位，长度计3伸出长度为零位长度x0。测量时，零位测量头与轴瓦内壁接触，长度计3测头与轴瓦外壁接触，测量位置距轴瓦上底5mm处，长度计3伸出长度为测量长度x1，则轴瓦的厚度计算公式为：x＝x0-x1此系统中必须实现轴瓦的厚度尺寸方向与长度计3测头标准量方向一致，因此在测量过程中必须保证轴瓦的厚度线与长度计3测头轴线重合。可选地，所述支架1的第一端还设置有平行导轨11和第二驱动机构(即前进气缸12)，所述支架1在所述第二驱动机构的驱动下可沿所述平行导轨11移动，使得所述支架1沿平行于所述底座的上表面的方向移动。可选地，所述轴瓦测量区的第一侧设置有导向条8，所述导向条8垂直于所述底座的上表面，所述轴瓦测量区的第二侧还设置有第三定位杆9和第三驱动机构(即定位气缸10)，所述第三定位杆平行于所述底座的上表面设置，所述第三定位杆在所述第三驱动机构的驱动下可沿平行于所述底座的上表面的方向移动。可选地，所述系统还包括处理设备，所述处理设备与所述控制器进行通信，所述处理设备从所述控制器处获取所述长度计测量头3的伸出长度，并根据所述长度计测量头3的伸出长度计3算待测量的轴瓦的壁厚。该处理设备可以优选为pc机。可选地，所述处理设备根据如下公式计算待测量的轴瓦的壁厚：x＝x0-x1其中，x为待测量的轴瓦的壁厚，x0为所述轴瓦测量区中未设置轴瓦，所述长度计测量头3和所述零度测头直接接触时，所述长度计测量头3的伸出长度值，x1为所述轴瓦测量区中设置轴瓦，所述长度计测量头3和所述零度测头分别抵触所述轴瓦的一侧表面和另一侧表面时，所述长度计测量头3的伸出长度值。具体地，采用该种轴瓦壁厚在线检测系统，测量时可以参照如下工作流程：(1)初始状态：前进气缸12缩回，系统支架1在平行导轨11上处于初始位置。升降气缸缩回，量架上升。(2)定位过程：传送装置(图1中未示出)将轴瓦移至测量区，轴瓦两边分别与导向条8接触，随后定位气缸10伸出驱动定位杆伸出，定位杆球形头压到轴瓦外表面，若轴瓦不在测量位置，在定位杆压力作用下向左或向右移动到达测量位置。如图2所示。(3)测量过程：前进气缸12伸出，推动系统支架1沿着平行轨道前进，系统支架1带动测量架向前推进，此时测量架处于被测轴瓦正上方，升降气缸伸出，测量架下降，此时轴瓦壁处于长度计测量头3与零位测头5之间，随后前进气缸12缩回，测量架也跟着缩回，这时零位测头5顶点跟轴瓦内表面紧密接触，然后测量头伸出，测量头与轴瓦外表面紧密接触。长度计3伸出长度为测量长度x1。(4)数据采集：测量准备动作完成以后plc向pc发送启动测量信号，pc将数据采集卡采集的数据记录下来并保存，随后向下位机发送测量结束信号。(5)复位过程：测量结束后，长度计测量头3缩回，前进气缸12伸出，带动测量架也向前移动，零位测头5与轴瓦内表面分离，随后，升降气缸缩回，测量架上升，长度计3测头与零位测头5之间无轴瓦，长度计3测头伸出，直接碰到零位测头5顶点，此时长度计3伸出的长度即为零位长度x0，上位机记录下长度计3数值，然后，前进气缸12缩回恢复到初始位置。最后，定位气缸10缩回，定位杆与轴瓦外表面分离，恢复到初始状态。本发明的控制部分硬件由以plc为核心的动作控制部分、以pc机和数据采集卡为核心的数据采集部分以及pc与plc的通信接口组成。各部分功能简介如下：(1)plc动作控制。plc输入端口所连接的按钮、光电传感器送来的信号，在经过内部程序运算后，经plc输出端口输出，驱动电磁阀和继电器动作，从而控制相应气缸的运行状态。(2)pc机数据采集。长度计3传来的信号传送至数据采集卡，随后数据处理软件对数据采集卡采集到的数据进行各种运算处理，其工作过程如图3所示。通信接口。plc与pc机采用基于以太网的opc进行通信，他们之间通过双绞线连接在一起。相比传统的串口通信，基于以太网的opc通信传输速度更快，也更稳定。opc通信如图4，opc是一种基于微软的com技术的工业技术规范和标准[6]。它以ole/com/dcom机制作为应用程序级通信标准，采用客户服务器模式，把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，而以opc服务器的形式提供给用户，用户可以直接通过opc服务器内数据的存取操作来实现应用程序和硬件之间的通讯。本发明中采用niopc服务器，上位机应用共享变量访问opc服务器中的数据。plc通过opc将启动测量信号传送至pc机，pc机上的软件对数据采集卡传送上来的数据进行采集，采集完成以后，将测量结束信号通过opc发送给plc。本发明实施例还提供一种轴瓦壁厚在线检测方法，采用所述的轴瓦壁厚在线检测系统，所述方法包括如下步骤：在所述轴瓦测量区中放置待测量的轴瓦；所述控制器控制所述第一驱动机构驱动所述支架1移动，使得所述轴瓦壁厚测量计移动至所述轴瓦测量区的正上方；所述轴瓦壁厚测量计对所述轴瓦的壁厚进行测量，并将测量数据发送至所述控制器。可选地，所述轴瓦壁厚测量计对所述轴瓦的壁厚进行测量，包括如下步骤：所述控制器调节所述支架1的位置，使得所述零位测头5紧贴所述轴瓦的一侧表面，所述长度计测量头3向前伸出以紧贴所述轴瓦的另一侧表面；所述控制器获取所述长度计测量头3的伸出长度。具体地，所述轴瓦壁厚在线检测方法通过plc软件和pc软件来实现。plc软件用于控制机械动作，其工作流程如图4所示。选择“手动”方式时，可手动调整各个运动件的状态，用来检查各机械动作之间是否存在干涉；选择“自动”方式时，plc将依照图示顺序依次完成相应动作。pc机软件。实现数据采集以及对数据进行处理、显示、存储等功能，其工作流程如图5所示。其计算轴瓦壁厚的过程包括如下步骤：所述轴瓦测量区中未设置轴瓦时，所述长度计测量头3和所述零度测头直接接触，所述长度计测量头3记录此时的伸出长度值x0，并发送至所述控制器；所述轴瓦测量区中设置轴瓦时，所述长度计测量头3和所述零度测头分别抵触所述轴瓦的一侧表面和另一侧表面，所述长度计测量头3记录此时的伸出长度值x1，并发送至所述控制器；所述控制器将所述伸出长度值x0和伸出长度值x1发送至所述处理设备；所述处理设备根据如下公式计算待测量的轴瓦的壁厚：x＝x0-x1；其中，x为所述待测量的轴瓦的壁厚。测量程序在labview开发完成，如图5所示。系统采用海德汉mt1287长度计进行轴瓦厚度测量，与长度计配套的采样卡是德国heidenhain公司的ik220pci卡，这块卡对长度计产生的正弦微弱电流信号进行处理，得到方波信号，经过计数器统计，再乘上适当的系数，最终输出长度计测头移动的位移量。可以从ik220pci卡驱动程序提供的接口函数获取该数值。长度计与采集卡的相关参数如表1所示。表1轴瓦壁厚检测系统设备参数现在已有的轴瓦壁厚检测机中，测量流程为：plc先控制长度计测量头伸出，测量头伸出到位，然后给上位机发送测量启动信号，上位机记录此时长度计的数值并保存。为了提高轴瓦检测速度，在plc发送给pc测量启动信号的同时，测量头伸出，由上位机程序判断长度计测头是否伸出到位，如果伸出到位，记录此时的长度计伸出数值。发送测量启动信号与测量头伸出两个过程同时进行会使整体检测速度明显加快。由于长度计精度高、相应迅速，因此怎么准确判断长度计伸出到位是一个棘手的问题。考虑到软件开发在labview上完成，本发明采用labview的延时程序，每隔50ms获取一次长度计伸出数值，将相邻两次的测量结果进行比较，如果他们的差值的小于稳定值(不能把判断条件规定为稳定值为0，那样可能永远不会满足)，并且两次的值都大于稳定下限，那么可以判定长度计伸出到位，此时触发采集程序记录长度计数值。最后对采集到的传感器数据进行处理，得到轴瓦厚度数据。本发明中测量精度误差主要来源于测量装置中的测量零点，根据上文中的测量原理可知，在测量系统中，长度计测头与零位测头的距离为一个定值，本发明中为5.2825mm，而我们所选用的海德汉mt1287长度计的精度可以达到0.2um，从理论上为我们的测量系统的精度提供了保证。为了验证轴瓦的精度，对型号为c1960l，标准厚度为2.000mm的标准轴瓦进行检测，用来验证本测试系统的测量精度。将标准轴瓦放入测试系统重复测量，表2中数据为用本测试系统测量标准轴瓦所测得的10组数据。从表2中可以看到，测得的十组数据测量重复性为0.0001，满足系统的重复性要求，测量精度误差为0.0013，满足精度误差要求。表2轴瓦厚度测量数据序号数据(mm)序号数据(mm)12.001362.001322.001172.001332.001582.001242.001492.001452.0012102.0012根据表2数据，可求得轴瓦壁厚的算术平均值为：与计量院所测结果差值为：单次测量的标准差为：取显著度α＝0.05，测量列单次测量的极限误差为：δlimx＝±tασ＝±2.09×0.00038≈±0.00079mm由此可以看出，采用本发明的轴瓦壁厚在线检测系统及方法，针对国内轴瓦壁厚检测方法落后、检测精度低、速度慢的问题，以轴瓦壁厚在线检测系统为测试平台，以轴瓦为测试对象，选择海德汉长度计，提出利用虚拟仪器平台和高速数据采集卡采集长度计数据，开发虚拟仪器软件对长度计信号进行采集，设计获取轴瓦壁厚算法，通过算法将采集到的长度计数据转化为实际轴瓦壁厚。通过对检测流程的优化以及上位机与下位机通信方式的改进，使得轴瓦壁厚在线检测速度得到了提高。最后，利用该系统对同一片轴瓦多次测量，得到测量数据并用相关算法对数据进行处理，对系统的检测精度进行验证。研究结果表明：利用此轴瓦壁厚在线检测系统检测轴瓦，该仪器检测精度为±0.78μm，检测效率为2.5s/片，满足轴瓦壁厚在线检测的相应要求。在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。当前第1页12