1、海納百川 有容乃大活塞環(huán)梯形角度測量儀設(shè)計(jì) 姓 名：李洋 學(xué) 號(hào)：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(jì)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(jī)油環(huán)。壓縮環(huán)可用來密封燃燒室內(nèi)的壓縮空氣；機(jī)油環(huán)則用來刮除汽缸上多余的機(jī)油?；钊h(huán)是一種具有較大向外擴(kuò)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(yùn)動(dòng)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(gè)側(cè)面之間形成密封。 活塞環(huán)作用包括密封、調(diào)節(jié)機(jī)油（控油）、導(dǎo)熱（傳熱）、導(dǎo)向（支承

2、）四個(gè)作用。 密封：指密封燃?xì)?，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(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力下降，而且會(huì)使機(jī)油變質(zhì)，這是氣環(huán)的主要任務(wù)； 調(diào)節(jié)機(jī)油（控油）：把氣缸壁上多余的潤滑油刮下，同時(shí)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(dòng)機(jī)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(rèn)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(yùn)動(dòng)，降低摩擦阻力，而且防止活塞敲缸。一般汽油

3、發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞采用兩道氣環(huán)，一道油環(huán)，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)則采用三道氣環(huán)，一道油環(huán)。 作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，活塞環(huán)的形狀對內(nèi)燃機(jī)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(gè)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(dòng)機(jī)功率下降且容易發(fā)生燒機(jī)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(jìn)設(shè)計(jì)一種檢測系統(tǒng)活塞環(huán)梯形角度測量儀。二·設(shè)計(jì)目的及技術(shù)指標(biāo) 1.設(shè)計(jì)目的 本次設(shè)計(jì)課題為活塞環(huán)梯形角度測量儀的設(shè)計(jì)，其目的如下： a、鞏固所學(xué)傳感器、檢測技術(shù)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)、

4、機(jī)械制圖、公差 分析等相關(guān)知識(shí)； b、培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)課程和知識(shí)的能力； c、培養(yǎng)獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力； d、初步掌握儀器設(shè)計(jì)的基本方法和步驟。 2.主要技術(shù)指標(biāo) 被測梯形活塞環(huán)的截面圖如下圖所示： 其技術(shù)指標(biāo)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(xiàng)） 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(dòng)測量，也可以是單點(diǎn)或多點(diǎn)手動(dòng)測量3.任務(wù)要求 本課程設(shè)計(jì)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(xiàng)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(hào)或1號(hào)圖紙） 不要求所有的結(jié)構(gòu)都詳細(xì)設(shè)計(jì)，但至少要能表達(dá)儀器的工作原理，要求標(biāo)注出主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)、零件序號(hào)及零件名稱。 c.零件圖5張及以上（圖號(hào)不限）要求標(biāo)注所有的尺寸、公差及技術(shù)要求； d.設(shè)計(jì)說明書一份（5000字以上，五號(hào)或小四號(hào)字）儀器概述，儀器工作原理設(shè)計(jì)說明，儀器傳感器及基準(zhǔn)的選擇及工作原理，儀器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定和計(jì)算，儀器精度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對與之配合的電氣和計(jì)算機(jī)部分的要求說明等。三·設(shè)計(jì)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(diǎn)法，多點(diǎn)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(diǎn)法和多點(diǎn)法屬于間接測量法。本儀器選取多點(diǎn)測量法為測量原理。 所謂多點(diǎn)法就是測量多個(gè)點(diǎn)，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(gè)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(shí), 首先用壓板壓緊被測工件梯形活塞環(huán), 然后由步進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精密絲桿帶動(dòng)空氣靜壓導(dǎo)軌和工作臺(tái)自左向右移動(dòng)。臺(tái)架上固定的電渦流傳感器同時(shí)對活塞環(huán)的上、下側(cè)面進(jìn)行掃描測量, 并由水平光柵位移傳感器記錄橫向位移。計(jì)算機(jī)對測量信號(hào)進(jìn)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(hào)采樣完成后, 導(dǎo)軌退回到起始位置, 同時(shí)計(jì)算機(jī)對所采樣信號(hào)進(jìn)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(jìn)行輸出和打印。對于不同厚度的環(huán), 由步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)上傳感器來實(shí)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(jìn)電機(jī)等。下面將逐一進(jìn)行分析。 a.傳感器 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)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(diǎn)： （1）電容傳感器一般量程都小于1mm。精度能達(dá)到納米級(jí)。一般用于厚度測量，要先對被測體的導(dǎo)電性進(jìn)行標(biāo)定再進(jìn)行測量。響應(yīng)頻率幾KHz-幾十KHz不等。但只能在實(shí)驗(yàn)室或者精密的生產(chǎn)線上進(jìn)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(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)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(jí)，精度一般是微米級(jí)。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(shí)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(qiáng)特點(diǎn),其分辨率達(dá)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等特點(diǎn)。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(huì)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(qiáng)、耐磨、運(yùn)動(dòng)靈活、運(yùn)行精度高等特點(diǎn)。 c. 精密絲桿 為了實(shí)現(xiàn)將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳第給氣浮導(dǎo)軌使之作平穩(wěn)的水平運(yùn)動(dòng)，我們采用精密絲桿副作為傳動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的新型傳動(dòng)裝置。在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時(shí)形成了螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。當(dāng)絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩者發(fā)生軸向位移，而滾珠則沿著滾道滾動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，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(jìn)電

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

12、變成數(shù)字信號(hào) ,輸入到微機(jī)中 ,進(jìn)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(hào)不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是信息輸入通道。同時(shí)，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(hào)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(dāng)然還有一些其他要求，如量程和經(jīng)濟(jì)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(jì)中，采用計(jì)算機(jī)對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；

13、D/ A轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的模擬信號(hào)。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(gè)傳感器本身帶來的隨機(jī)誤差為1=±0.2um。其在水平方向的誤差分量經(jīng)過計(jì)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(shí)際的測量中采用的是多點(diǎn)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(jì)算而得，所以由于傳感器得示值誤差引起的誤差要小于計(jì)算值。2.導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)直線度誤差 空氣靜壓導(dǎo)軌的實(shí)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(shí)，工作臺(tái)行程只有23mm所以由于導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)直線度對角度測量的影響比這個(gè)要小。3.導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)軸線與光柵傳感器測桿軸線的平行度誤差和導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)軸線與電感位移傳感器測桿軸線的垂直度誤差 兩項(xiàng)誤差源可造成二維測量坐標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)件和調(diào)整附件進(jìn)行調(diào)整標(biāo)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(shí)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(jì)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(jì)的忽略不計(jì)。所以這項(xiàng)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(huì)給測量帶來誤差，主要有以下幾項(xiàng)： a.由于工件變形，基面不平整，每次安裝時(shí)，壓緊的情況都不一致，都會(huì)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(xiàng)誤差。只有在多次安裝測量下才會(huì)產(chǎn)生。 b.每次安裝由于調(diào)整步進(jìn)電機(jī)位置，即測量點(diǎn)起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置都會(huì)有變化，又因工件表面有波度，因此測量值也會(huì)有變化。 c.上下測頭位置不重合，在正、反安裝工件時(shí)，也會(huì)因波度影響而測的值不一致。 d.定位基準(zhǔn)不平行，正、反安裝時(shí)，測量同一錐角，因其定位面不同而引進(jìn)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(shí)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(dòng)等各種環(huán)境因素都是惡劣的。 a.溫度對測量的影響 實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，角度會(huì)略微升高。可以通過軟件把此項(xiàng)誤差彌補(bǔ)掉。 b.振動(dòng)對測量的影響 振源主要來自水平步進(jìn)電機(jī)。因此首先要減小步進(jìn)電機(jī)本身的振動(dòng)，主要措施是：采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(jī)的振動(dòng)外，還通過使用彈性連軸器、在電機(jī)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(dòng)。 雖然采取了諸多減小振動(dòng)的有效措施，但畢竟不能完全消除振動(dòng)。為了不影

17、響測量的精度結(jié)果，采用延時(shí)采集的方法。即在掃描測量時(shí)，在電機(jī)運(yùn)行后，不立即采集，而是待振動(dòng)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(dòng)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(jì)要求。五·總結(jié) 1.設(shè)計(jì)總結(jié) 本次梯形活塞環(huán)角度測量儀的設(shè)計(jì)，本人是從以下幾個(gè)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(diǎn)發(fā)和多點(diǎn)法)確定用多點(diǎn)法來測量，即采用掃描測量法。用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測的精度高，準(zhǔn)確性好，可以更詳

18、細(xì)、更真實(shí)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(shí)現(xiàn)方法。整臺(tái)儀器以計(jì)算機(jī)為核心。一方面，從計(jì)算機(jī)中發(fā)出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)和上傳感器的垂直運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)掃描測量；另一方面，從三個(gè)傳感器中的非電量信號(hào)通過放大電路變成電壓信號(hào)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡AD轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，輸入到計(jì)算機(jī)機(jī)中，通過軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，雖后得出梯形角。 c.根據(jù)具體的實(shí)現(xiàn)方法，把測量儀分為主要三個(gè)部分來完成。它們分別是機(jī)械部分、電氣部分和軟件部分。機(jī)械部分主要功能是給測量提供一個(gè)工作臺(tái)面：完成活塞環(huán)的裝夾、定位和拆卸；完成三個(gè)傳感器的定位和固定；電機(jī)的固定和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的