一種棱邊共面度氣動測量系統的設計

劉軍， 徐澤敏

（北京航天控制儀器研究所，北京100854）

0 引言

伺服閥是大量應用于航空、航天、航海等領域航行控制的電液伺服控制系統中的關鍵元件，滑閥偶件則是伺服閥的核心零件［1］，如圖1所示。為提高伺服閥的使用性能，需要對影響伺服閥性能占主要因素的滑閥節流棱邊加工質量的保證與檢測技術進行深入研究。

圖1 滑閥組成示意圖

由于滑閥偶件的工作特點，對滑閥節流窗口開啟和關閉時的一致性要求很高，以保證伺服閥的控制精度，設計上對滑閥閥套節流窗口的工作棱邊有共面度的要求。如圖2所示，滑閥閥套圓周上共有四組節流窗口，每組節流窗口是由均勻分布在同一圓周上的4個矩形窗口所組成，每組節流窗口的工作邊應在同一橫截面上。同組窗口的節流棱邊偏離此同一橫截面的誤差稱為共面度誤差。如果將閥套內孔按周向展開成平面，取其中的一組節流窗口，在周向 0°、90°、180°、270°位置上共有四個窗口，如圖3所示。如果以I-I橫截面作為基準面（一般可選在4個節流窗口工作邊最低的一邊），則用I-I橫截面比較各棱邊邊的位置誤差有Δ90、Δ180和Δ270（認為Δ0=0）。取其中的最大誤差Δmax作為節流棱邊共面度誤差值，記為δ，設計上一般要求 δ≤2～3μm。

圖2 滑閥節流窗口結構示意圖

圖3 滑閥節流棱邊共面度誤差

目前，滑閥閥套生產中多采用立式光學比較儀，將閥套垂直套在特制的芯軸上，旋轉測量進行比較［2］。然而，這種光學測量法并不能反映出真正的閥套節流棱邊，而且對于手工研磨造成棱邊的塌邊圓角反映到共面度指標上的幾何誤差，也無法通過光學法測得，因而，該方法只是一種近似測量。此外，該方法自動化程度較低，讀數容易受到人為因素的影響，使得測量精度很難滿足生產要求，因此研究一種適合于生產現場使用的高精度滑閥節流棱邊共面度自動測量方法和裝置顯得尤為重要。

1 節流棱邊共面度誤差的測量方法

1.1 氣動測量方法的提出

考慮到滑閥節流棱邊為功能性棱邊，其幾何精度要求很高，且要求保持尖邊銳緣［3］，在測量過程中不能劃傷被測閥套的棱邊和表面，需要采用非接觸式測量。此外，由于伺服閥滑閥結構復雜，加工精度高，要求采用高分辨率的測量方式。因而本文提出采用差壓式氣動測量方法實現節流棱邊共面度誤差的自動化測量。

1.2 測量原理

滑閥在實際工作過程中，閥芯和閥套所形成的節流窗口可以簡化為噴嘴蓋板結構模型。通過設計合適的測頭與被測閥套進行配合，使測頭和被測閥套的節流棱邊形成一種噴嘴蓋板測量機構，這種測量方式符合滑閥的實際工況。如圖4所示，氣動定值器穩壓后壓力為Pg的氣體經過噴嘴節流孔，再通過噴嘴蓋板測量機構逸入大氣，大氣壓力為P0，則背壓Pc的大小將隨著測頭和被測閥套節流邊所形成的方孔開口量x的大小變化而變化，其中B為開口寬度，一般為常數。

圖4 節流棱邊的氣動測量原理

測量過程中，選擇合適的Pg值，使Pg<1.89Pc且Pc<1.89P0，則所形成的噴嘴蓋板測量機構中節流孔和噴嘴的氣體流速均處于亞音速流動狀態［4］，關系式為

式中α是與噴嘴結構參數和氣體特性等相關的系數，在一定條件下認為是常數。其Pc-x壓力特性曲線如圖5所示，可以看出Pc與開口量大小x并非是具有理想的線性特性，但是在Pc=0.75Pg處有一個拐點，拐點附近一段曲線可以看作為直線，在實際測量過程中，需要通過系統標定，將噴嘴蓋板機構的Pc-x壓力特性曲線描繪出來，將其中的線性較好的區間取出來，擬合成直線，然后在這個線性測量區域進行節流邊共面度的氣動測量和計算，從而避開閥套節流棱邊壓力特性的小開口非線性區。

1.3 共面度誤差氣動測量與計算方法

采用差壓式氣動測量方法是通過測量差壓反映出噴嘴蓋板閥口通流截面的開口大小。被測閥套中四組節流棱邊分別進行測量，通過設計合理的專用測頭，使其在被測閥套中能夠軸向運動和周向轉動，當測量其中某一組節流棱邊時，測頭同該組的一個節流口形成噴嘴蓋板機構，同時封閉另外三個節流口，獲取該處的測量壓力值，然后周向轉動90°，則測頭與該組中的另一個節流口形成噴嘴蓋板機構，相應地封閉另外三個節流口，依次旋轉進行測量，如圖6所示，即可獲得該組節流棱邊四個位置處的對應測量壓力值。由于在線性工作區中，測量壓力Pc的大小實際上是與軸向開度x一一對應，且具有很好的線性關系，則x=Pc/k，k值可以通過系統標定得出，則通過四個測量壓力可以計算出該組四個節流棱邊相對于同一基準面Ⅰ-Ⅰ的位置偏差x1、x2、x3和x4，根據節流棱邊共面度誤差的定義，即可計算得到共面度誤差值 δ=max｛x1，x2，x3，x4｝-min｛x1，x2，x3，x4｝，即

其中ΔP是同組節流棱邊測量時四個測量壓力之間的最大差值。被測閥套的另外三組節流棱邊共面度誤差可以通過相同的方法進行測量和計算。

圖6 共面度誤差的氣動測量示意圖

2 共面度誤差測量系統設計

設計了一種差動式橋式測量氣路，將兩個背壓式氣動測量氣路組合在一起，一路作為測量氣路，一路作為調零氣路，它們共用一個氣動定值器，系統工作壓力Pg相等，采用差壓式壓力傳感器測量兩個氣路之間的壓差，測量開始時，將調零氣路通過后置節流閥調整到某一固定值，由于氣源壓力波動對于兩個氣路的影響是相同的，而測量采集的壓差ΔP是由兩個氣路背壓之差，則氣源壓力波動的影響被抵消掉，因此在很大程度上減小了Pg的變化而實際測量結果的影響，有效地提高了節流邊共面度測量精度。整個系統測量氣路如圖7所示。

圖7 測量系統氣路組成示意圖

測量過程中，由測量氣路流出的壓縮空氣進入電磁閥，并由電磁閥控制氣路的轉換。由于滑閥閥套節流窗口的工作邊位置的特殊性，測頭上需要設置兩組輔助蓋板，其中，左蓋板用于測量第1組和第3組滑閥閥套節流窗口，右蓋板用于測量第2組和第4組滑閥閥套節流窗口。當測量第1組時，測頭處于圖示位置，此時第一組的0°節流窗口與測頭形成噴嘴擋板機構，其它三個節流口被封閉，而且第四組節流窗口也同時被封閉，則電磁閥1導通，電磁閥2關閉時，測量氣體只能通過所形成的噴嘴蓋板機構然后經過左邊的出氣口逸入大氣，然后旋轉測頭到相應位置，按測量原理合理控制電磁閥1和電磁閥2的關斷和導通，依次進行測量，即可以測量和計算得到閥套節流邊共面度誤差。

3 實驗研究與分析

3.1 測量系統標定與測量區間的確定

根據壓力式氣動測量原理，測量系統實際使用之前必須進行標定并確定線性測量工作區間，采用某伺服閥生產廠家提供的一組滑閥副，對其中一組節流棱邊進行了壓力特性實驗。實驗條件為：Pg設定為90 kPa，調零氣路和測量氣路的前置節流孔孔徑為1 mm，調節調零氣路的節流閥使調零氣路的背壓Pc1=50 kPa。然后由軸向微位移驅動機構帶動測頭運動，從而調節測頭與被測節流棱邊所形成的噴嘴的開口度，采集測量差壓壓力值Pt和測頭位移值x，然后采用四次多項式擬合方法得到其壓力特性Pt-x曲線如圖8所示。

由壓力特性Pt-x曲線可知，當Pt處于-15～25 kPa的區域時，壓力特性曲線的線性度較好，且測量范圍也足夠寬，選取該區域的15個測量點，采用最小二乘線性擬合方法將其擬合為直線，作為實際的線性測量區域，如圖9所示，擬合直線的斜率k=-0.273 88 kPa/μm，則一組節流棱邊的共面度δ=ΔPt/0.273 88。

圖8 測量系統的標定與計算

圖9 測量系統的線性工作區擬合

3.2 節流邊共面度測量實驗與結果分析

采用與測量系統標定和線性測量區間確定相同的實驗條件。利用軸向微位移驅動機構推動測頭到合適的軸向位置，使之與閥套上第一組節流窗口的某一工作邊（0°工作邊）形成噴嘴-擋板機構，且調節其開口使得Pt為13.60 kPa左右，然后通過周向旋轉驅動機構帶動測頭做周向旋轉90°，采集差壓Pt值，然后再依次旋轉到180°和270°處進行測量，即可得到四個節流棱邊處測量的Pt值，依次分別記為 Pt1，Pt2，Pt3，Pt4。其他三組節流窗口采用相同的方法進行測量。根據所測得的差壓值Pt，計算出各組節流邊測量時的測量差壓的最大差值ΔPt=Ptmax-Ptmin，然后根據上述的節流棱邊共面度計算公式就可以計算出各組節流棱邊的共面度誤差值，實驗結果見表1。

表1 共面度誤差的測量與計算數據

節流邊共面度測量系統采用了差動橋式氣路，氣源壓力波動對測量結果幾乎沒有影響。此外，測量過程中是根據各組節流邊處所測得的四個差壓值的最大差值進行共面度誤差計算，屬于相對測量，一些因素對于測量結果的影響在計算過程中被相互抵消掉。而且所選取的實際測量區間線性度很高，分析可知壓力傳感器重復性精度和差壓壓力示值誤差對于整個測量結果影響最大，而測量系統的壓力測量誤差不大于0.10 kPa，則節流邊共面度測量誤差Δ＜0.10/0.27388=0.365μm，因此節流邊共面度測量系統的測量誤差不超過0.5μm，完全可以滿足實際測量需要。

4 結論

1）針對目前伺服閥生產工藝中的滑閥閥套節流棱邊共面度測量精度低和自動化程度低的問題，提出了一種基于差壓式氣動測量的閥套節流棱邊共面度測量方法。

2）研制了滑閥閥套節流棱邊共面度的自動化氣動測量系統，通過實驗分析和最小二乘線性擬合方法確定了該測量系統的線性工作區。

3）采用某型號伺服閥滑閥閥套，進行了四組節流棱邊共面度的測量實驗，驗證了壓力式氣動法測量節流邊共面度的合理性和測量系統的可靠性，實驗和分析結果表明，測量系統的測量誤差不超過0.5μm，該方法能夠很好地滿足伺服閥生產廠家節流棱邊共面度實際測量的精度要求。

4）基于差壓式氣動測量原理的共面度測量方法簡單易行，精度高，便于實現自動化測量，也可以很方便地推廣應用于其它類型閥或零件的形狀位置誤差的測量。

［1］ 方群,黃增.電液伺服閥的發展歷史、研究現狀及發展趨勢［J］.機床與液壓，2007，35（11）：162-165．

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