缸孔圓度圓柱度多截面測(cè)量方法應(yīng)用

夏良雄，劉 剛，陳明愛(ài)

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司重慶分公司，重慶401135）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)已是人們不可或缺的交通工具，發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的核心部件，其質(zhì)量要求也越來(lái)越受到人們關(guān)注。缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件，缸孔圓度圓柱度的質(zhì)量檢測(cè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能至關(guān)重要。圓度圓柱度是形位公差中的一類(lèi)，形位公差的測(cè)量在幾何量測(cè)量中占有十分重要的地位[1]，圓度圓柱度測(cè)量的準(zhǔn)確、迅速在零件加工質(zhì)量中起到很大作用。缸孔圓度圓柱度允許的公差范圍很小，雖然測(cè)量圓度的裝置較多，但適用于缸孔圓度的測(cè)量裝置較少，選用合適的檢測(cè)方法和裝置，將較大提升圓度測(cè)量的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，提高生產(chǎn)線效率和經(jīng)濟(jì)效益。本文以多截面缸孔圓度圓柱度測(cè)量?jī)x為研究對(duì)象，從設(shè)備測(cè)量缸孔的工作原理入手，優(yōu)化了多截面缸孔圓度圓柱度測(cè)量?jī)x測(cè)頭定位方法，為更準(zhǔn)確高效測(cè)量缸孔圓周圓柱度打下基礎(chǔ)。

1 缸孔圓度圓柱度主要測(cè)量設(shè)備分類(lèi)

主機(jī)廠測(cè)量缸孔圓度圓柱度的測(cè)量?jī)x主要有大圓度儀、單截面缸孔圓度圓柱度測(cè)量?jī)x、多截面缸孔圓度圓柱度測(cè)量?jī)x三類(lèi)，如下介紹：

（1）大圓度儀采用標(biāo)準(zhǔn)傳感器回轉(zhuǎn)方法來(lái)測(cè)量缸孔圓度圓柱度[2]，在測(cè)量缸孔圓度時(shí)需要調(diào)心調(diào)平以保證測(cè)量準(zhǔn)確性，而且需要建立工件坐標(biāo)系，使測(cè)量缸孔圓度效率較低。

（2）單截面缸孔圓度圓柱度測(cè)量?jī)x配備定位夾具測(cè)量，可保證測(cè)頭軸線與缸孔軸線平行，測(cè)頭上的測(cè)針可以沿測(cè)頭軸線上下移動(dòng)，該設(shè)備測(cè)量速度快，但由于需要測(cè)量多個(gè)截面，測(cè)針需要沿測(cè)頭軸線來(lái)回移動(dòng)，易造成測(cè)頭上的數(shù)據(jù)線斷裂，故障率較高。

（3）多截面缸孔圓度圓柱度測(cè)量?jī)x配備多個(gè)測(cè)針測(cè)量，可根據(jù)缸孔圓度的測(cè)量截面定制測(cè)針高度，測(cè)頭也配備有定位夾具，只需將測(cè)頭放入缸孔中則可一次完成所有截面的測(cè)量。此方案測(cè)量效率高，可避免測(cè)頭數(shù)據(jù)線因來(lái)回移動(dòng)而造成疲勞斷裂，故障率低。

如上所述，多截面缸孔圓度圓柱度儀優(yōu)勢(shì)明顯，在缸孔圓度圓柱度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛。但該設(shè)備測(cè)頭需要配置專(zhuān)門(mén)的定位夾具才能保證測(cè)量精度，我們?cè)谛马?xiàng)目中通過(guò)分析工藝圖紙優(yōu)化了測(cè)頭定位方式，從而取消測(cè)頭定位夾具，現(xiàn)在設(shè)備已正式投入使用半年，測(cè)量效果良好，極大節(jié)約成本并提升測(cè)量效率。

2 多截面缸孔圓度圓柱度儀工作原理

（1）多截面缸孔圓度圓柱度儀設(shè)備系統(tǒng)

該設(shè)備設(shè)計(jì)緊湊，夾持部件適合各種尺寸的缸體，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于震動(dòng)不敏感，適合生產(chǎn)環(huán)境下使用。軟件操作界面方便，探頭具備自動(dòng)旋轉(zhuǎn)和伸縮功能，減少了對(duì)工件的測(cè)量時(shí)間，測(cè)量軟件可以自動(dòng)對(duì)測(cè)量軸和缸孔內(nèi)壁的距離進(jìn)行修正，電腦控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)便減少了編程的難度。多截面缸孔圓度圓柱度儀實(shí)物及原理如圖1和圖2所示。

圖1 多截面缸孔圓度圓柱度儀圖

圖2 多截面缸孔圓度圓柱度儀系統(tǒng)原理圖

測(cè)量?jī)x系統(tǒng)包含主要模塊有：測(cè)頭系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（包含驅(qū)動(dòng)）、融合分配單元、輔助單元。設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，決定缸孔圓度圓柱度測(cè)量精度的主要部件是測(cè)頭系統(tǒng)，測(cè)頭的結(jié)構(gòu)及其定位方式對(duì)測(cè)量結(jié)果至關(guān)重要。

（2）測(cè)頭結(jié)構(gòu)及原理

多截面缸孔圓度圓柱度測(cè)頭上做了設(shè)計(jì)革新，將多個(gè)測(cè)頭和傳感器固定在一根主軸上，按測(cè)量要求設(shè)計(jì)好每相鄰傳感器之間的間距，通過(guò)電路控制各個(gè)測(cè)頭和傳感器達(dá)到多截面同時(shí)測(cè)量圓度的目的。如圖3測(cè)頭系統(tǒng)共包含5個(gè)針尖，每個(gè)針尖后方對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器，分別距離上頂面10 mm、35.6 mm、60 mm、90 mm、110 mm，測(cè)量過(guò)程中5個(gè)針尖同時(shí)繞中軸線旋轉(zhuǎn)，可一次性完成缸孔五個(gè)截面的圓度和圓柱度測(cè)量。

圖3 測(cè)頭結(jié)構(gòu)圖

圖4是測(cè)頭放入缸孔時(shí)5個(gè)傳感器的量程示意圖，此時(shí)傳感器處于受力狀態(tài)，傳感器理論值為1 mm，量程范圍為±0.5 mm，旋轉(zhuǎn)一周時(shí)其允許的缸孔直徑變化為±1 mm.傳感器通過(guò)缸孔圓周的狀態(tài)，將電信號(hào)反饋控制系統(tǒng)計(jì)算測(cè)量值。

圖4 測(cè)頭傳感器感應(yīng)圖

（3）夾具設(shè)計(jì)

多截面缸孔圓度圓柱度測(cè)量?jī)x配備有專(zhuān)門(mén)的定位夾具，如圖5所示。夾具中間的四個(gè)孔與缸體四個(gè)缸孔一一對(duì)應(yīng)，夾具上有兩個(gè)定位銷(xiāo)與缸體的399面配合使得每次裝夾的位置唯一，測(cè)頭通過(guò)夾具放入缸孔，再通過(guò)夾具上的旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)鎖固定，可以保證圓度儀測(cè)頭軸線與缸孔軸線平線，從而達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量的目的。

圖5 多截面缸孔圓度圓柱度儀夾具

3 多截面缸孔圓度圓柱度儀測(cè)頭定位優(yōu)化

因?yàn)樵O(shè)備測(cè)頭需要配置專(zhuān)門(mén)的定位夾具才能保證測(cè)量精度，增加了夾具成本和人工操作工時(shí)，如果能夠改變測(cè)頭的定位方式從而取消測(cè)頭定位夾具，可以極大節(jié)約成本并提升測(cè)量效率。通過(guò)分析工藝圖紙，發(fā)現(xiàn)缸孔的頂部有一個(gè)小的倒角可以用來(lái)定位，而且在精加工階度缸體的399面與缸孔垂直度為0.05 mm，如果通過(guò)倒角和399面同時(shí)定位，可以滿足缸孔圓度的測(cè)量要求。如圖6倒角參數(shù)為：

角度：20°±1°

深度：0.7mm（0，-0.04mm）

圖6 四缸直列缸體缸孔頂部倒角

如圖7的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)在測(cè)頭與缸體的結(jié)合處設(shè)計(jì)一個(gè)高0.7mm、角度為20°的錐角，優(yōu)化了測(cè)頭定位方式，靠測(cè)頭的自重定位，不需要專(zhuān)門(mén)的測(cè)頭定位夾具，此方案通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)功能試驗(yàn)，與缸體配合良好，能夠滿足測(cè)量需求。

圖7 改進(jìn)后的測(cè)頭定位方式

4 測(cè)頭定位優(yōu)化后測(cè)量系統(tǒng)分析

測(cè)頭定位優(yōu)化后可以依靠測(cè)頭的自重和錐角定位，不需要再使用專(zhuān)門(mén)的測(cè)頭定位夾具，由于測(cè)頭定位方式發(fā)生改變形成了新的測(cè)量系統(tǒng)，需要對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性和重復(fù)性分析，以保證新測(cè)頭定位方法可正常投入使用，下面是驗(yàn)證新測(cè)頭定位方式穩(wěn)定性和重復(fù)性而開(kāi)展Type1和Type2的具體方法[3]。

（1）準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性分析（Type1）

準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性分析采用設(shè)備配的專(zhuān)用的內(nèi)圓柱，共測(cè)量指定的5個(gè)截面圓度和整體圓柱度，主要輸出和兩個(gè)參數(shù)，當(dāng)兩者都大于等于1.67時(shí)，該新的測(cè)量系統(tǒng)可接受。其中Sg是標(biāo)準(zhǔn)差，代表數(shù)據(jù)的離散程度，RF代表零件的公差，缸孔圓度公差為0.005 mm.

開(kāi)展方法為連續(xù)測(cè)量設(shè)備配備的專(zhuān)用的內(nèi)圓柱（已知名義值）50次，得到50遍的數(shù)據(jù)，按照上述兩個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算，得到和值，如圖8的分析結(jié)果：

圖8 測(cè)頭新定位方式Type1分析結(jié)果

如上圖分析結(jié)果，6個(gè)參數(shù)的和值均大于1.67，準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性通過(guò)。

（2）重復(fù)性和再現(xiàn)性分析（Type2）

重復(fù)性和再現(xiàn)性分析應(yīng)用于存在人為因素影響的測(cè)量系統(tǒng)，可以評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性（%R&R），本次的Type2方法采用：2個(gè)操作人員（k），每人對(duì)每個(gè)工件測(cè)量3次（r），至少測(cè)量5個(gè)工件（n），即 k·r·n=30；共輸出 30 組測(cè)量數(shù)據(jù)。按照重復(fù)性和再現(xiàn)性方差分析法的計(jì)算方法，由電腦計(jì)算得出%R&R值，如圖9所示。

如圖9的測(cè)量結(jié)果，6組參數(shù)的R&R值均小于20%，符合新測(cè)量系統(tǒng)要求，重復(fù)性和再現(xiàn)性分析通過(guò)。

5 結(jié)論

本文以多截面缸孔圓度圓柱度測(cè)量?jī)x為研究對(duì)象，分析和介紹了該儀器測(cè)量缸孔的工作原理，根據(jù)測(cè)量?jī)x常出現(xiàn)的問(wèn)題優(yōu)化了設(shè)備測(cè)頭的定位方法，通過(guò)MSA測(cè)量系統(tǒng)分析了測(cè)頭新定位方式測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，符合使用要求。此測(cè)頭新定位方式已投入使用近半年，測(cè)量效果良好，能夠滿足測(cè)量要求，極大的節(jié)約了成本和提升效率，使缸孔圓度圓柱度多截面測(cè)量更準(zhǔn)確高效。

圖9 測(cè)頭新定位方式Type2分析結(jié)果