СПОСОБ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ПОРШНЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CONTROL METHOD OF SHAPE OF PISTONS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ относится к области технических измерений и может быть использован при контроле формы поршней на кругломере с образцовым вращением шпинделя.
Известен способ контроля наружного профиля поршня посредством прибора модели 6037М, изделия завода "Калибр", г.Москва (Паспорт 6037М.00.000.ПС, 1988 г.), позволяющий с помощью измерительной скобы, оснащенной датчиком, контролировать поперечное сечение поршня по радиусу и продольное сечение по диаметру, при этом центрирование изделия относительно оси вращения стола, установка заданного направления отверстия под поршневой палец, вращение стола и перемещение скобы вдоль оси стола по направляющим осуществляются вручную. Указанный способ обеспечивает низкую производительность и невысокую точность контроля, что является недостатком.
Известен также способ контроля поверхностей вращения, в том числе поршней, с помощью прибора MMQ400 германской фирмы Mahr (см. Общий каталог 2007 г., стр.17-13). Способ требует меньших затрат ручного труда оператора и более производителен, чем предыдущий, так как вращение стола и перемещение контролирующего датчика выполняются с помощью приводов, центрирование поршня относительно оси вращения стола осуществляется с использованием приводов смещения стола относительно центра вращения и приводов наклона плоскости стола. При этом центрирование осуществляется поэтапно, с неоднократно повторяющейся промежуточной операцией контроля выбранного сечения и определения параметров центровки, что также снижает производительность. Кроме того, установка заданного направления отверстия под поршневой палец осуществляется по сигналу контролирующего датчика в момент механического контакта его наконечника с кромкой отверстия, что может повредить датчик, либо способствовать ускоренному износу наконечника. Отметим, что контроль продольного сечения поршня только по радиусу в данном способе предъявляет повышенные требования к параллельности линии перемещения контролирующего датчика относительно оси вращения стола.
Известен также способ измерения поверхностей вращения на кругломере, патент РФ №2243499, БИПМ №36, 2004 г. (прототип), в котором находят радиусы точек профиля изделия, проводят гармонический анализ совокупности найденных радиусов, определяют эксцентриситет центров средней окружности изделия и оси вращения кругломера, вносят в радиусы найденных точек профиля изделия корректирующую поправку в виде суммы первой гармоники и дополнительного отклонения. При этом дополнительное отклонение определяется из гармонического анализа уравнения эксцентричной средней окружности в виде разности значения амплитуды второй гармоники и собственно второй гармоники.
Упомянутый способ повышает точность при контроле поперечного сечения тел вращения на кругломере и повышает производительность, не требуя предварительной точной центровки детали относительно оси вращения стола.
В то же время этот способ не дает заметных погрешностей лишь при малых отклонениях профиля сечения от окружности, а наличие неучтенного в способе возможного смещения измерительной оси датчика относительно оси вращения стола приводит к снижению точности измерений, что является недостатком. Кроме того, контроль сечения через радиусы, соединяющие точки профиля с осью вращения кругломера, по сравнению с контролем профиля относительно центра его средней окружности, приводит к дополнительным погрешностям, особенно заметным при сочетании относительно небольших диаметров контролируемых сечений со значительными некруглостями, эксцентриситетами и величинами смещений измерительной оси датчика.
Поршни двигателей внутреннего сгорания в поперечном сечении имеют овальную форму с заданной некруглостью до нескольких сотен микрометров, что приводит к появлению заметных погрешностей при контроле известным способом. Следует также отметить, что упомянутый способ не предназначен для контроля формы поршней, для которых необходима начальная установка направления отверстия под поршневой палец.
Известно устройство для реализации способа Talyrond 31С, предназначенное для контроля поверхностей тел вращения, производство фирмы Taylor Hobson, Великобритания, конструкцией которого предусмотрен контроль профиля сечения по радиусу с помощью датчика, перемещающегося параллельно оси вращения стола с высокой степенью точности. Аналогичным образом выполнена и конструкция вышеупомянутого прибора германской фирмы Mahr, еще более сложного вследствие наличия четырех дополнительных приводов центровки, а также кругломера измерительной системы для контроля тел вращения БВ-2045, выпускаемой ОАО "НИИизмерения ", см. каталог 2008 г. "Средства контроля размеров и формы изделий" и др. Поэтому упомянутые устройства требуют тщательной юстировки параллельности траектории перемещения датчика и оси вращения стола, а также положения измерительной оси датчика. Отмеченные особенности конструкции усложняют и удорожают устройства и их обслуживание, ограничивая условия эксплуатации условиями специализированных измерительных лабораторий. Кроме того, эти устройства не предназначены для контроля поршней и не обеспечены возможностью автоматической установки заданного направления отверстия под поршневой палец, кроме MMQ400 с его особенностями, отмеченными выше.
Известно устройство "Прибор для контроля наружного профиля поршня", модель 6037М, изделие з-да "Калибр" (прототип) для реализации способа, состоящее из стола со шпинделем образцового вращения, измерительной скобы, позволяющей с помощью датчика контролировать поперечное сечение поршня по радиусу в режиме фиксированной скобы и продольное сечение по диаметру в режиме "плавающей скобы", допускающее не строго параллельное перемещение контролирующего датчика относительно оси вращения шпинделя и возможность эксплуатации в цеховых условиях. При этом центрирование поршня относительно оси вращения шпинделя, сам процесс вращения, перемещение измерительной скобы вдоль оси вращения шпинделя по направляющим и установка заданного направления отверстия под поршневой палец осуществляются вручную.
Недостатками устройства являются низкая производительность, невысокая точность и трудоемкость процесса центрирования.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении точности контроля поверхности тел вращения, в том числе поршней, при высокой производительности, снижении требований по точности изготовления элементов конструкции и по точности юстировки осей устройства, а также возможности эксплуатации реализующего способ устройства в цеховых условиях.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе контроля формы поршней, в котором устанавливают поршень на стол без точной центровки относительно оси вращения шпинделя, находят по направлению отверстия под поршневой палец посредством вращения шпинделя его начальное угловое положение, с помощью контролирующего датчика определяют координаты точек профиля поперечного сечения относительно оси вращения по радиусу и профиль продольного сечения по диаметру, проводят гармонический анализ совокупности найденных координат точек профиля поперечного сечения, определяют эксцентриситет центров средней окружности изделия и оси вращения шпинделя и его фазу, предварительно определяют смещение В измерительной оси контролирующего датчика относительно оси вращения шпинделя, находят начальное угловое положение шпинделя по сигналу с оптического датчика положения отверстия под поршневой палец, рассчитывают с учетом смещения эксцентриситет Е и его фазу ϕ по формулам:
0
1
0
1
0
2
2
1/2
Е=АА/(А +В), ϕ=ϕ+arctg(В/А),
0
1
1
где А - амплитуда нулевой гармоники, А, ϕ - коэффициенты, полученные в результате гармонического анализа совокупности найденных координат точек профиля выбранного сечения,
рассчитывают с учетом смещения и результатов гармонического анализа радиусы, соединяющие точки профиля выбранного поперечного сечения с центром средней окружности в функции угла поворота шпинделя, приводят полученные радиусы к угловой координате профиля сечения, по эксцентриситетам и начальным фазам профилей двух выбранных сечений определяют положение оси поршня относительно оси вращения шпинделя, рассчитывают отклонения центров средних окружностей профилей других сечений относительно оси поршня, уточняют профиль продольного сечения с учетом положения оси поршня.
Кроме того, поставленная техническая задача решается также тем, что известное устройство, содержащее стол с приводом образцового вращения, измерительную скобу, выполненную с возможностью контроля с помощью датчика профиля поперечного сечения тел вращения по радиусу и продольного сечения по диаметру, платформу с приводом перемещения вдоль оси вращения стола, компьютер, оснащенный устройствами управления приводами и первым информационным входом, соединенным с выходом датчика, дополнительно снабжено установленным на скобе оптическим датчиком углового положения оси отверстия под поршневой палец, скоба связана с платформой, при этом выход оптического датчика подключен ко второму информационному входу компьютера.
Теоретическое обоснование заявленного способа заключается в следующем.
Согласно схеме измерения фиг.1 совокупность радиусов R(φ), соединяющих точки профиля поперечного сечения с центром О1 эксцентричной средней окружности профиля, при известных Е и ϕ можно определить в функции угла поворота шпинделя φ через координаты А(φ), контролируемые смещенным на величину В датчиком, по формуле (1):
При определении Е и ϕ известными способами не учитывается возможное смещение В измерительной оси контролирующего датчика, поэтому их значения требуют уточнения. Кроме того, при значительных заданных некруглостях, характерных для поршней, появляются дополнительные погрешности в определении Е и ϕ вследствие отличий спектра разложения на гармоники координаты А(φ) от спектра гармоник истинной формы сечения R(θ), где θ - угловая координата профиля сечения. Моделирование показало, что эти отличия могут быть представлены в форме взаимных искажений соседних гармоник разложения по амплитуде и фазе.
c
б
Из схемы фиг.1 следует, что координата X(φ) децентрованной средней окружности радиуса R описывается точным уравнением (2):
или ее приближенным эквивалентом (3):
0
б
1M
0
2M
0
2
2
2
1/2
2
2
1/2
2
где X=(R -В-Е/2); X=[Е+(ВЕ/Х)]; X=Е/(4Х);
1
0
φ=ϕ-arctg(B/X).
0
0
1М
1М
1
1
0
1М
1
Для случая малых отклонений профиля сечения от средней окружности обычно принимают А=Х, А=Х, ϕ=φ, где А - амплитуда нулевой гармоники разложения А(φ), А, ϕ - амплитуда и начальная фаза первой гармоники. При этом получаются следующие выражения для эксцентриситета и его начальной фазы, уточненные с учетом смещения В:
Последние выражения получены для малых отклонений профиля от круглости и не учитывают отличия спектра разложения А(φ) от спектра истинного профиля R(θ). При наличии значительных по амплитуде гармоник в спектре истинного профиля R(θ) эти отличия можно описать в форме искажающего влияния соседних гармоник разложения А(φ) друг на друга. Математическое моделирование процесса контроля сечений с заданными существенными отклонениями от круглости по схеме фиг.1 показало, что амплитудно-фазовые искажения первой гармоники разложения, которая используется для нахождения эксцентриситета Е децентрованной средней окружности, определяются главным образом второй гармоникой профиля сечения. Высшие гармоники (k>2) вносят в процесс измерения меньшие погрешности и могут не учитываться. Таким образом, наибольшие методические погрешности проявляются при контроле формы поршней, имеющих в спектре профиля превалирующую вторую гармонику с амплитудой до 30-500 мкм.
1BE
2,1
2М
Для того чтобы по результатам разложения более точно определить эксцентриситет Е и его фазу ϕ, необходимо выделить ту составляющую первой гармоники, которая не зависит от наличия второй гармоники профиля. Пусть эта составляющая имеет амплитуду A и начальный угол λ. Моделированием установлено, что амплитудные искажения А первой гармоники при наличии в спектре разложения А(φ) существенной второй гармоники с амплитудой А составляют:
1BE
С учетом этого получено выражение амплитуды A, которая может служить для уточнения эксцентриситета:
2
где φ - начальная фаза второй гармоники.
1BE
1M
Величина эксцентриситета после уточнения определяется по формуле (4) с подстановкой в нее A вместо A:
Начальный угол эксцентриситета ϕ с учетом компенсации влияния существенной второй гармоники определяется следующим образом:
1
2M
2
1
0
1
2M
2
1
0
где λ=arctg{[sin(φ)+Asin(φ-φ)/A]/[cos(φ)+Acos(φ-φ)/A]}.
1
В соответствии с обозначениями формулы изобретения для данного случая существенных отклонений от круглости ϕ=λ.
Полученные таким образом значения Е, ϕ позволяют рассчитать по (1) совокупность радиусов R(φ), соединяющих точки профиля выбранного сечения с центром средней окружности в функции угла поворота шпинделя.
Согласно схеме фиг.1 величина радиуса R(φ) отличается от радиуса профиля сечения R(θ), а связь между углом поворота шпинделя и угловой координатой профиля выражается зависимостью (9):
где α(φ)=arcsin{[Esin(φ+ϕ)-B]/R(φ)}.
Радиусы R(φ) приводятся к угловой координате профиля сечения θ путем пересчета профиля R(φ), полученного по выражению (1) с учетом (9).
Для определения положения оси поршня относительно оси вращения шпинделя, согласно формуле изобретения, по найденным эксцентриситетам и начальным фазам профилей двух выбранных базовых сечений а и в находят отклонения центров их средних окружностей от оси вращения шпинделя в декартовых координатах
а
а
б
б
где Е, ϕ, Е и ϕ определяют по уточненным выражениям (7), (8). Далее по координатам центров двух сечений находят уравнение оси детали и, следовательно, положение любой точки этой оси в системе координат (X, Y, Z), ось Z которой совпадает с осью вращения шпинделя.
i
XCi
YCi
XCi
YCi
Зная уравнение выбранной оси детали, рассчитывают, согласно формуле изобретения, отклонение центров средних окружностей профилей других сечений относительно оси поршня, решая тем самым задачу контроля несоосности любого сечения C (i=1, 2, 3 …) по отношению к данной оси. Для этого определяют отклонения выбранной оси детали от оси шпинделя d, d в этих сечениях и рассчитывают отклонения δ, δ центров средних окружностей профилей относительно выбранной оси детали:
XCi
XC
+
-
Профиль продольного сечения детали сначала определяют известным способом по диаметру в виде зависимости D(Z). Затем, по найденным отклонениям центров средних окружностей i-сечений от выбранной оси поршня δ строят поправочную кривую δ(Z) и вводят поправки для диаметрально расположенных образующих с учетом положения выбранной оси поршня. В результате получают два различных продольных профиля поршня R(Z), R(Z) относительно выбранной оси для диаметрально расположенных образующих и таким образом уточняют профиль продольного сечения согласно выражениям (12):
Применение описанного уточнения профиля продольного сечения позволяет контролировать поршни, несимметричные относительно оси отверстия под поршневой палец, и отказаться от точных юстировок устройства для реализации способа в части параллельности линии перемещения контролирующего датчика относительно оси вращения шпинделя.
Предлагаемое устройство схематично представлено на фиг.2.
Устройство содержит стол 1 с приводом 2 образцового вращения, измерительную скобу 3, выполненную с возможностью контроля с помощью датчика 4 профиля поперечного сечения тел вращения по радиусу в режиме фиксации и продольного сечения по диаметру в режиме "плавающей скобы", фиксатор 5, пружину 6, платформу 7 с приводом 8 перемещения вдоль оси вращения стола 1, компьютер 9, оснащенный устройствами 10, 11 управления приводами 8, 2, соответственно, и первым информационным входом, соединенным с выходом датчика 4, при этом фиксация скобы 3 осуществляется фиксатором 5, а режим "плавающей скобы" осуществляется при совместном действии усилий со стороны упора 12 и пружины 6. Кроме того, измерительная скоба 3 дополнительно оснащена оптическим датчиком 13 углового положения оси отверстия под поршневой палец и связана с платформой 7, при этом выход оптического датчика 13 подключен ко второму информационному входу компьютера.
Устройство работает следующим образом.
При контроле поперечного сечения по радиусу в режиме фиксации скобы 3 фиксатором 5 упор 12 и датчик 4 отводятся от поверхности контролируемого изделия 14 на безопасное расстояние. После команды на одновременное вращение стола 1 от привода 2 и перемещение платформы 7 от привода 8 с помощью сигнала с датчика 13 в компьютере определяется и запоминается положение оси отверстия под поршневой палец относительно уровня стола 1 и начального углового положения последнего, а также положение верхней границы изделия 14. Затем привод 2 по команде компьютера 9 останавливается и фиксируется в положении, соответствующем перпендикулярности оси отверстия под поршневой палец по отношению к измерительной оси датчика 4, а скоба 3 перемещается в заданное положение.
Для контроля выбранного поперечного сечения скоба 3 с помощью привода 8 перемещается в соответствующее положение, после чего датчик 4 подводится к контролируемой поверхности, при вращении стола 1 определяются координаты точек профиля выбранного сечения, а затем уточняются последующим расчетом согласно описанному выше способу.
Для определения положения оси изделия 14 относительно оси вращения шпинделя выбирают два базовых поперечных сечения, по описанной выше методике определяют их эксцентриситеты, начальные фазы и находят уравнение оси изделия.
Далее, согласно описанному выше способу, находят отклонения центров средних окружностей профилей необходимого количества выбранных поперечных сечений относительно оси детали и рассчитывают поправочную кривую, необходимую для уточнения профиля продольного сечения.
Перед контролем профиля продольного сечения датчик 4 отводят от изделия и устанавливают с помощью привода 8 на уровне, соответствующем началу контроля, а с помощью привода 2 устанавливают поршень в положение, соответствующее выбранному продольному сечению. После этого снимают фиксацию скобы 3, воздействуя на фиксатор 5, подводят упор 12 и датчик 4 к поверхности поршня, обеспечивая при этом режим "плавающей скобы" для контроля профиля продольного сечения по диаметру, согласно прототипу устройства.
Перемещая платформу 7 с помощью привода 8, определяют, согласно прототипу, профиль продольного сечения по диаметру, а затем его уточняют с помощью полученной ранее поправочной кривой, согласно приведенной выше методике.
В устройстве допускается, благодаря использованию при контроле профиля продольного сечения режима "плавающей скобы", непараллельность линии перемещения датчика 4 относительно оси вращения шпинделя. Кроме того, возможное смещение измерительной оси датчика 4 относительно оси вращения шпинделя не требует юстировки устройства, так как учитывается в реализуемом способе.
Все вышесказанное позволяет при помощи устройства с высокой точностью контролировать поверхность тел вращения, в том числе поршней, не предъявляя высоких требований к юстировке прибора и специальных требований по условиям его эксплуатации, при одновременном упрощении конструкции и снижении стоимости устройства.