发动机凸轮轴检测方法综述

发动机凸轮轴检测方法综述Summarize to The Measure Method of Engine Cam Shaft摘要论述了凸轮轴测量仪的测量原理和凸轮测量数据的处理与评定方法。

Abstract: The article mainly introduces the principle of the cam shaft measuring system and the method of data processing and assess in cam shaft measuring system.关键词凸轮轴测量数据处理评定keywords: cam shaft ,measure, data processing , assess.1概述凸轮机构广泛应用于自动化机械、精密仪器、自动化控制系统中，作为发动机的关键部件，凸轮轴是影响发动机气门开闭间隙大小和配气效率的主要因素。

随着凸轮轴自动化加工水平的不断提高，为了高精度、高效率地检测凸轮轴，并正确处理、评定它的各项工艺误差，及时快速地反馈凸轮轴的质量信息，传统的光学机械量仪以及采用人工数据处理的方法，已不能适应凸轮轴工艺质量管理的实际检测需要。

为此广州威而信精密仪器有限公司研制了基于计算机为检测、处理核心的L系列凸轮轴测量仪，它可以实现对凸轮轴加工质量的高效、高精度检测，从而对凸轮轴磨床的磨削工艺进行实时监控，以保证产品质量和提高生产效率。

发动机凸轮轴的测量包括与设计有关因素的测量项目和与质量管理有关因素的测量项目。

L-2000型凸轮轴测量仪的主要功能有：（1）检测凸轮轴的轴颈（凸轮轴的装配基准）误差（圆度，跳动）；（2）检测凸轮轴的桃型（包括基圆段，爬行段，升程段等）误差；（3）检测凸轮轴的键槽（或定位销）与参考桃的相位角度；（4）检测凸轮轴的各个桃型与参考桃的相位角度；（5）计算凸轮轴的各个桃型轮廓的相邻误差；（6）计算凸轮轴的各个桃型轮廓最大升程和高度；（7）具有偏心修正功能，可以最大限度的减少由于凸轮轴各个桃型轮廓不同心而引起的附加测量误差；（8）具有灵活的参数设置功能和方便的桃型升程表修改功能，被检凸轮轴的轴颈和桃型轮廓的个数可自由设定，可以适应不同厂家的使用需要；（9）具有测试数据自动备份功能，以方便建立工艺质量的过程控制和统计分析；(10)提供有完善的数据分析报告。

打印升程误差曲线，桃型轮廓的极坐标误差图，每个桃型的升程误差数据、理论升程表以及实际升程表等。

本文对凸轮轴测量仪中涉及的主要检测功能、处理方法予以介绍。

2 定位基准的检测在凸轮轴加工过程中，通常借助凸轮轴端面的键槽或定位孔作为角度基准来完成后续的加工工序,因此在凸轮轴测量时需要确定凸轮轴端面的键槽或定位孔的中心位置——定位基准。

键槽的中心位置可以通过测量柱形键销（要求与键槽紧密配合）的中心位置获得；当定位基准是凸轮轴端面的定位孔时，可以通过测量定位销（要求与定位孔紧密配合）的中心位置获得定位孔的中心位置。

按设计要求，应当选用测头为球型测头，由于测头（球）与定位销（圆柱）是点与线的接触，其中心位置不易找准，致使测量中出现了数据不稳定，重复性不好的情况。

通过多种方法试验，也没有取得满意的效果。

定位销中心位置的测量，一度成为凸轮相位角度测量中的棘手问题。

通过进一步的分析可知，定位销虽不在凸轮轴的旋转中心，但当被测凸轮轴以其旋转中心转动时，定位销的运动轨迹是凸轮轴的同心圆，这样，随着测头与定位销接触点位置的不断改变，测头将产生相应位移（升降），因此，可以把定位销看成是凸轮轴上的一个凸轮，这个凸轮的“桃尖”——定位销中心的位置，则可按求解凸轮测量起点转角类似的数据处理方法，用“敏感点法”[1] 予以求解，从而解决了定位销中心位置的测量问题。

3凸轮升程误差的测量与处理凸轮机构从动件的运动规律是通过凸轮的形状来反映的，因此需要根据从动件的运动要求设计凸轮的形状。

一般来讲，每个凸轮的形状——桃形，由基圆和许多二次曲线、三次曲线及圆弧组成，其构成的封闭曲线称为升程曲线，由于凸轮升程曲线的特殊性，实际应用中提供给磨床的升程曲线是～的离散数据，这也就是描述每个凸轮形状的理论升程表，其升程曲线的精度由升程公差来进行控制。

1）凸轮的升程误差凸轮的升程误差是指，实际凸轮对应理论角度上的实际升程与理论升程的代数差。

即根据升程误差的定义，凸轮升程测量时，测量的应是凸轮理论转角对应测点的实际升程。

这一点在实际测量中是不容易做到的，测量数据中一般含有转角误差（系统性误差）的影响，必须剔除测量数据中的转角误差的影响，才可能得出正确的测量结果。

这就提出了如何进行凸轮测量和数据处理方法的问题。

2）凸轮升程测量、数据处理、评定方法如图1所示，凸轮升程表上给出的是理论转角对应的理论升程h，按误差定义要求，本应测量出理论转角对应测点的实际升程h S (图1a)。

可是，由于凸轮测量起点转角有误差，实际上测量出的不是理论转角对应点上的实际升程h S，而是转角对应点上的实际升程(图1b)。

所以，一般按求解出的升程误差与定义相悖。

根据定义，凸轮的升程误差应按下式求解：式中——凸轮升程变化率；应根据凸轮的公差要求分别求解[2]，即（1）升程公差按尺寸公差标注时（公差带位置固定，见图2）：当|h'a|≥|h'd或c|≤|h'b|，则(由左、右侧最大点“等距”导出)图1 凸轮升程的测量方法当|h'c|≥|h'a或b|≤|h'd|，则（由左、右侧最小点“等距”导出）（2）升程公差按形状公差标注时（公差带位置浮动，见图3）：当|h'a|≥|h'd或c|≤|h'b|，则（由左、右侧最大点“等值”导出）当|h'c|≥|h'a或b|≤|h'd|，则（由左、右侧最小点“等值”导出）综上所述，凸轮测量（处理）方法应该是：①获得原始（迭代）数据，要求测量数据尽量准确；②对原始数据进行处理，只有准确的原始数据，才能保证数据处理的可靠性；③根据处理结果确定（计算出）各凸轮“桃尖”的角度位移（用它来修正凸轮的相位角）。

一般来讲，应根据凸轮升程的公差要求，即按尺寸公差标注的处理方法和按形状公差标注的处理方法，给出相应的处理方法。

数据处理过程，就是将测量数据处理成符合定义的升程误差值——符合设计要求的升程误差值的过程。

这里，应说明的是，凸轮升程的测量基准是“敏感点”，凸轮升程的评定基准是“极限点”。

测量时，以凸轮左、右侧的“敏感点”为基准，获得（确定）凸轮测量起点转角；处理时以凸轮左、右侧的最大点和最小点的四个“极限点”a、b、c、d为基准，求出凸轮测量起点转角的角度位移之后，即得凸轮处理（评定）起点转角：测量数据的处理过程可以以为测量起点转角，进行二次测量；也可以按解析式，逐点算出符合定义的升程误差值。

4 关于升程误差测量数据处理方法的说明凸轮的升程公差，常用的有两种标注方法：①标注的是带正负号的公差值，公差带的位置由凸轮升程的理论正确尺寸确定，且公差带位置是固定的，升程公差控制的仅是实际凸轮的轮廓尺寸。

这时，凸轮的升程误差应按尺寸公差来处理：凸轮的升程公差要求，设定了两个极限尺寸——最大实体尺寸（MMS）和最小实体尺寸（LMS）来限制升程的实际尺寸，要求凸轮升程的任一局部尺寸不得超出两个极限尺寸；②标注的是不带正负号的公差值，公差带的方向随凸轮的实际形状而定（变动），公差带的位置是浮动的，升程公差控制要素是实际凸轮的轮廓形状。

这时，凸轮的升程误差应按形位公差来处理（升程误差的测量数据，应按“最小条件”要求进行评定）：凸轮的升程公差要求，设定了两个平行（或等距）的界面或界线，构成形状公差带来限制实际被测要素。

凸轮测量数据按尺寸公差要求处理时，应把升程误差与升程公差联系起来，最大限度的保证凸轮升程的合格（图2）；凸轮测量数据按形位公差要求处理时，应把升程误差与“最小条件”联系起来，保证凸轮升程误差（包容区域的宽度）的最大值为最小（图3）。

处理时可根据设计要求，选择相应的处理方法。

在此应强调指出：当凸轮异侧（左、右侧）升程公差相等时，“等距”误差点也是“等值”误差点。

尺寸误差和形位误差数据的处理方法相一致。

所不同的只是，形位公差带位置浮动，尺寸公差带位置固定。

5 凸轮轴测量仪的工作原理凸轮轴的测量是二维测量系统。

目前凸轮轴测量仪的分度装置大都采用圆光栅编码器测量系统，线值装置采用直线光栅测量系统。

凸轮轴测量仪的原理框图[3] 如图4所示：由计算机发出的控制信号启动直流同步电机旋转，由驱动机构带动被测凸轮轴转动，通过Y轴圆光栅传感器，X轴直线光栅传感器分别将凸轮轴的角位移、径向、轴向位移转换成明暗条纹的光强变化信号，经光电转换电路转换成电压信号，再经前置放大和整形滤波，形成角度脉冲和径向位移脉冲经T/C计数板送入计算机。

经计算机处理后，就获得了每个凸轮轮廓对应于各个转角的径向测量值（升程）。

应用计算机控制技术，凸轮测量仪的机械运动、测量数据的采集和处理均可由计算机自动控制完成。

这里，应特别强调：凸轮测量时，测头的形状应与凸轮机构中的从动件的形状一致，这样才能更好的模拟凸轮机构的实际工作情况，使测量出的凸轮升程值准确反映凸轮机构从动件的工作位移和运动规律。

图2 尺寸公差标注(公差带固定)图3 形位公差标注(公差带浮动)图4凸轮轴测量仪原理框图6 凸轮轴各项参数的自动测量以广州威而信精密仪器有限公司L系列凸轮轴测量仪为例：仪器结构采用立式安装和测量方式，旋转轴系由精密气浮主轴与气浮顶尖构成，双气浮直线导轨为直线运动基准，由进口电机驱动；电器部分由高级计算机及德国海德汉（HEIDEHAIN）公司精密圆光栅传感器、精密光栅位移传感器组成。

测量软件采用基于中文版WINDOWS操作系统平台的WILSON测量软件，完成参数输入、测量选择、数据采集、处理及测量数据管理和测量结果打印输出等工作。

它可以准确、快速地完成凸轮轴各项参数的测量、处理、管理、打印输出等，达到了高精度、高效率地检测凸轮轴的目的。

（1）定位销中心位置的确定如图5，设测头（球）的半径为SR C，定位销（圆柱）的半径为R X，定位销中心运动轨迹圆的半径为R Z，定位销（凸轮）的虚拟基圆半径为，轴的转角为，测头（球）中心到轴的旋转中心的距离L（O C O），则可由O C OO X依据余弦定理求出：L=R Z cos+式中的取值范围为定位销（凸轮）的升程、升程变化率:=L-（R0+R C）=R Z cos+-（R0+R C）式中虚拟基圆半径图5 定位基准—定位销中心位置的确定因为定位销（凸轮）是对称形，升程变化率曲线是正弦曲线，可知其左、右侧“敏感点”（升程变化率的绝对值最大的点）m、n位于定位销（凸轮）正、负绝对值最大的转角处。