发动机缸孔气动测量系统

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1. 概述

  非接触气动测量心轴测量发动机缸孔孔径，可避免划伤珩磨后的精加工内孔。测量系统由气电转换器将气压测量信号转换为电信号，计算机显示测量数据，并显示工件合格与否。

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  被测缸体定位后，测量心轴由液压滑板带动，以被测孔为导向进入缸孔内指定截面测量。测量心轴与测量滑板连接面装有平面轴承，测量心轴可在被测孔径方向作平行移动（浮动心轴），图1 为缸孔测量装置示意图。

图1 缸孔测量装置
1. 缸体升降液压缸 2、11 定位销 3. 缸孔测量心轴
4. 行程开关 5. 滑板导向柱 6. 滑板升降液压缸
7、11 直线轴承 8. 滑板 12. 定位销升降机构

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  气动测量系统包括空气净化和稳压系统（测量气源）、缸孔气动测量心轴、差压式测量回路、气电转换器（由硅敏式压力元件和信号放大器等组成）等。

2. 测量气源

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  压力稳定、干燥、清洁的测量气源是保证测量精度的基础。工厂提供的压缩空气内含有的油、水和灰尘容易使气路系统中的节流孔堵塞或积垢，导致测量零位偏移，产生测量误差，影响测量精度，降低量仪使用寿命。测量前必须对工厂气源进行过滤、干燥和稳压处理，用风冷式干燥器和多级过滤器使测量用空气的干燥
精度达99.9％、过滤精度达；经过多级稳压和各独立测量回路精密稳压，使测量气源的压差变化。

3. 气动测量回路

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该系统采用差压式气动测量回路，其气动测量原理如图2 所示。测量回路由回路1 和回路2 两个背压回路组成。测量时两个背压回路处于相同的压力和环境温度下，使外界环境（温度、湿度等）对测量的影响降到最小，测量精度高，稳定性好。

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 图2 差压式气动测量原理图

稳压器的调定压力为，测量时通过两直径相同的节流孔同时向两个回路输入相同压力的气体。回路1中是测量压力，当测量心轴喷嘴与被测量孔间隙发生变化时，测量回路1 中的压力随之变化；回路2 中是平衡压力，利用调零阀调定压力值。回路2 中的平衡压力基本稳定不变，它仅受输入压力波动的微量影响。连接在回路! 和回路# 之间的压力变送器采集测量压力与平衡压力的差值作为测量信号量，经放大后输出。

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4. 确定测量的工作区域

理论的气路背压曲线并非全程线性，只有选用曲线的线性段作为工作区域才能减小测量误差。背压特性曲线的确定与稳压器调定压力、进气节流孔孔径、测量喷嘴直径，测量初始间隙等有关系，几者必须匹配才能拟合出适宜的测量线性段。压力一定时，选用不同节流孔径，对应的（压力- 间隙）背压曲线不同，节流孔越小，系统的倍率越大。节流孔径一定，工作压力越大，系统的倍率越大。倍率越大，测量系统的线性范围相应减小。

图3 时的背压曲线图

图3 为测量心轴喷嘴直径， 工作压力 时的背压曲线图。从图中可以看出：
（1） 当时， 受空气粘性的影响曲线呈明显的上凸， 非线性很大， 不能使用。
（2） 当 时， 背压曲线近似直线， 可以作为工作区域， 但此区域也存在非线性误差， 其误差值随测量范围和初始间隙的不同选择而不同。
（3） 当时， 能获得较好的线性度， 非线性误差为0.001mm， 经计算机线性补偿后， 误差减小到0.0005mm， 可以满足本系统的工作量程及测量精度要求。

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5. 测量心轴

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（1）测量原理测量心轴插入被测孔中，压缩空气由直径为 的测量喷嘴喷出，喷嘴与相对的被测孔内表面有一定间隙S，气体从此间隙进入大气，被测间隙不同，则测得的压力不同。

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图4 缸孔测量心轴结构示意图

 （2）测量心轴结构如图4 所示，测量心轴的测量喷嘴A、B 对向设置。测量时，测量心轴进入被测孔后，测量心轴上两个喷嘴与工件内径间产生的间隙可能会不均等，。喷嘴A与内孔间隙为，产生压力；相反方向的喷嘴B 与孔间隙为，产生压力。将A、B 两个喷嘴设计在同一个气路上，测量压力始终为，测量总背压 与两喷嘴距工件距离相同时测得的数值相等。
（3）测量心轴设计设计测量心轴主要应该考虑测量心轴直径、测量喷嘴直径、测量喷嘴下沉量C等参数的设定。

  ①测量喷嘴。喷嘴直径根据测量面积选择，测量面积大，喷嘴孔径可选得大些，喷嘴孔径越大，测量倍率越大，但空气的消耗量也随之增大。

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  ②测量心轴直径。测量心轴的直径分为导向直径和测量直径两部分。导向直径比测量直径小0.01~0.02mm，起测量引导作用，导向直径愈小，测量心轴插入愈方便，但将引起测量心轴相对位置误差的增大。

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  ③测量间隙。非接触测量对测量间隙同样有较高的要求。测量心轴与被测孔间隙过大或过小，都会引起测量非线性误差。正确选择测量心轴各参数值是保证测量精度的关键。

  测量直径的大小决定测量间隙，最大、最小测量间隙都需要严格控制。如图3 背压曲线图所示，当测量间隙大于某一定值后，背压曲线呈下凹非线性段，间隙更大时，曲线呈水平段，背压值已经是与测量间隙无关的常数，根本无法使用。测量间隙过小时，则空气流量会受空气流动的粘性影响，在背压曲线上产生粘性区，背压曲线在这一段呈明显的上凸非线性段，也不能使用。

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  最大测量间隙= 心轴最大导向间隙+孔径公差+喷嘴A、B两处下沉量
  最小测量间隙= 心轴最小导向间隙+ 喷嘴A、B 两处下沉量

 ④喷嘴下沉量。测量心轴都设计有喷嘴下沉量，下沉量是喷嘴端面与测量心轴测量面之间的距离，下沉的喷嘴可以避免测量喷嘴磨损。下沉量的大小决定测量背压曲线的初始间隙，对初始间隙值的合理选择，可避免使用上凸非线性段。

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6 结论

该测量系统具有气源质量可靠、差压测量回路性能稳定、测量心轴测量精度高等特点，能够满足发动机缸孔在线测量要求，适用于生产现场，具有推广应用前景。