滑阀内孔圆柱度误差气动测量系统的研究.pdf

O 2 0 1 0 年第1 期 控 制 与检 文 章 编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 0 1 0 Ol一0 0 5 30 3 滑阀内孔圆柱度误差气动测量系统的研究 刘 军 ， 王 广 林 ， 潘 旭 东 哈尔 滨工 业大 学 机 电L T _ 程 学 院 ， 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 提 出 了一种 基 于压 力式 气动测 量原 理 的滑 阀阀 套 内孔 圆柱 度误 差 测 量 A - 法 ，建 立 了基 于该 A - 法 的 自动 测 量 系统 。在 分析 滑 阀 阀套 内孔 圆柱 度 误 差 的 气动 喷 嘴 扫 描 测 量 原 理及 测 量 采 集 点 的特 点基 础 上 ， 研 冤 了基 于改进 遗传 算 法的极 坐标 下 最 小 区域 圆柱度 误 差 的评 定 与计 算 A - 法 ，并 进 行 了实验 研 究 。 买验 和分析 结 果表 明 ， 该 测 量方 法和 系统具 有 分辨率 高和 测量 精度 高的特 点 ，圆柱度 误 差评 定 算 法的 计 算效 率 高、 结果稳 定 可靠 ， 能 够满足 滑 阀 阀套 内孔 圆柱度误 差现 场 自动化 测量 的要 求 关键 词 圆柱 度误 差 ； 气动 测量 ； 阀套 内孔 ； 滑 阀 中图分 类号 T H1 6 ； T G6 5 文 献标 识码 A Re s e a r c h on Pne um a t i c M e a s u r e m e n t Sy s t e m f o r I nne r Hol e Cy l i nd r i c i t y Er r o r of S l i de VaI v e LI U J u n，W A NG Gu a n g l i n，PAN Xu d o n g S c h o o l o f Me c h a t r o n i e s E n g i n e e r i n g，Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t A ne w me a s u r e me n t me t ho d f o r c yl i n d r i c i t y e r r o r of s l i d e v a l v e’ s i nn e r h ol e i s pu t f o r wa r d ba s e d O n P“ e uma t i c me a s u r i n g pr l n c pl e o f Pr e s s u r e a ppr o a c h，a n d t h e a u t o ma t i c me a s u r i n g s ys t e m i s d e ve l o pe d a c ． c o r di n g t o t h e pr o pos e d me t h o d． Ai m a t t h e pn e u ma t i c n o z zl e s c a n n i ng me a s u r e me nt pr i n c i pl e fo r c yl ind r i c i t v e r r o r o f i n n e r ho l e a nd t h e c ha r a c t e r i s t i c o f t h e a c q u i s i t i o n po i n t s ， t h e e v a l u a t i o n me t h o d of c yl i n d r i c i t v e r r O r ba s e d O i l t h e i mpr o v e d g e n e t i c a l g o r i t h m i s pr e s e n t e d c o ns i d e r i ng t h e c r i t e r i o n o f mi n i mu m z o n e a n d DO 1 a r C O - o r d i n a t e ，a n d t h e c or r e s p o n d i n g e x p e r i me n t a l r e s e a r c h i s c a r r i e d o u t ．Ex p e r i me n t a n d a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t he pne u ma t i c me a s ur i ng s ys t e m ha s h i g h r e s o l u t i o n a n d me a s u r e me n t a c c ur a c y a n d t h e e v a l u a t i o n a l ∞ r i t hm h a s hi g h e ffi c i e n c y a n d r e l i a b l e c o m pu t a t i o n a l r e s ul t s ，whi c h s a t i s f y a bs o l u t e l y t he me a s u r e me n t r e a u i r e me n t O f n l g h pr e c l s I o n a n d a u t o ma t i o n for t h e i n n e r ho l e c y l i n d r i c i t y e r r o r of s l i d e va l ve ． Ke y wo r d sc yl i n d r i c i t y e r r o r ；Pn e u ma t i c me a s u r e me n t i n n e r h o l e ； s l i d e v a l v e 引言 滑 阀偶 件 是 电液 伺 服 阀 的核 心 部 件 ， 其 加 工 质 量 对 电液伺服 阀 的整体 性 能起 着重 要 作用 。尤其 是 滑 阀 副的径 向配 合情 况 对 阀 的性 能 有 直 接 影 响 ， 配合 过 紧 易造成 滑 阀动作 不灵 活 ， 严 重 时甚 至 会 导致 阀 卡死 ， 产 生严重 故 障 。配 合 过 松 ， 也 就 是 径 向 间 隙过 大 则 直 接 影响 阀的静 耗流 量指 标 。 ， 另外 径 向间 隙也 造成 阀 小 开 口区的非 线 性 ， 因此 设 计 上 对 滑 阀 副 的 径 向配 合 有严 格要求 。一般要 求 滑 阀阀套 和 阀芯 之 间 径 向配 合 为间 隙配合 ， 配合 间 隙很小 ， 通 常仅 为 2～ 4 m ， 同 时 还 要保证 阀芯在 滑 阀阀 套 内孔 中灵 活 运 动 ， 这 也 对 阀 套 内孔 的形状 精 度 提 出 了很 高 的 要 求 ， 一 般 需 要 控 制 其 圆柱度 误差 在 1～ 2 m 目前 ， 国 内各 伺 服 阀专业 生产 厂家 主 要 采用 三 坐 标 测 量机 等通 用设 备 进 行 测 量 ， 一般 都 是 在 滑 阀 阀套 加T 完成之 后 ， 送到计 量 部 门进行 检 测 ， 无法 实 现加 工 现 场测 量 ， 这 样 导致 测 量 不 合 格 的 阀套 产 品返 修 时很 不方 便 ， 严重 影 响 了生 产 效 率 。本 文 拟 对 基 于 气 动测 量原 理 的阀套 内孔 圆柱 度 误 差 测 量 方法 进 行 研 究 ， 旨 在解 决 阀套 内孔 圆柱 度误 差 的高 精 密和 高 效率 测量 问 题 ， 从 而实 现滑 阀阀 套 计 算 机 控 制 的加 工现 场 快 速 自 动化测 量 ， 有 效 提高伺 服 阀产 品生产 效率 。 阀套 内孔 圆柱 度误 差的气 动测量方法 1 ． 1气动 测量 方法 的提 出 考虑 到 阀 套 内孔 表 面为 配 合 表 面 ， 其 几何 形 状 精 度 要求 很高 ， 在 测量 过程 中不 允许 被 划伤 ， 需 要采 用 非 收 稿 日期 2 0 0 9 0 71 3 基金项 目 哈尔滨丁业大学优秀青年教 师培养 计划 资助项 目 H1 T QN J S ．2 0 0 9 0 0 91 作者简介 刘军 1 9 8 3 -- ， 男 ， 湖北仙桃 人， 哈尔滨 T业大学 机电工 程学 院博1 研究生 ，主要从事精密零件加工工艺检测及质量控制技术方面的研 究 ， Ema i l l iuh i t y a h o o ． e O m． c n 53 控制与检测 组合机床与自动化加工技术 接触式测 量 。此外 ， 其 圆柱度误 差要 求 为微 米级 ， 这 就 要求采用高分辨率的测量方式。气动测量方法具有非 接触 、 分辨率 高 、 测 量力 小 、 测 量 精 度 高 以及 测 量操 作 简单等突出优点 ， 能够满足阀套 内孔圆柱度误差高 精度 测量 的要 求 。本 文提 出 了采 用压 力式 气动 测量 方 法实 现 阀套 内孔 圆柱 度误差 的 自动测 量 。 1 ． 2 阀套 内孔圆柱度误 差测 量原理 根据 阀套 内孔 的 测量 特 点 ， 测 量装 置 采用 喷 嘴 档 板机构型式， 将被测阀套内孔看作挡板。 设计专用 的气 动测量头， 使之在被测滑阀阀套 中运动， 实现内孔 圆柱 度误 差 的测 量 。 测量 过程 中 ， 测 量头沿 着被 测 阀套 轴 向 运 动 ， 并选取 阀套 内孔 圆 柱 面上 若 干个 截 面 进 行测 量 所 选取 的截 面 需要 避 开 阀套 圆周 上 节 流 窗 口和 回油 口所在 的截面 。 记 被测截 面 中最 底面 的 z坐标 值为 0， 气动 测量头 的位移 由位移 传 感 器 测得 ， 即可计 算 得 出 其他 被测截 面与该 基 准截 面 的距 离 ， 从 而得 到 各 测 量 点 的 z坐标值 ， 记 为 z 。 测量 时被测 阀套作旋 转运 动 ， 使 气动测 量头上 的喷 嘴 在各 测 量截 面进 行 扫描 ， 阀套旋 转角度 由高精度 的角位 移传感 器测得 ， 记为 0 。 测量过 程 中 ， 背压 P 的大小将 随 着气 动测 量 头上 喷嘴与被测 阀套 内孔表 面所 形成 的测 量 间 隙 s 大 小 的 变 化而变化 ， 这样可 以通过 压力测 量值 间接计 算得 出 的值 。 其 P c - 压力特 性 曲线 如 图 1 所 示 ， 可 以看 出 P 与 测 量间隙大 小 s 并非 具有理 想的线 性特性 ， 然而 P 一 s 曲 线 中间部位 的一 段 曲线 可 以近似 看作 为直线 段 。 。 。 在 实际测量 过程 中 ， 可 以通 过系统 标定 实验 ， 测量 得到该 区域 内的一系列 离 散点 ， 采用 最 小 二乘 法进 行 线 性 回 归处理 ， 将 该 P c S曲线 段拟合 成直线 ， 然后在 这个 线性 测 量 区域 内进行气 动测量 与计算 。 Pc P| 图 1 P 。 s压 力 特 性 曲线 那么各测 量点 的空 间极 坐标 系下 的坐 标值 就可 以 确定 下来 ， 记 为 P ds ， 0 ， ， 其 中 d是一个 常数 ， 与气 动测量 头 的结构 有 关 。 阀套 内孔 圆柱 度 误 差 的气 动 测 量原理 如图 2所 示 。 根据各 测 量点 的坐标值 ， 建立 内孔 圆柱度 误差 的极坐 标下 最小 区域评 价方法 和优 化算 法 并寻求其 全局最 优解 ， 从 而计 算 得 出阀套 内孔 的 圆 柱 度误差值 。 54 图 2 测量 原 理 示 意 图 1 ． 3 阀套 内孔圆柱 度误差 计算方 法 按最 小 区域 准 则来 评 定 圆柱 度误 差 ， 实 际上是 寻 找包 容被测 圆柱 面且半 径差为 最小 的两 个 同轴 的理 想 圆柱 ， 也可 以看成是寻找这两个 同轴圆柱 面的理 想基准 轴线 的方 向和 位 置 ， 因此 圆柱 度 误 差最 小 区 域 评定是 一 个具 有复 杂约 束 的非线 性最 优化 问题 。 采 用基于 改进 的遗传算 法进行 了阀套 内孔 圆柱度误 差 的 寻优与计 算求解 。 设理想基准轴线的方向由z 和m两参数决定， 其位 置 由n和b 两参数决定 ， 而气动测量时得到的是阀套内 孔表面各测量点的空间极坐标值 ， 各个测量截面上采 样点 的坐标 值 为 P r ， 0 ， z ， i 1 ， 2 ， ⋯ ， n ， ／ 7, 表示 测 量采 集点数 。 则该理 想基 准轴线 可表示 为 堕 三 2 2 m 1 那 么 阀套 内孔各 测量截 面上 的任 意测 量采样 点 至 理 想基 准轴线 的距离 三 可 以表 示为 ， J [ r i c o s O 一 1 z Ⅱ ] [ I“ i s i n O 。 一 m z 6 ] 3 根据所提 出的滑阀阀套 内孔 圆柱度误差测量原 理 ， 采用改进 的遗 传 算 法 并按 照 最 小 区域 准 则 来计 算 评定阀套内孔的圆柱度误差， 可 以确定算法的 目标 函 数为 ， a ， b ， l ， in m i n I m a x L 一mi n L I 4 因此 ， 求解 最 小 区域 圆柱 度误 差 的计 算 过程 也 就 是 用改进 遗传算 法 寻 求该 目标 函 数 的全 局 最 优解 ， 即 基 于该 目标 函数下 搜索 相应 的理想 基准 轴线 的 a ， b ， Z ， m值 ， 从而使其 目标函数值为最小。 而 目标 函数 的最小值 就是 极坐 标最 小 区域下 的滑 阀阀套内孔圆柱度误差值。 2 测量系统 的研制 2 ． 1 测量 系统硬 件构成 根据 压力 式气 动法测量 滑 阀 内孔 圆柱 度误 差 的原 理 ， 构建 了 自动化 气动测 量 系统 ， 主要 由测量 台架 与夹 具 、 测量气路、 测控电路、 工控机系统等几部分组成 ， 其 2 0 1 0 年第1 期 控制与检测 组成 原理 如 图 3所 示 。 测量 台 架是 系统 的 执行 机构 ， 被 测滑 阀 阀套 以及 测 头 通 过 夹 具 安 装 在 台 架 上 ， 由 步进 电机 带动 千分螺 杆 组 成 微 驱 动 机 构 ， 使 测头 在 被 测 阀 套 内孔 中实 现 轴 向运 动 ， 同 时 ， 设 计 周 向旋 转 驱 动 机 构 ， 用来 实 现被 测 阀套 相对 于测 头 的旋 转运 动 。 周 向旋 转角 度值 和轴 向位 移值 分 别采 用 高精度 电位计 式 角位 移传感 器 和位移传 感 器测 得 。 测 控 电路 部 分 主 要 由步 进 电机 驱动 电路 、 电磁 阀驱 动 电路 、 压力 和差 压 传感 器 二 次仪 表 电路 、 位 移 和角 位 移 传 感 器 二 次 仪 表 电路 等 组 成 。 整 个测 量 系统 以工 业控 制计 算 机 为核 心 ， 通 过 数 字 量控制 卡 和 采 集 卡 进 行 操 作 控 制 和 数 据 采 集 与 处 理 ， 从而 实现 测量 过程 和 圆柱度误 差计 算 的 自动化 。 玉 堕H 董 篮 壁登⋯ _二 与 巨 测量与控l I 制电路 I { 一 l 二次仪 - 1 电路 l }电 磁 l I }] E 动 [率]_． 1嘉 饕 工 I 厂 上一 l 步l l 手J l 被 测阀 套与 夹具 体l l 上 塞 }] i 匦 电路I I l _ P r i 豳 二] 数字量采集卡 图 3 测 量 系统 组 成 原 理 框 图 2 ． 2 测量 气路 作 为一 种 基 于 气 动测 量 的方 法 ， 实 现滑 阀 内孑 L 圆 柱 度误 差高 精度 测 量 的关 键 之 一是 系统 气路 的设计 与 优化 。 由滑 阀 内孑 L 圆柱度误 差 测量 模 型 和原理 可 知 ， 采 用 常用 的压力 式测 量 气 路 时 ， 要 求 气 源 工 作 压 力 必 须 恒定 ， 才 能保 证测 量模 型 的正 确性 和 测量 精度 ， 然而 实 际测 量过 程 中 ， 经过 气 动定 值器 稳 压后 的工 作 压 力 P 会产 生微 小波 动 ， 给测 量结 果 带来 一 定 的误差 ， 而滑 阀 内孔 圆柱度 误差 测 量 精 度 要 求 达 到 微 米 级 ， 这 就要 求 必须 消除气 源压 力 波动所 引起 的测 量误 差 。 设 计 了一种 差 动 式 测 量气 路 ， 将 两 个 背 压 式 测量 气路组 合在 一起 ， 一路 作为 调零 气路 ， 一路 作 为测 量气 路 ， 采 用差 压式 压 力传 感器 测 量两 个气 路 之 间的压 差 。 由于两 个气 路共 用 一个 气 动 定值 器 ， 气 源 压 力 波 动对 于它们 的影 响是 相 同的 ， 而测量 采集 的压 差 △ P是 两个 气 路 的背压 之差 ， 则 气源 压 力波 动 的影 响被抵 消掉 ， 因 此 在很 大程度 上 减 小 了 尸 的变 化 对 于 实 际 测 量 结 果 的影 响 ， 有效地 提 高 了滑 阀 内孔 圆柱 度 误 差 的测 量 精 度 。 整个 系统测 量气 路如 图 4所示 。 图 4 测 量 系 统 气 路 不 恿 图 2 ． 3 气动 测量 头设计 与 分析 气 动测 量 头 是气 动测 量 中的 敏感 元 件 ， 压 缩 气体 经 过测量 头 与被 测 阀套 内孔 所 形 成 的 喷 嘴挡 板 机 构 ， 然后 逸人 大气 。 测 头 上加 工 出喷 嘴和排 气槽 ， 采 用 圆 喷 嘴 的形式 ， 设 计 为双 气路 双喷 嘴 的结构 ， 以减小 测 量力 对 于测量 精度 的影 响并 提 高 测 量 效 率 ， 设 计 喷 嘴直 径 为 0 ． 8 mm。 3 测量 系统实验与计算分析 采用 某伺 服 阀生 产 厂 家 提供 的一 组 滑 阀 副 ， 对 其 阀套 内孔 圆柱度 误 差 进 行 了气 动 测 量 实验 。 实 验 条 件 为 P 设 定 为 9 0 K P a ， 调零 气路 和测 量气 路 的前 置节 流 Y L f L 径 为 1 mm， 调节 调 零 气路 的节 流 阀使 调零 气 路 的 背压 P ．5 0 K P a 。 由周 向旋 转驱 动机 构带 动 阀套旋 转 运 动 ， 进 行 气动 扫 描测 量 ， 采 集 测量 差压 值 和旋 转角 度 值 ， 同时 由轴 向微位 移 驱动 机构 带 动测 头运 动 ， 进行 阀 套 内孔 不 同截 面的 测量 ， 并 采集 测头 位移 值 ， 这样 可 以 计 算得 到各 测量 点 的空 间极坐标 系 下 的坐 标值 。 根 据测 得 的各 采 集点 的坐 标 值 ， 基 于改 进 遗 传 算 法 的极 坐标 下最 小 区 域 圆柱 度 误 差 的评 定 算 法 ， 采 用 Ma t l a b软 件进 行该 滑 阀阀套 内孔 圆柱 度误 差 值 的优 化 计算 。 计 算 时设 置遗 传 算 法 中群 体 规 模 和 子 群 体 规模 分别 为 4 0和 2 0， 最 大 进化 代数 为 3 0 0 0， 初 始范 围取 为 [ 一0 ． 1 ， 0 ． 1 ] ， 交 叉 和变 异概 率 分 别 取 0 ． 8和 0 ． 0 7 ， 计 算 结 果 如 图 5所 示 ，可 以 看 出 ，其 全 局 最 优 解 为 0 ． 0 0 1 7 2 7 mm， 即 该滑 阀阀套 内孔 圆柱 度误 差值 大 约 为 1 ． 7Ix m 。 4 结束语 1 提 出了一种 基 于压 力 式 气 动测 量 原 理 的 滑 阀 阀套 内孔 圆柱度 误 差测量 方法 ， 并研 究了基于该方 法的 阀套 内孔 圆柱 度误差 自动测量 系统 。 下转第 6 4页