曲轴连杆颈圆度在线检测与补偿研究

　　1 引言

　　曲轴是往复式内燃机的核心部件，其连杆颈、主轴颈正截面圆度偏差直接影响发动机使用寿命、机械效率以及高转速工况下的运行平顺度[1]。为提高加工精度与生产效率，与传统变换旋转中心方式相比，切点跟踪精密磨削方法通过精确控制曲轴工件旋转轴C与砂轮架水平进给轴x之间的轨迹联动关系实现连杆颈在任意角度与砂轮轮廓准确相切，具有加工柔性高、一次装夹加工成型的[2-3]，已逐步发展成为高性能发动机曲轴的主要生产方式。但受到砂轮直径损耗、伺服系统响应偏差等因素制约，切点跟踪曲轴磨削方法的工程应用在国内仍处于探索阶段，为此相关学者开展了一系列研究，许第洪等人[4]分析了伺服跟踪误差、曲轴刚度、砂轮中心高度、砂轮半径变化等因素对加工精度的影响，并建立了补偿模型。A.P.Walsh等人在文献[5]中研究了曲轴工件力学模型，并对磨削过程实施补偿以提高加工精度。然而作为一种异形轴零件，曲轴工件自身刚性极差，在装夹应力、磨削作用力、自重力等因素影响下，加工过程其弹性变形对连杆颈圆度误差影响很大，仅靠提高机床轨迹执行精度尚不足以确保工件加工精度。对弹性变形导致连杆颈圆度偏差的在线测量与数控补偿已成为曲轴精密加工领域面临的难题之一。

　　在机械零件圆度偏差检测领域，国内外学者进行了广泛研究，提出了坐标测量机法、力学法、半径法等圆度误差分离算法[6-12]，但由于机构尺寸、回转中心精度等限制难以适应曲轴连杆颈圆度在线测量的要求。V形基准圆度测量方法以其对回转中心精度要求低的优点被广泛用于各种机械零件圆度的现场检测[13]。但切点跟踪磨削产生的大幅度偏心运动导致测量探头无法与被测部位保持稳定接触仍是困扰曲轴连杆颈圆度在线测量的主要问题。专利公开文献[14]中提出采用串联四连杆机构随动支架实现偏心工件与测量探头的稳定接触，但其机械结构复杂、调整困难。文献[15]采用砂轮中心伺服跟踪支架测量连杆颈圆度，也具有跟踪控制复杂、精度要求高的局限。

　　本文在对曲轴随动磨削工艺及装备研究的基础上提出了适用于切点跟踪磨削法的曲轴连杆颈圆度在线检测与补偿方法，采用自适应伸缩随动支撑架抵消测量过程连杆颈偏心运动，实现V形基准块上圆度测量探头与被测连杆颈的连续、可靠接触。从运动学角度分析了支撑架随动过程圆度测量探头在连杆颈表面测量角的变化规律，通过V形基准测圆法微变等效模型从测量探头数据中求解连杆颈原始圆度偏差，并基于切点跟踪运动模型建立圆度偏差补偿函数，以实现连杆颈圆度偏差的在线测量与实时补偿，达到提高曲轴工件精密磨削加工应用中连杆颈圆度精度的目的。