CN111964619A - 一种位移传感器测量轴类零件的温差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种位移传感器测量轴类零件的温差补偿方法，采用比较测量法测量轴类零件的径向长度，对校准件进行零位标定，并推导出被测零件径向长度理想表达式；位移传感器以一定预紧力接触校准件，对位移传感器进行100℃到0℃的降温实验，求得位移传感器测量偏差和温度的关系式；最后对校准件以及待测零件进行温度补偿，得出不同温度下校准件和待测零件的补偿值，从而推导出轴类零件实际径向长度表达式。本方法充分考虑了测量时位移传感器的温度特性和温度对校准件、被测轴类零件径向长度的影响，以理论推导结合实验模拟方法对温度的影响做了定量分析，提出相应的补偿方法，提高了测量精度。

Description

一种位移传感器测量轴类零件的温差补偿方法

技术领域

本发明涉及轴类零件的测量技术领域，尤其涉及一种位移传感器测量轴类零件的温差补偿方法。

背景技术

汽车制造业每年会生产数以万计的轴类零件，测量任务繁重而离线测量效率低下，只能在计量室对轴类零件抽检。测量是制造的“眼睛”，要保证零件质量，必须实现全检，在线测量是实现零件全检的一个有效的解决方案。轴类零件出厂时对其形位误差是否合格的判定准则是在标准温度20℃下轴类零件各参数的测量值的大小。轴类零件测量时所处的环境为车间环境，车间温度受季节变化、昼夜更替、天气等因素影响使其无法保证恒温，即使采取一定的恒温措施车间温度也无法达到全局恒温的效果。

在轴的测量过程中，测量前后温度的变化使得轴发生膨胀和收缩，也会对传感器自身的测量精度产生影响，从而对测量结果带来很大误差，因此需要通过对传感器以及轴本身进行误差分析及优化实现对测量的温度补偿。

传感器的温度补偿可采用补偿电路的方式实现，温度补偿可分为模拟补偿、数字补偿以及微处理器补偿三类。模拟补偿是采用由热敏电阻组成的振荡器电路进行温度补偿，但是对热敏电阻精度要求高，而且功耗较高。数字补偿包括获取补偿值和调节频率两部分，数字补偿晶体振荡器优于普通的模拟温度补偿晶体振荡器，但是会引入相位抖动，需要通过PLL来消除抖动。微处理器可以看作是数字补偿的一种，但更为灵活，可以显著提升补偿精度，但相应会带来成本的上升。

对于位移传感器的温度补偿也可采用二维标定法，以位移传感器为主，温度传感器为辅，在不同温度下测得输入输出数据，然后通过PSO-LSSVM算法或者建立GA-WNN模型，并对模型利用遗传算法对GA-WNN的参数进行全局优化，从而提高零点温度系数和灵敏度温度系数，实现传感器的温度补偿。但是该技术只是在一定程度上减小了温度对传感器的影响，还没有考虑由于温度变化导致的轴几何参数的变化。

发明内容

本发明针对现有测量轴类零件的温度补偿技术存在的问题，提供一种位移传感器测量轴类零件的温度补偿方法，其在测量时充分考虑了温度对位移传感器、校准件、被测零件的影响，并以理论推导结合实验模拟方法对温度的影响做了定量分析，并提出相应的补偿方法，从而保证更高的测量精度。本发明的温度补偿流程如图1所示。

本发明采用的具体技术方案如下：

步骤1：理想条件下测得校准件的半径可表示如下；

R₀＝d₀+C (1)

式中C为未检测状态下测头与轴颈中心之间的原始距离，d₀为标定主轴颈时测头的位移量。

测量实际工件时，设测头的实际位移量设为d，则此时刻的轴颈的实际径向长度如下：

R＝d+C (2)

将(1)式与(2)式整理如下：

R＝d-d₀+R₀＝Δd+R₀ (3)

步骤2：做位移传感器的降温实验对其温度特性进行补偿；

实验在20℃的校准计量室进行，传感器温度变化范围0-100℃。假定传感器在该温度范围内能够运作且校准件表面温度始终为20℃。

位移传感器以一定预紧力接触校准件，单独将传感器升温至100℃并自然冷却，温度每下降5℃记录下传感器读数。以20℃时得到的数据X₀为基准，计算所有记录的读数与X₀之差，记为Δx₁、Δx₂…Δx₂₀以温度T为横坐标、偏差数据Δx为纵坐标画出散点图，利用MATLAB工具进行曲线拟合，即可得到Δx与T的关系函数如下：

Δx＝f(T) (4)

进一步的，根据位移传感器结构不同，可能需要考虑偏差数据Δx与测头偏差值之间的换算关系。

步骤3：校准件和轴类零件的温度补偿；

校准件和被测轴径向量的变化均与温度呈线性关系。轴类零件在线测量温度补偿中涉及三个温度，校准温度为20℃，设备进行校准时的环境温度为T，工件的温度为T1，设工件热膨胀系数为α₁，校准件热膨胀系数为α₂。

测量过程中需定时定次对测头零位进行重新校准，此时校准件处于非校准温度(20℃)，发生径向膨胀或收缩，此时补偿值如下：

Δ_校准件＝(T-20)×α₂×L (5)

其中L为标准温度20℃下校准件的径向长度

在线测量中被测轴类零件在测量时也非处于标准温度，当前温度轴类零件的补偿的值如下：

Δ_轴＝(T₁-20)×α₁×L (6)

其中L为标准温度20℃下轴类零件的径向长度

校准件和轴类零件整体的温度补偿量如下：

Δ＝Δ_校准件-Δ_轴＝L×((T-20)×α₂-(T₁-20)×α₁)

(7)

进一步的，将测量轴类零件时所有温度补偿量代入式1可得下式：

R₀+Δ＝C+d₀-Δx (8)

进一步的，将式9带入式2可得轴颈的实际径向长度如下：

R＝Δ+Δx+d-d₀+R₀＝Δ+Δx+Δd+R₀ (9)

综上所述，由于采用了以上技术方案，产生的有益效果如下：

本发明不需要额外的硬件电路补偿，仅需要预先对使用的位移传感器做温度特性补偿实验，即可改善温度对位移传感器测量性能上带来的影响。在此基础上，该技术方案可以直接应用于生产线条件，因为已经充分考虑了生产环境室温可能对校准件、轴类零件的影响，并给出了不同温度下的补偿公式。本发明几乎不增加成本，同时补偿效果也十分显著。

附图说明

图1是位移传感器测量轴类零件的温度补偿方案流程图；

图2是被测曲轴截面；

图3是测量校准件结构图；

图4是LVDT结构与位移缩小原理图。

具体实施方式

以下结合附图和发明人依据本发明提供的技术方案所完成的具体实施例，对本发明做进一步的详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图2所示，用单片挠性规式LVDT传感器测量曲轴主轴颈为例，具体展现本发明的实际应用方法，其具体实施步骤为：

1、理想条件下的主轴颈的测量；

比较法测量前需先对校准件进行校准测量以获得位移零点，校准件结构如图3所示，其中LVDT测头正对主轴颈中心，R₀为主轴颈校准半径。

将未检测状态下测头与轴颈中心之间的原始距离设为C，标定主轴颈时测头的位移量为d₀，则此时有

R₀＝d₀+C (1)

测量实际工件时，设测头的实际位移量设为d，则此时刻的轴颈的实际半径长度为R＝d+C (2)

R＝d-d₀+R₀＝Δd+R₀ (3)

对轴类零件采用比较法测量，需要利用校准件的半径值和测头位移差值计算得到被测曲轴的径向长度值，而校准件的示值为测量校准环境中测量仪器测得的数值，根据其材料的温度特性在车间环境中会受温度影响，而且传感器也会受温度影响，从而造成测量误差。下文将提出传感器和工件材料的温度补偿方法。

2、单片挠性规式LVDT位移传感器的温度特性补偿；

单片挠性规式LVDT位移传感器结构与位移缩小原理见图4。

温度补偿实验在室温为20℃的校准计量室中进行，由于生产线大多是在0-100℃下运作的，故该实验考虑的温度变化范围是0-100℃。

假定条件：

①该LVDT传感器不因温度变化遭到破坏且在20℃下测量结果精确。

②校准件表面温度始终维持在20℃。

实验步骤：

首先将LVDT传感器测头以一定预紧力接触校准件，单独对单片挠性规式LVDT位移传感器进行升温至100℃，等待其自然冷却。

从100℃时开始，每下降5℃记录下传感器读数，共能获得20个数据。

记20℃时得到的数据为X₀，以X₀为基准，计算所有共计20个数据值与X₀的数值之差，得到新的20组偏差数据，记为Δx₁、Δx₂…Δx₂₀。

以温度T为横坐标、偏差数据Δx为纵坐标画出散点图，利用MATLAB工具进行曲线拟合，即可得到Δx与T的关系函数：

Δx＝f(T) (4)

由于LVDT传感器位移与侧头位移成线性关系(见图4)，故实际测头的位移偏差为：

3、校准件和待测件的温度补偿；

校准件和被测曲轴径向量的变化均与温度呈线性关系，通过校准实验室温度(20℃)、对设备进行校准时的环境温度和实际测量温度三个不同温度环境下进行测量补偿，得到修正系数，有效降低温度变化对检测结果的影响。

曲轴主轴颈在线测量温度补偿中涉及三个温度，校准实验室温度为20℃，设备进行校准时的环境温度为T，曲轴的温度为T₁，设工件热膨胀系数为α₁，校准件热膨胀系数为α₂。

测量过程中需定时定次对测头零位进行重新校准，此时校准件处于非校准温度(20℃)，发生径向膨胀或收缩，此时补偿值为：

Δ_校准件＝(T-20)×α₂×L (6)

在线测量中曲轴主轴颈在测量时仍处于非标准温度状态，当前温度下轴颈直径与20℃时轴颈直径需要补偿的值为：

Δ_主轴颈＝(T₁-20)×α₁×L (7)

根据曲轴材料的金属性质，高温下发生膨胀，因此需在测量结果中减去补偿值。校准测量零位时，校准件膨胀则测头初始位移增加，相当于在测量曲轴时少加了Δ校准的补偿值。因此，整体的温度补偿量为：

Δ＝Δ_校准件-Δ_主轴颈＝L×((T-20)×α₂-(T₁-20)×α₁) (8)

4、曲轴测量的整体温度补偿；

综合考虑温度对传感器与工件的影响，生产线上进行曲轴主轴颈测量时有：

R₀+Δ＝C+d₀-ΔX (9)

其中R₀是校准件的半径，Δ是整体的温度补偿量，C是检测状态下测头与轴颈中心之间的原始距离，d₀是标定曲轴时测头的位移量，ΔX是LVDT传感器测头的实际偏差。

将式(9)带入到式(2)可得：

R＝Δ+ΔX+d-d₀+R₀＝Δ+ΔX+Δd+R₀ (10)

这时所得到的R即是主轴颈的真实半径，达到精准测量曲轴主轴颈的目的。

Claims (4)

1.一种位移传感器测量轴类零件的温差补偿方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤1：表示轴颈的理想径向长度；

理想条件下测得校准件的半径表示如下：

R₀＝d₀+C (1)

其中，C为未检测状态下测头与轴颈中心之间的原始距离，d0为标定主轴颈时测头的位移量；

测量实际工件时，设测头的实际位移量设为d，则此时刻的轴颈的实际径向长度如下：

R＝d+C (2)

将(1)式与(2)式整理如下：

R＝d-d₀+R₀＝Δd+R₀ (3)步骤2：对位移传感器进行降温实验并补偿其温度特性；

位移传感器以一定预紧力接触校准件，单独将传感器从100℃降温至0℃，每下降5℃记录下传感器读数；以20℃时得到的数据X₀为基准，计算所有记录的读数与X₀之差，记为Δx₁、Δx₂...Δx₂₀以温度T为横坐标、偏差数据Δx为纵坐标画出散点图，利用MATLAB工具进行曲线拟合，即可得到Δx与T的关系函数如下：

Δx＝f(T) (4)

步骤3：校准件和轴类零件的温度补偿；

校准件和被测轴径向量的变化均与温度呈线性关系，校准计量室温度为20℃；测量过程中需定时定次对测头零位进行重新校准，此时校准件处于非校准温度20℃，发生径向膨胀或收缩，此时补偿值如下：

Δ_校准件＝(T-20)×α₂×L (5)

其中L为标准温度20℃下校准件的径向长度，T为设备进行校准时的环境温度；α₂为校准件热膨胀系数；

在线测量中被测轴类零件在测量时也非处于标准温度，当前温度轴类零件的补偿的值如下：

Δ_轴＝(T_i-20)×α₁×L (6)

其中L为标准温度20℃下轴类零件的径向长度，T₁为设备进行校准时的工件温度，α₁为工件热膨胀系数；

校准件和轴类零件整体的温度补偿量如下：

Δ＝Δ_校准件-Δ_轴＝L×((T-20)×α₂-(T₁-20)×α₁) (7)

将测量轴类零件时所有温度补偿量代入式(1)，整理如下：

R₀+Δ＝C+d₀-Δx (8)

将(2)式和(9)式整理可得轴颈的实际径向长度如下：

R＝Δ+Δx+d-d₀+R₀＝Δ+Δx+Δd+R₀ (9)

2.根据权利要求1所述的一种位移传感器测量轴类零件的温差补偿方法，其特征在于，步骤2单独对传感器进行降温实验，并将所得离散点拟合获得位移偏差与温度之间的函数关系。

3.根据权利要求2所述的位移偏差与温度之间的函数关系，其特征在于根据位移传感器结构不同，需要考虑位移传感器偏差数据Δx与测头偏差值之间的换算关系。

4.根据权利要求1所述的一种位移传感器测量轴类零件的温差补偿方法，其特征在于，步骤3引入材料的热膨胀系数进行温度补偿，且校准件和工件材料不必一致。

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