（测试计量技术及仪器专业论文）活塞环参数自动检测仪测量与控制系统的研制.pdf

活塞环参数自动检测仪测量与控制系统的 研制 d e v e l o p m e n t o f m e a s u r i n g a n dc o n t r o l ；y s t e mf o ra u t o m a t i ci n s p e c t e di n s t r u m e n t o np a r a m e t e r so fp i s t o nr i n g 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：柏年福 指导教师：王仲教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年六月 摘要 活塞环是内燃机的重要零件之一，它与气缸壁的密合程度直接决定着发动机 的工作效率。活塞环漏光度与闭口间隙是活塞环两项重要的参数，我国以检测活 塞环与标准环规间的漏光度来间接反映气密性，同时对装入汽缸中的活塞环闭口 间隙也有相应要求。 目前国内的活塞环漏光度与闭口间隙检测依然依靠人工目测，检测质量不可 靠，工作效率低，劳动强度大。本课题运用先进的光电检测技术及计算机视觉技 术，结合可编程逻辑控制器p l c 及h m l 人机界面，成功研制了活塞环参数自动 测量与控制系统，实现了机车柴油机大型活塞环漏光度和闭口间隙自动化、可视 化、高速检测与分选。 本文主要工作如下： 1 、结合工业现场使用要求，分析漏光度与闭口间隙检测的特点和难点。 2 、设计完成漏光度检测及数据处理系统。根据漏光度检测特点，进行器件 选型，设计完成漏光度检测硬件系统；设计完成漏光度数据采集处理及结果评判 软件系统；通过分析比较光电传感器调整方法，设计完成光电传感器调整系统。 3 、设计完成数据评判系统。完成闭口间隙检测系统的嵌入与管理，结合漏 光度评判结论，综合评定被测活塞环的最终结果，为分选动作提供依据。 4 、设计完成嵌入式计算机与p l c 之间的通信控制系统。采用基于自由口通 信的串行异步通信模式，建立嵌入式计算机与p l c 之间的通信系统。对数据传 输格式进行研究，提出用文本的方式来传送二进制数据。为了提高通信系统的稳 定性，在对数据检错校验的情况下建立重发机制，极大的提高了检测仪工作效率。 5 、设计完成循环冗余校验( c r c ) 系统。介绍差错控制方式，重点分析了 自动重发请求方式中的奇偶校验与c r c 。分别用按比特、按字节求解c r c ，详 细推导了校验宽度为1 6 的c r c 的理论过程，实现了两种c r c 的工程算法一 按比特实现法、按字节实现法。对比分析奇偶校验与c r c 对通信系统的可靠性， 实践结论表明c r c 可靠性远远高于奇偶校验。 6 、完成工业现场调试，通过甲方验收。 关键词：活塞环漏光度闭口间隙通信控制系统c r c a b s t r a c t t h ep i s t o nr i n gi sa ni m p o r t a n tp a r to fi n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e ，t h et i g h t n e s s b e t v v e e np i s t o nr i n ga n dc y l i n d e rw a l lh a sab e a r i n gd i r e c t l yo ne f f i c i e n c yo f i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e l i g h t - g a pt i g h t n e s sd e g r e ea n d e n dc l e a r a n c ea r et w o i m p o r t a n tp a r a m e t e r so fp i s t o nr i n g t h el i g h t - g a pt i g h t n e s sd e g r e eb e t w e e n t h ep i s t o n a n dt h es t a n d a r dg a u g er e f l e c t st h es t e a mt i g h t n e s sd e g r e ed o m e s t i c a l l yw h i l et h ee n d c l e a r a n c eo ft h ep i s t o nr i n gw h i c hi sl o a d e di n t os t a n d a r dg a u g e i sa l s or e q u i r e d s of a rt h ei n s p e c t i o no ft h et w op a r a m e t e r si sm a n u a lw o r k w i t hh i g hi n t e n s i o n ， 1 0 we f f i c i e n c ya n dl o wr e l i a b i l i t y a d v a n c e do p t i c e l e c t r i c a ld e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rv i s i o nt e c h n o l o g yi n c o r p o r a t e w i t hp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rp l c a n d h m im a n m a c h i n ei n t e r f a c ea r ea d o p t e di nt h i sp r o j e c t t h ea u t o m a t i cm e a s u n n ga n d c o n t r o ls y s t e mo fp i s t o nr i n gp a r a m e t e r sw h i c ha c h i e v e sa u t o m a t i c ，v i s u a la n d h i g h s p e e di n s p e c t i o na n ds o r t i n g o fl i g h t g a pt i g h t n e s sd e g r e ea n d e n dc l e a r a n c eo t p i s t o nr i n gi ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h em a i nw o r ko f t h et h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 r e s e a r c h i n gi n t ot h et r a i t sa n d d i f f i c u l t i e so fl i g h t g a pt i g h t n e s sd e g r e ea n de n d c i e a r a n c eo fp i s t o nr i n ga c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t si ni n d u s t r yf i e l d 2 d e s i g n i n gt h el i g h t g a pt i g h t n e s sd e g r e em e a s u r i n g a n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m s e l e c t i n gh a r d w a r ed e v i c e sa n dd e s i g n i n g t h el i g h t g a pt i g h t n e s sd e g r e em e a s u r i n g h a r d w a r es y s t e ma c c o r d i n gt ot h et r a i t so fl i g h t g a pt i g h t n e s sd e g r e em e a s u r i n g ； d e s i g n i n gl i g h t - g a pt i g h t n e s sd e g r e ed a t aa c q u i s i t i o na n d r e s u l te v a lu a t i o ns o f t w a 陀 s y s t e m ；d e s i g n i n go p t i c e l e c t r i c i t y s e n s o ra d j u s t m e n ts y s t e mb ya n a l y z i n ga n d c o m p a r i n ga d j u s t m e n tm e t h o d s o fo p t i c 。e l e c t r i c i t ys e n s o r 3 d e s i g n i n gt h ed a t ae v a l u a t i o ns y s t e m e v a l u a t i n gt h ef i n a lr e s u l to f p i s t o nr i n g t op r o v i d et h eb a s i sf o rs o r t i n gm o v e m e n tb ye m b e d d i n g t h ee n dc l e a r a n c ei n s p e c t i o n s y s t e ma n dl i g h t g a pt i g h t n e s sd e g r e ee v a l u a t i o nr e g u l t 4 d e s i g n i n gc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls y s t e mb e t w e e ne m b e d d e dc o m p u t e r a n dp l c a d o p t i n gs e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o nm o d ew h i c h b a s e so nt h ef r e ep o r t c o m m u n i c a t i o n st oe s t a b l i s ht h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e t w e e ne m b e d d e dc o m p u t e r a n dp l c 。m a k i n gr e s e a r c ho nt h ef o r m a to fd a t at r a n s m i s s i o n ，a n dp r o p o s i n g t h ei d e a t h a ts e n d sb i n a r yd a t ai nt h ef o r mo f t e x t i nt h ep u r p o s eo fe n h a n c ec o m m u n i c a t i o n s y s t e ms t a b i l i t y , ar e - i s s u e dm e c h a n i s ma f t e rt h ed a t ae r r o rc h e c ki se s t a b l i s h e dw h i c h e n h a n c e st h ee f f i c i e n c yo ft h ei n s t r u m e n tg r e a t l y 5 d e s i g n i n gc r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) s y s t e m i n t r o d u c i n ge r r o rc o n t r 0 1 m o d e ，a n a l y s i n gp a r i t yc h e c ka n dc r ci na u t or e q u e s tr e p e a tm o d e m a t h e m a t i c a i i v c a l c u l a t i n gt h ec r ca tb i ta n db y t el e v e la n d d e d u c t i n ga16 b i tc r c ，a c c o m p l i s h i n g 咖e n 9 1 n e e r i n ga l g o r i t h m so f c r c ：b i ti m p l e m e n t a t i o n ，b y t ei m p l e m e n t a t i o n t h e a n a l y t i c a lc o m p a r i s o no ft h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n p a r i t yc h e c ka n d c r cs h o w st h a tt h ec r c i sm o r er e l i a b l e 6 a c c o m p l i s h i n gd e b u g g i n gi ni n d u s t r yf i e l d ，t h ep r o j e c ti sc h e c k e da n d a c c e p t e d b yp a r t ya ( c s rq i s h u y a nl o c o m o t i v e & r o l l i n gs t o c k t e c h n o i o g yr e s e a r c h i n s t i t u t e ) k e yw o r d s ：p i s t o n r i n g ，l i g h t g a pt i g h t n e s sde j 贮，e n dc j e a 啪c e ，c o m m u n i c a t i o n a n dc o n t r o ls y s t e m ，c r c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一虢柏陷一期：酬年乡月r 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 签字同期：朋年易月 r f | 导师签名： 签字同期：7 坼6 月，一同 ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 活塞环参数自动检测仪的意义 内燃机广泛应用于工业、农业、交通运输和国防建设，在国民经济生产中发 挥着极其重要的作用。活塞环是内燃机的重要零件之一，是内燃机众多零件中使 用条件最为苛刻的零件之一，它的性能好坏对内燃机的质量有决定性的影响【。 漏光度与闭口间隙是活塞环两个重要的参数指标。活塞环外壁与气缸间的气 密性直接决定了内燃机的工作效率【2 】，我国以活塞环与标准环规问的光密封度来 间接反映气密性，其定义是：将活塞环放在气缸基本直径的环规内，其外圆面阻 止光线通过的能力【3 】。而在生产实践中，是通过观察漏光光线来评判光线通过的 能力，由此衍生出一个新的概念：漏光度。活塞环闭口间隙即活塞环放在标准 气缸内，在闭口处呈现的间隙。闭口间隙是防止活塞环受热膨胀后卡死在缸内， 因此活塞环闭口间隙的尺寸对于活塞运动具有重要意义1 4 j 。 目前我国对于活塞环漏光度与闭口间隙的检测依旧靠工人在暗室中检测，其 具体方法是：将活塞环放在气缸基本直径的环规内，用光源从下向上照射活塞环 外壁与环规接合面，手动旋转活塞环，用肉眼观察整个圆周的漏光情况并估算总 的漏光弧长和分布情况【5 j ，得出漏光度大小，然后用塞尺测量闭口间隙尺寸。人 工检测不仅在检测过程中有很大的劳动强度，而且在检测过程中必然引入检测者 的主观因素，造成检测结果的不准确，检测效率低下。 针对当前活塞环检测跟不上活塞环产业整体发展的特点，本课题运用先进的 光电视觉检测及计算机视觉技术，结合可编程逻辑控制器p l c 及h m l 人机界面， 成功研制了活塞环参数自动测量与控制系统。实现了活塞环漏光度和闭口间隙自 动化、可视化、高速检测与分选，使工人们从繁重、重复的体力劳动中解放出来， 提高活塞环检测质量和检测速度，以适应现代化生产的需求，为我国内燃机工业 和汽车工业的发展做出贡献。 1 2 国内外研究概况 多年来，国内一些院校及工厂对活塞环参数自动检测仪有所研究并取得一系 列成果，其中较为成功的包括： 第一章绪论 1 2 1 内燃机活塞环漏光检测仪 江苏省机械研究设计院设计的“内燃机活塞环漏光检测仪，【7 1 ，其具体设计 方案如下： 把被测活塞环压入固定在水平安置的圆形转盘内的环规，活塞环与环规的待 测接合面可以随转盘一起旋转。紧靠转盘与被测面的下方有一固定托盘，其上开 有一个接收窗，当转盘旋转时该接收窗始终对准被测接合面，窗口下接一只光敏 器件，它与位于转盘上方的光源射来的光束、被测接合面的待测漏光间隙在一条 垂直轴线上。通过接收窗口的一段漏光光束被光敏器件接收并转换成电信号，该 电信号经过放大引到与转盘同时转动的动触头上。转盘转动时动触头与安装在水 平位置的固定圆盘的圆周上均匀分布的若干个静触头顺序接触，将被测接合面整 个圆周各段漏光信号依次传送给显示屏。显示屏是由7 2 个均匀分布的发光器件 组成。如果某个发光器件“亮”，则表明该点漏光。装置如图卜1 所示： 图1 1 漏光检测仪装置图 1 、静触头，2 、动触头，3 、转盘，4 、光源光束，5 、待测结合面，6 、接受窗， 7 、光敏器件，8 、活塞环，9 、托盘，1 0 、支架，1 1 、环规，1 2 、固定圆盘 该检测仪结构简单，成本较低。但是该检测仪用7 2 个发光器件反映活塞环 的漏光情况，每个发光器件对应5 度圆心角，计算光密封度数的精确性差。其次， 该方案理论虽可行，但在实际检测中会遇到很多实际问题，比如：如何上料、卸 料、分选等。 1 2 2 发动机活塞环检测仪 东北重型机械学院南校设计的“发动机活塞环检测仪 【8 1 ，其工作过程如下： 将各部件的中心通过调整可调支架调到一条水平线上，由h e n e 激光器发出 第章绪论 的光束，经由光束调制器照射在全反射镜8 上，再反射到全反射镜9 上当电机 1 2 带动环行光发生器转动时由全反射镜9 反射出来的光点的运动轨迹为圆周， 其圆周直径( 按光点中心计算) 为环行量规的内经，光点穿过环行量规与被捌活 塞环之间的间隙，照在光电池中，光电池产生的光电流，由光屯检流计显示出来。 ( 若配微机控制可去除光电检流计，将光电池引出线接到微机控制电路中去，然 后直接分选成品与废品。) 图i 一2 a 发动机活塞环检测结构示意图 图l - 2 b 光电转换罂结构示意囝 1 、光具座，2 、可调支架，3 、激光器，4 、光束调制器5 、可调支架， 6 、光电转换器环形暗盒，7 、环形量规，8 、4 5 0 模块，9 、4 5 0 模块， 1 0 、连接杆，1 1 、轴，1 2 、环形光发生器电机，13 、可调支架，1 4 、配重， 5 、可调支架，1 6 、光电检流计，1 7 、活塞环，i8 、外压盖，1 9 、光电池组 2 0 、内压盖 该测量仪的技术要求非常高：首先，每次检测前都要保证调整各部件中心严 格在同条水平线上，只要有一个部件偏离，就会导致检测失败：其次，4 5 度 第一章绪论 棱块角度要求非常严格，以保证全发射镜8 反射到全反射镜9 的光束与系统轴线 垂直，由全反射镜9 反射出的光束与系统轴线平行：另外，为保证反射光的光强 及其方向性，有必要在全反射镜8 与9 表面真空镀膜并加保护层。 以上这些方面无论对于加工制造或现场操作都是极其不利的；其次，该方案 中用到旋转，存在同轴度误差，致使光源光线没能照到漏光间隙上误认为不漏光， 使测量失真。另外根据该测量仪结构特点可知，该测量仪只适合在实验室做活塞 环的单个抽样检测而不适合大批量、在线检测，难以运用到工厂实际生产检验中 去。 1 2 3 活塞环密封性自动检测分选机 第一汽车集团公司设计的“活塞环密封性自动检测分选机” 9 1 ，其设计原理 是：把被测活塞环装入标准环规中，当活塞环在圆度上存在缺陷时，用光照会漏 光。同样，用气测会漏气，漏气量大小表示活塞环缺陷程度。活塞环装入环规后， 将活塞环闭口间隙、端面都封死，从活塞环端面一侧打入稳定压强的压缩空气， 如果活塞环外径上有缺陷，就会引起气流外泄，充气室内的气压就会小于稳压值。 这样，我们就可以以一个合格活塞环充气室的气压为标准，大余或等于该气压值 的，即为合格产品，小于该气压值的，即为不合格产品。通过电气转换装置将合 格与不合格的产品自动分开。其装置如图1 3 a ，图1 3 b ，图1 3 c 所示。 图1 - 3 a 分选机主视图图1 3 b 分选机剖视图 l ，2 ，3 一气缸；4 一分选电磁铁；5 一料箱；6 一分选翻板； 卜环规；1 卜下压头：1 1 一导料柱；1 2 一定位键； 1 4 ，1 5 一充气接头；1 6 - 上压头；1 7 _ 密封圈； 矿 图1 3 c 分选机侧视图 7 一滑板；8 一支套： 1 3 一送料板； 1 8 一料筒 第章绪论 该分选机结构紧凑、成本较低。但是对闭口间隙的对位要求非常准确，否则 中间的一条筋不能将活塞环闭口间隙堵死，造成漏气现象，这无疑对机械设计提 出较高要求，给整体设计带来了极大的难度。该分选机只能对密闭性进行检测， 不能对闭口间隙进行检测，功能单一，且因其不按国家检测标准进行设计，其运 用范围很有局限性。该方案理论虽可行，但在实际检测中我们担心会遇到很多实 际的问题，比如：如何实现自动化连续检测、多规格变换等。 1 2 4 内燃机活塞环质量自动检测及其自动分选装置 四川省菩陵市海凌内燃机配件总厂摩托车分厂张同玉等设计的“内燃机活塞 环质量自动检测及其自动分选装置”i l 。 该装置是一套完善多功能装置，既能对活塞环闭口间隙进行测量又能对光密 封度进行检测。而且对送料机构、装卸机构、运送机构和分选机构都做了说明性 阐述。该装置如下图所示，由安装在工作台及支撑台右边的送料机构，装在工作 台上方及下方的装卸机构，装在工作台下表面上的运送机构，装在工作台左边的 夹持机构，装在夹持机构上和其下方的检测机构和装在装卸机构的工作台下方 a i 占n 娑俐 一一、= j 帑i 。支一钞_ 喇 聊 、， 一 图1 4 a 自动检测及分选装置俯视图 第一章绪论 图1 4 b 自动检测及分选装置结构图 l ，3 ，2 7 ，3 l 一步进电机；2 ，4 ，2 8 ，3 7 一活塞；5 ，7 _ 连接嘴；6 - 发光室； 8 一镶环套；9 ，1 3 ，3 0 ，3 6 一丝杆；1 卜活动压头；ll 镶环套载板； 1 2 一活塞环叠：1 4 一监视器；1 5 一工作台；1 6 ，1 卜摄像机；1 7 - 活塞环； 18 ，2 3 一反射镜；2 卜固定卸槽；2 1 一固定压头；2 2 一工作台基座； 2 4 ，2 5 ，2 6 一接料杆；2 9 一活动卸料槽：3 2 一固定环座；3 3 一压头：3 4 一推环板； 3 8 一计算机；3 9 一支撑台 的分选机构六部分组成。 送料机构、装卸机构、运送机构与分选机构这里不做详细介绍。下面介绍一 下与课题研究有关的夹持和检测机构：如图1 4 b 所示，夹持机构由步进电机l 、 活塞2 、丝杆9 、连接臂5 、活动压头1 0 和固定压头2 1 组成。步进电机安装在 固定在工作台左边的一个竖直支撑板上，丝杆9 与该电机连接，活塞2 装在丝杆 9 上，与活塞2 连接的连接臂5 装在一竖直杆的上端，竖直杆的下端有活动的压 头1 0 ，活动压头1 0 装入镶环套8 孔中，镶环套8 孔下端对应位置，装有固定压 头2 l ，三者保持同心状态，位于固定压头2 1 和活动压头1 0 之间的镶环套8 孔 内装自由张紧与镶环套8 孔内的活塞环，组成密闭型夹持机构。 如图1 4 b 所示，检测机构由发光室6 、两块互成人字型且互相垂直的反射镜 18 和2 3 、摄像机16 和1 9 、监视器1 4 、计算机3 8 组成。 6 第一章绪论 7 图1 4 c 自动检测装置及分选装置a a 面剖视图 发光室安装在活动压头上方；反射镜安装在工作台基座上，能调节高度；摄 像机安装在反射镜两端，其镜头对准反射镜镜面；监视器安装在工作台左端；计 算机安装在固定卸料槽右边，实现对整个装置的控制。由发光室发出的光线经过 夹持机构的镶环套8 与活塞环间的非贴合间隙和活塞环闭合间隙，在反射镜上形 成静态的完整图像，经摄像机摄取和计算机处理，得出合格判断和图像再现。该 装置将获取静态圆周漏光图像用摄像机的水平扫描线，划分为1 0 2 4 等份，对每 一等份是否漏光进行判断，其中，发光室由灯泡与毛玻璃组成，以取得平行光； 发射镜采用光学平面发射镜；摄像机采用电荷耦合式h s v - i8 0 1c c d 摄像机。 该方案是一项比较完善的方案。首先，其采用h s v - 1 8 0 1 c c d 摄像机，打破 了以往用一般内光敏器件的常规，一般光敏器件检测漏光需将其置欲暗室以避免 杂光，采用h s v - 18 0 1c c d 摄像机摄取活塞环及环规全部图像，可省去设置暗室 的麻烦。 该方案不足之处有：一、该文献指出：为取得平行光采用毛玻璃，这一点能 否实现还有待验证；一般情况下，都是将点光源放置于凸透镜焦点处来获取平行 光；二、h s v - 1 8 0 1 c c d 摄像机能否分辨小至几微米量级的漏光间隙有待验证。 天津大学精仪学院于9 0 年代初，对前人工作做了较细致深入的总结，对活 塞环漏光特性做了较为合理的分析，提出了自己的设计方案并完成了首台工业样 机，通过了武汉汽车配件厂的工业现场验收。在此课题的研究中，我们继承了以 第一章绪论 往的很多经验，但由于两课题针对的被测活塞环尺寸相差较大( 武汽配的活塞环 直径在9 0 1 2 0 m m 之间，该项目活塞环直径在1 8 0 - 2 8 0 m m 之间) ，以及整个光 电检测行业多年来的迅速发展，在学习这些经验的同时，我们也进行了很多改进 并且对一些前人留下的问题进行了解决。这其中最主要的三个个问题是： 1 、活塞环检测时，光源和光电探测器件转动带来的拖线问题。 2 、光电探测器件的响应频率较低，造成数据误判并限制了检测速度。 3 、通信传输错误而不能正确检错，引发机器故障，设备工作连续性较差 国外方面，或因活塞环加工精度高，在活塞环的加工过程中就已经保证了活 塞环与汽缸壁之间的气密性，无需再对之进行漏光度及闭口间隙的检测；或因加 工工艺不同，检测方法亦有差异，因此鲜有此方面的研究资料【l 】。 1 3 活塞环参数自动检测仪实现的关键技术 根据对课题任务的理解和分析，要实现活塞环参数自动检测与分选，首先要 解决以下问题： 图1 - 4 漏光光缝示意图 1 、弱光探测。活塞环与环规间缝隙通常为月牙形，如图1 4 ，即光缝首尾部 分漏光较弱而中间较强。因为漏光检测的目的是检测漏光弧段所对应的圆心角， 因此首尾部分正是测量的敏感部分，此部分检测的精度决定了整个检测的精度。 通常首尾部分光隙宽度在微米级，所透过的光能量极弱并且不稳定，加之狭缝产 生的物理光学效应更增加了信号探测的难度。 2 、光能量非线性。如上所述，光缝的宽度是不均匀的，而且随着光缝宽度 的增加，漏光光束能量的增加是快速且非线性的，这就对光电接收器件提出了较 高要求：既要能准确地检测到微弱光信号，又要避免因光信号饱和而影响到检测 结果。 3 、重复性。活塞环漏光度和闭口间隙两项指标不是其自身的独立参数，而 是限定在特定条件下、与检测方法有关的参数。具体而言，是活塞环与标准环规 的一种结合状态。要想获得可重复的测量结果，首先要保证活塞环每次装入环规 的状态精确一致。由于漏光光隙仅为微米量级，实现重复性测量非常困难。 4 、高速度。活塞环是大批大量产品，要求很高的检测效率，这给活塞环检 第一章绪论 测仪的总体设计，测试信号处理都增加了难度。 5 、多品种。戚墅堰机车车辆工艺研究所活塞环工程部的产品有几百种，较 有批量的也有几十种之多。这不仅要求检测仪器的检测范围能够涵盖相关品种， 还要求变换规格时要操作简单，调整方便。 6 、通信可靠性。检测过程中数据通信频繁，工业现场噪音、工业布线干扰 数据通信准确性，如何高效率地完成数据的传输、信息交换和通信处理任务是关 系检测仪工作效率的一大难题。 7 、抗干扰性。工业现场噪声、工业布线等影响信号采集及处理，给信号采 集与处理硬件及软件设计带来了一定的难度。 1 4 合同参数指标 2 0 0 6 年3 月，在听取了我方关于可行性实验结果的汇报后，中国南车集团戚 墅堰机车车辆工艺研究所对我方的工作给予了充分肯定，并与我方签署了继续研 制活塞环参数自动检测仪的合同，合同主要内容包括： 应达到的技术指标和参数： 1 、活塞环尺寸范围： l8 0 - - 2 8 0 m m 2 、检测速度： 2 片( 争取3 片) 每分钟 3 、漏光度角分辨率： 2 。 4 、闭口间隙不确定度：o 0 5 m m 5 、分选通道数：3 ( 合格，可修复不合格，废品) 6 、整机实现自动化检测与分选。 整个项目于2 0 0 7 年1 2 月3 1 日前完成，项目经费总额3 0 余万元。 1 5 本文的研究内容 本课题是在前人于实验装置上完成可行性实验分析的基础上继续研究，具体 完成的研究工作有： l 、利用光电检测技术，针对火车内燃机活塞环( 直径在1 8 0 m m - 2 8 0 m m ) ， 设计活塞环漏光度检测系统。对于该漏光度检测系统，要求检测精度能够达到2 。中心角对应弧长，除装卸过程，每片环的检测时间不大于2 秒。 2 、利用漏光度检测系统对检测出的漏光度数值进行数据处理与分析，验证 该检测仪的检测精度、检测速度及检测重复性。建立漏光度评判系统，对数据进 行评判，得出漏光度评判结果。 第一章绪论 3 、利用计算机视觉技术，设计活塞环闭口间隙检测系统。利用闭口间隙检 测系统对闭口间隙进行检测，记录并分析实验数据，验证该检测系统的检测精度、 检测所需时间及检测重复性。建立闭口间隙评判系统，对数据进行评判，得出闭 口间隙检测结果。 4 、建立嵌入式计算机与p l c 之间的通信系统。针对通信传输易于出错的特 点，对差错控制技术进行分析研究，设计一种稳定可靠的检错校验重发机制。 第二章漏光度检测及数据处理系统 第二章漏光度检测及数据处理系统 由于正常漏光范围仅为o i m l 3 0 _ u n ，所以检测漏光间隙属于计量当中的小尺 寸范畴，这就需要检测系统必须对弱光具有足够的灵敏度以及足够的分辨力，以 保证检测的准确性和精度，而且要有较好的检测重复性。在保证质量的情况下尽 可能的提高检测速度，从而对数据处理提出较高的要求。本章主要研究了建立一 套合理的漏光度检测系统，对重要硬件器件进行分析和选择，并描述了检测的具 体实现过程。对检测数据进行分析处理，得出评判结果。 2 1 漏光度探测方案的分析与设计 实现活塞环的漏光度探测，主要有两种方法：静态全圆周探测法和动态扫描 法。 2 1 1 静态全圆周探测法 静态全圆周探测法是在全场照明下，沿圆周按分辨率要求排列相应数量的传 感器( 如光线组) ，如图2 1 a 所示。这种测量方法工件与测量系统无相对机械运 动，为静态测量，不存在动态响应问题，信号质量好，检测效率高。缺点是为满 足分辨率的要求，信号路数必然增多，给电路处理带来了一定的难度，且当一路 或几路信号出现故障时不易发现与查找，可靠性低】。漏光度检测的光源与后面 章节论述的闭口间隙检测光源不一致，给整个检测系统机械设计及控制系统带来 了很大的难度，因此这种测量方法不可取。 图2 1 a 静态全圆周探测法图2 - l b 动态扫描法 第二章漏光度检测及数据处理系统 2 1 2 动态扫描法 动态扫描法依靠传感器与工件的相对运动实现全圆周测量，如图2 1 b 所示， 实现此相对转动又分为两种方案： l 、转动光电探头与光源，保持被测活塞环和环规静止。 2 、转动被测活塞环和环规，保持光电探头和光源静止。 旋转光源和光电探头优点： 具有最佳端面定位精度，保证活塞环每次装入环规时，与环规接触状态的一 致性。 旋转光源和光电探头缺点： l 、拖线问题。光源和光电探头有各自的电源线和信号线，因此在转动过程 中，电源和信号线会随着转动、缠绕，这样会造成对漏光电信号的干扰，同时长 期缠绕拖动会导致拖线的破损，影响整套系统的工作。 2 、光源和光电探头的转动同步问题。如果要保证检测的准确性和重复性， 必须使光源和光电探头保持同步转动，否则会影响漏光信号的准确性。 3 、光电探头要经受运动冲击。在转动开始和结束的过程必然存在较大的加 速度，由此带来的冲击也会对光电探头转换的电信号带来影响【l 】。 旋转被测环与环规的优点： 通过电机就可带动环规转动，方法简单，机械上也容易实现，同时可避免上 述提及的拖线问题、光源和光电探头的转动同步问题和光电探头要经受运动冲击 问题。 旋转被测环与环规的缺点： 被测环和环规的运动误差会导致被测接触面在纵向和径向上的抖动，因而会 影响光电探头对光缝的捕捉，进而影响检测结果。 2 1 3 探测方案的设计 通过对上述两种方案的比较分析，可知旋转光源和光电探头会带来严重的拖 线问题，更由于检测仪工作现场工业布线等因素，这样便会造成漏光电信号的干 扰，影响检测结果与精度。为此我们选择旋转被测环与环规的方案，解决方法如 下：提高齿轮的加工精度，保证了机械旋转中心与环规轴心的同心度，尽可能的 减小环规旋转的同心度误差；增加光电探头上感光元件在径向上的分布面积( 如 图2 2 ) ，这样既提高了系统抗干扰的能力又不会影响系统的灵敏度和分辨率，保 证了检测重复性；增加端面定位系统( 如图2 2 ) ，有效的保证了活塞环与环规的 回转轴之间的夹角为0 ，克服了无端面定位系统时两者之间夹角的变化对整个测 第二章漏光度检测及数据处理系统 量系统引入一个幅值难以把握的随机误差，保证了检测的重复性。在端面定位板 上有一个漏光孔，其正下方正对环规内圆边缘，使所漏光能完全通过该孔照射在 光电探头上的同时不影响端面定位板对活塞环的正确定位。通过实验分析得知该 方案完全满足系统检测所需的精度。 i 图2 2 探测方案图 l 、环规，2 、端面定位盘，3 、活塞环，4 、漏光孔，5 、光电探头 2 2 漏光度检测系统 2 2 1 光密封度检测标准 在国家标准中规定： 1 、弧长测量精度2 。中心角对应的弧长； 2 、连续漏光弧长对应的中心角2 5 。；不连续漏光累计弧长所对应中心角 4 5 。；点状漏光不做漏光计； 3 、闭口间隙处左右不漏光弧长对应中心角1 5 。【1 2 1 。 因为国家标准中对活塞环光密封度检测的标准，是针对直径为2 0 0 m m 及以 下的内燃机活塞环，因此我们还要参考铁道部的检测标准： 1 、外圆面全部研磨的活塞环光密封度应为外圆面周长的10 0 。 2 、外圆面整个圆周，但并非整个环高具有研磨带的锥面环，其光密封度应 为外圆面周长的10 0 。 3 、外圆面有镀层经磨削而无研磨带的锥面环，光密封度不应小于外圆周长 的9 5 。 第二章漏光度检测及数据处理系统 4 、其余活塞环的光密封度不应小于外圆面周长的9 0 。 5 、除二冲程柴油机活塞环外，在闭口间隙处左右各3 0 。范围内不允许漏光 2 2 2 漏光度检测系统工作原理 作为一个完整的检测系统，应包括信息的的获得、变换、处理等几个部分。 漏光度检测系统如图2 3 所示。 图2 3 漏光度检测系统框图 在该系统中，电机带动编码器和轴套，以及连接在轴套上的环规，编码器与 轴套分别连接在大小齿轮上，这样齿轮链接保证了编码器与轴套的转动比。该漏 光度检测系统要求的检测精度为2 。中心角对应的弧长，而被测活塞环与编码器 的转动比为1 ：3 ，因此编码器只要每6 。发送一个脉冲即可。考虑到适当增加脉 冲数可提高检测的准确性和精度，我们最终选择e l t r a t e c h 公司的e l 4 0 增量 型旋转编码器。此时编码器每旋转l 。就发出一个脉冲，检测精度为1 3 。中心 角对应的弧长，环规每旋转一圈检测1 0 8 0 次，更进一步的提高了检测准确性和 精度。 光源安置在环规下方，活塞环与环规结合处透过的光线照射在光电探头上， 经转换放大成模拟电信号。编码器每发出一个脉冲，数据采集卡将采集到的模拟 电信号转换成相应的数字电信号输入到计算机中，通过检测程序把脉冲序列号与 对应的数字电信号一并保存下来，直至环规旋转一周数据采集完毕为止，这样便 得到了此环的漏光数据，在计算机中对数据进行处理评判，得出漏光度结论。 2 2 3 数据采集卡的选择 光电传感器输出的漏光信号是模拟量，必须对它进行模数转换，变为计算机 能够识别和处理的数据量，从而完成整个测量系统的数据采集和处理。数据采集 卡无疑是合适的选择，漏光度检测系统所需的数据采集卡的要求如下： 1 、至少有两个独立的采集通道，且其中一个必须为a d 转换通道。 第二章漏光度检测及数据处理系统 2 、考虑到检测速度最低为2 环秒，并尽可能的提升检测速度，而且检测过 程中活塞环的转动速度并不均匀，所以数据采集卡的频率应大于1 0 0 k h z ，以保 证检测数据的准确性。 3 、尽量选用通用接口的数据采集卡。 4 、在满足检测要求的前提下尽量降低成本。 考虑上述因素，我们初始时选择北京中泰研创公司的p c i 8 3 6 0 v 数据采集卡。 任何测量总是不可避免地存在误差，为了提高测量精度，必须尽可能地消除 和减小误差。误差主要分为随机误差、系统误差、粗大误差，而在活塞环漏光度 中，由于零部件配合的不稳定性，比如环规的径向跳动等因素，很容易造成随机 误差，因此影响测量结果的主要因素是随机误差。如果能够对某一量进行无限多 次测量，就可得到不受随机误差影响的测量值，或其影响甚微，几乎可以忽吲1 4 j 。 根据这一理论可知：如果对某一量实现有限次测量，便可以消除部分随机误差。 这样我们便可以得出这样的结论：如果在每次脉冲触发的时候不是采集一次，而 是采集几次，因为触发采集的过程瞬间完成，所需时间几乎可以忽略不计，漏光 点没发生偏移，求这几次量的算术平均值，便可以消除一部分随机误差。但是由 于环规在运动，因此采集的次数不宜多，否则会因为环规的运动导致在一个脉冲 触发而多次采集时采集点的位置发生偏移。 经实验，当数据采集卡采用p c i 8 3 6 0 时，发现当在同一个漏光点采集次数超 过2 次时，采集位置便发生偏移，算术平均值法便失去意义。究其原因是数据采 集卡频率不够，无法满足高速采集的需求，因此需要选取另一合适的数据采集卡， 最终我们选择的是p c i0 4 数据采集卡。 p c i 0 4 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，是由美国加州的 a m p r o 公司1 9 8 0 年首先开发的，近年来在国际上广为流行。1 9 9 2 年被i e e e 协 会定义为i e e e p 9 9 6 1 。i e e e p 9 9 6 1 是p c 和p c a t 工业总线规范，p c10 4 实质 上是一种紧凑型的i e e e p 9 9 6 。其型号定义和p c a t 基本一致，但电气和机械规 范却完全不同，是一种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。 随着计算机技术的飞速发展，计算机嵌入式越来越受到业界的关注。p c10 4 i e e e 国际标准满足了嵌入式的要求，迅速成长为主流的嵌入式计算机。该系统 一般采用超大规模、功耗极低的a s i c 、c m o s 、i c 电路，综合了高抗干扰电磁 兼容技术、高抗震的叠层栈接技术、超小型高精度多层板技术、高精度双面s m t 技术。由于其体积小、功能强、可靠性高、温度范围广，广泛地应用于智能仪器 仪表、便携式设备、数据采集等各个方面。 p c i 0 4 有两个版本，8 位，1 6 位分别和p c 与p c a t 相对应。p c i 0 4p l u s 则 与p c i 总线相对应。在p c i 0 4 总线的两个版本中，8 位p c i 0 4 共有6 4 个总线管 第二章漏光度检测及数据处理系统 脚，1 6 位的有6 4 + 4 0 = 10 4 个管脚，其有效信号线完全与p c 和p c i 兼容【1 5 】。 p c i 0 4 与普通p c 总线相比有以下主要特点： l 、小尺寸结构：模块的机械尺寸是4 2 5 3 8 5 英寸，即1 0 8 9 7 8 毫米。 2 、栈式连接：去掉总线背板和插板通道，总线以“针”和“孔”形式层叠 连接，即p c i 0 4 总线模块之间总线的连接是通过上层和下层的孔相互咬合相连， 这种层叠封装有极好的抗震性。 3 、轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4 m a 总线驱动即可使模块正 常工作，每个模块1 2 瓦能耗。 4 、总线终端选项：同i s a 标准一样，p c 1 0 4 总线信号拥有终端网络，以此 保证数据的完整和系统的稳定性；用户可以使用模拟终端网络来提供接近信号线 特征阻抗的终端，并且不超出驱动电路的数字电流输出驱动能力【l 6 1 。 5 、模块可自由扩展：p c 1 0 4 模