馬風(fēng)雷， 鄭永濤

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

汽車空調(diào)壓縮機(jī)的活塞是整個(gè)汽車空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)的核心部件，活塞的形狀精度直接影響活塞的耐磨性、氣密性和配合性質(zhì)，進(jìn)而影響空調(diào)壓縮機(jī)的工作效率和使用壽命等，為了提高壓縮機(jī)的工作效率和使用壽命，對(duì)活塞的形狀精度提出了更高的要求，其中圓柱度誤差是衡量活塞形狀精度的主要指標(biāo)之一，它能夠反映活塞實(shí)際形狀與理想形狀之間的誤差，一般需要控制活塞的這個(gè)誤差小于2μm［1－2］。

目前，國(guó)內(nèi)各壓縮機(jī)活塞專業(yè)生產(chǎn)廠家主要采用圓柱度儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以及塞規(guī)等手段進(jìn)行測(cè)量。圓柱度儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，但需要在一定的環(huán)境下進(jìn)行操作，一般都是在活塞加工完成后再送到質(zhì)量檢測(cè)部門進(jìn)行檢測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)加工過程中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，這樣會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)不合格的活塞產(chǎn)品返修時(shí)很費(fèi)時(shí)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率［3］。塞規(guī)是生產(chǎn)車間中最常用的測(cè)量方法，其效率高但測(cè)量精度受到限制，達(dá)不到小于2μm的要求。因此，亟需研究出一種高精度、高效率的活塞圓柱度誤差檢測(cè)方法。鑒于此，文中提出一種活塞的圓柱度誤差測(cè)量新方法——電容形面?zhèn)鞲蟹?，該方法以電容傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，通過采樣面一次獲得活塞整個(gè)表面的面形信息，從而實(shí)現(xiàn)活塞的圓柱度誤差測(cè)量，有效解決了活塞圓柱度誤差的高精度和高效率問題。文中依據(jù)多導(dǎo)體系統(tǒng)部分電容的性質(zhì)以及圓柱度誤差最小區(qū)域評(píng)定原則提出電容形面?zhèn)鞲蟹ǖ臏y(cè)量原理，通過三維實(shí)體多導(dǎo)體系統(tǒng)模型的部分電容數(shù)值分析對(duì)該測(cè)量原理進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)基于該原理研制了測(cè)量裝置，并利用某公司生產(chǎn)的壓縮機(jī)活塞對(duì)該方法進(jìn)行可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 電容形面?zhèn)鞲蟹ǖ臏y(cè)量原理

1.1 測(cè)量原理的提出

由電容參數(shù)的求解過程可知，多導(dǎo)體系統(tǒng)的部分電容只和系統(tǒng)中所有導(dǎo)體的幾何形狀、尺寸、相互位置以及介質(zhì)的介電常數(shù)相關(guān)，與導(dǎo)體所帶電量無關(guān)［4－5］。

圓柱度誤差最小區(qū)域評(píng)定方法是符合圓柱度誤差定義的一種評(píng)定方法，由兩同軸理想圓柱面包容實(shí)際圓柱面時(shí)，具有半徑差為最小的兩同軸圓柱面構(gòu)成的區(qū)域，即為圓柱度的最小區(qū)域，兩圓柱面的徑向距離（寬度）即為半徑差，為實(shí)際圓柱面的圓柱度誤差值［6－7］。

對(duì)于由內(nèi)圓柱體和外圓環(huán)體以及大地組成的多導(dǎo)體靜電獨(dú)立系統(tǒng)，根據(jù)多導(dǎo)體系統(tǒng)部分電容的性質(zhì)和最小區(qū)域評(píng)定法，文中提出如下測(cè)量原理：

1）內(nèi)圓柱體與外圓環(huán)體同軸時(shí)，兩導(dǎo)體之間的部分電容最小。

2）內(nèi)圓柱體與外圓環(huán)體之間的部分電容介于半徑差為最小且包容實(shí)際內(nèi)圓柱面的兩同軸理想圓柱體與外圓環(huán)體之間部分電容的范圍內(nèi)。

1.2 電容數(shù)值分析

使用有限元軟件對(duì)三維實(shí)體多導(dǎo)體系統(tǒng)的部分電容進(jìn)行數(shù)值分析，模型的二維圖如圖1所示。

圖1 分析模型

圖中，模型1為理想內(nèi)圓柱體與外圓環(huán)體以及大地組成的三導(dǎo)體系統(tǒng)；模型2為實(shí)際內(nèi)圓柱體和外圓環(huán)體以及大地組成的三導(dǎo)體系統(tǒng)；模型3為理想內(nèi)圓柱體和外圓環(huán)體以及大地組成的三導(dǎo)體系統(tǒng)。

模型分析參數(shù)見表1。

表1 模型分析參數(shù)

模型仿真結(jié)果見表2。

3種模型電容數(shù)值分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 模型電容數(shù)值分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，當(dāng)內(nèi)圓柱體與外圓環(huán)體同軸時(shí)，兩導(dǎo)體之間的部分電容最?。粌?nèi)圓柱體與外圓環(huán)體之間的部分電容介于半徑差為最小且包容實(shí)際內(nèi)圓柱面的兩同軸理想圓柱體與外圓環(huán)體之間部分電容的范圍內(nèi)。從而驗(yàn)證了文中所提電容形面?zhèn)鞲蟹y(cè)量原理的準(zhǔn)確性。

根據(jù)上述測(cè)量原理，測(cè)量時(shí)，將被測(cè)圓柱零件作為一個(gè)內(nèi)電極，它與另一固定圓環(huán)體電極構(gòu)成一個(gè)電容器，調(diào)節(jié)內(nèi)電極的位置使電容最小，從而保證內(nèi)電極與外電極同軸。

對(duì)于有圓柱度要求零件的通規(guī)直徑和止規(guī)直徑與外電極構(gòu)成的電容器的電容進(jìn)行標(biāo)定，如果測(cè)得的電容在標(biāo)定的電容范圍之內(nèi)，就表明被測(cè)零件圓柱度誤差在規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)，零件合格。否則，被測(cè)零件圓柱度誤差超出了規(guī)定的誤差范圍，零件不合格。

2 測(cè)量裝置的研制

根據(jù)電容傳感法的測(cè)量機(jī)理，文中自主研制的活塞圓柱度誤差測(cè)量裝置［8］如圖3所示。

圖3 圓柱度測(cè)量誤差測(cè)量裝置

外電極和底座之間使用絕緣層進(jìn)行絕緣，絕緣層使用粘膠劑固結(jié)在底座上，電路安裝在底座和圓柱筒測(cè)量頭的連接部分處。測(cè)量時(shí)，將活塞放入圓柱筒測(cè)量頭中，活塞隨著彈簧卡頭下移，下移過程中彈簧開頭不斷加緊，隨時(shí)糾正活塞的軸心位置，當(dāng)活塞和彈簧卡頭都因外力加緊定位后，保證了被測(cè)活塞與外電極和底座具有很高的同軸度，即活塞作為內(nèi)電極與主電極就構(gòu)成了圓柱形傳感器，從而實(shí)現(xiàn)一次完成對(duì)活塞整個(gè)形面的測(cè)量。

3 可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

某公司生產(chǎn)的空調(diào)壓縮機(jī)的活塞，活塞的外徑尺寸為φ35，對(duì)圓柱度要求是0.02mm，已知的通規(guī)直徑為34.99mm，止規(guī)直徑為35.01mm。

對(duì)通規(guī)面測(cè)量5次，測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 通規(guī)面測(cè)量數(shù)據(jù)

考慮試件同軸度誤差，選取最小電容數(shù)據(jù)作為同軸時(shí)的測(cè)量值，即通規(guī)面的電容值為12.470 5pF，理論值為12.459 8pF，誤差為0.010 7pF。

對(duì)止規(guī)面測(cè)量5次，測(cè)量結(jié)果見表4。

表4 止規(guī)面測(cè)量數(shù)據(jù)

同樣選取最小電容數(shù)據(jù)12.501 8pF為止規(guī)面的電容值，理論值為12.513 2pF，誤差為0.011 4pF。

對(duì)活塞試件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表5。

表5 活塞試件測(cè)量數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，活塞試件的測(cè)量數(shù)據(jù)值都在通規(guī)和止規(guī)測(cè)量數(shù)據(jù)值之間，即活塞試件的最小測(cè)量數(shù)據(jù)12.483 6∈［12.470 5，12.501 8］pF，活塞試件的圓柱度誤差在允許的范圍內(nèi)，活塞試件合格，從而表明了電容形面?zhèn)鞲蟹ǖ目尚行浴?/p>

4 結(jié) 語

1）提出一種汽車空調(diào)壓縮機(jī)活塞圓柱度誤差測(cè)量的電容形面?zhèn)鞲蟹?，研究了該方法的測(cè)量原理，并運(yùn)用ANSYS軟件三維實(shí)體多導(dǎo)體系統(tǒng)模型的部分電容進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果驗(yàn)證了該測(cè)量原理的正確性。

2）結(jié)合電容形面?zhèn)鞲蟹ǖ臏y(cè)量原理自主研制了該方法的測(cè)量裝置，利用某公司生產(chǎn)的空調(diào)壓縮機(jī)活塞對(duì)電容形面?zhèn)鞲蟹ㄟM(jìn)行了可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的可行性。

3）所提出汽車空調(diào)壓縮機(jī)活塞圓柱度誤差電容形面?zhèn)鞲袦y(cè)量法簡(jiǎn)單易行，測(cè)量精度高，能滿足現(xiàn)在生產(chǎn)的需要，同時(shí)該方法也可應(yīng)用于其它類型零件形狀誤差的測(cè)量。

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