用于测量发动机缸盖燃烧室容积的光学测量设备及其方法
阅读说明：本技术 用于测量发动机缸盖燃烧室容积的光学测量设备及其方法 (Optical measuring device for measuring volume of combustion chamber of engine cylinder head and method thereof ) 是由 吴卓琦 秦威 彭楠 李昊东 李凌旻 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于测量发动机缸盖燃烧室容积的光学测量设备及其方法,包括底板,所述底板上设置有平移组件；平移组件包括固定设置于底板顶部的X轴固定件,以及一个设置于X轴固定件顶部一侧的伺服电机和固定在X轴固定件顶部另一侧的X轴向导轨,所述X轴向导轨上滑动的设置有X轴滑块,所述X轴滑块底部固定设置有XY轴固定件,所述XY轴固定件上固定设置有电机,所述X轴滑块通过XY轴固定件固定连接有Y轴向导轨,通过设置了平移装置和旋转装置,在测量过程中不需要更改缸盖工件的位置,只需要定位一次就可以将四个燃烧室都测量到,同时三维激光测量传感器的存在非接触地实现了发动机缸盖燃烧室容积的快速、精确、自动测量。(The invention discloses an optical measurement device and method for measuring the volume of a combustion chamber of an engine cylinder cover, wherein the optical measurement device comprises a bottom plate, wherein a translation assembly is arranged on the bottom plate; the translation assembly comprises an X-axis fixing piece fixedly arranged at the top of the bottom plate, a servo motor arranged on one side of the top of the X-axis fixing piece and an X-axis guide rail fixed on the other side of the top of the X-axis fixing piece, an X-axis sliding block is arranged on the X-axis guide rail in a sliding mode, an XY-axis fixing piece is fixedly arranged at the bottom of the X-axis sliding block, a motor is fixedly arranged on the XY-axis fixing piece, the X-axis sliding block is fixedly connected with a Y-axis guide rail through the XY-axis fixing piece, the position of a cylinder cover workpiece is not required to be changed in the measuring process through the arrangement of the translation device and the rotating device, the four combustion chambers can be measured only once through positioning, and meanwhile, the volume of the combustion chamber of the engine cylinder cover is rapidly, accurately and automatically measured due to the existence of the three-dimensional laser measuring sensor in a non-contact mode.)
技术领域
本发明属于发动机缸盖容积测量技术领域，具体涉及一种用于测量发动机缸盖燃烧室容积的光学测量设备及其方法。
背景技术
汽车发动机压缩比是影响发动机各项性能指标的主要因素。发动机各缸燃烧室容积偏差大，会影响发动机各缸压缩比的一致性。发动机压缩比一致性差，会导致发动机各缸燃烧一致性差，进而影响发动机运行的平稳性，影响发动机的功率、扭矩，影响发动机的寿命和排放达标等。缸盖燃烧室容积是发动机燃烧室容积的重要组成部分。目前，由于国内发动机制造工艺水平较发达国家落后较多，其毛坯形状和尺寸不稳定，无法保证单缸容积波动及缸间差异较小，因此，发动机缸盖燃烧室容积的精度检测对保证发动机性能尤为重要。由于缸盖燃烧室型面复杂且不规则，难以通过常规的公式推导计算。目前，国内汽车工业界对发动机缸盖燃烧室容积的检测方法主要为滴定法和气体测量法。上述两种方法检测速度慢、效率低、人为误差大、且对测量环境要求较高，测量精度更是得不到保证。
德国GFM 公司利用衍射原理及CCD 成像技术，研制了一种基于光学原理的缸盖燃烧室容积测量设备。该测量设备的测量精度及测量速度较传统的测量方法均有较大提升。但是，该设备的光源器件寿命较短，不能长时间使用。且测量之前需要人工加装气门，火花塞等，测量过程手动控制，因而限制了其测量速度，影响工作效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于测量发动机缸盖燃烧室容积的光学测量设备及其方法，以解决该测量设备的测量精度及测量速度较传统的测量方法均有较大提升。但是，该设备的光源器件寿命较短，不能长时间使用。且测量之前需要人工加装气门，火花塞等，测量过程手动控制，因而限制了其测量速度，影响工作效率的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于测量发动机缸盖燃烧室容积的光学测量设备，包括底板，所述底板上设置有平移组件；
平移组件包括固定设置于底板顶部的X轴固定件，以及一个设置于X轴固定件顶部一侧的伺服电机和固定在X轴固定件顶部另一侧的X轴向导轨，所述X轴向导轨上滑动的设置有X轴滑块，所述X轴滑块底部固定设置有XY轴固定件，所述XY轴固定件上固定设置有电机，所述X轴滑块通过XY轴固定件固定连接有Y轴向导轨，所述Y轴向导轨内部滑动的连接有Y轴滑块，所述Y轴向导轨底部固定连接有连接架，所述连接架底部固定设置有测头结构；
所述测头结构包括第一壳体，所述第一壳体内部固定连接有相机安装底板，所述相机安装底板上固定连接有镜头和工业相机，所述第一壳体内部一侧固定设置有狭缝支架，所述狭缝支架一端固定装夹有狭缝压块，另一端安装有柱面镜，且柱面镜顶部固定设置有用于压紧的柱面镜压块，所述狭缝支架底部固定连接有激光夹持器；
所述Y轴滑块内部设置有可带动测头结构转动的旋转组件。
优选的，所述X轴向导轨内部固定设置有一根第一丝杠和两条第一光杆，所述第一丝杠通过联轴器连接伺服电机的旋转轴，所述X轴滑块内部固定设置有丝杠螺母。
优选的，所述旋转组件包括第二壳体，所述第二壳体内部固定连接有步进电机，所述步进电机延伸入第二壳体内部的输出轴上传动连接有蜗杆，所述蜗杆一侧啮合连接有可降低步进电机转速的蜗轮，所述蜗轮顶部固定连接有延伸出第二壳体外侧且与测头结构连接的输出主轴，。
优选的，所述测头结构与旋转组件上的输出主轴之间连接有测头连接板。
优选的，所述底板顶部一侧固定连接有定位垫块，所述测头连接板设置于定位垫块上。
优选的，所述Y轴向导轨内部结构与X轴向导轨基本相同，包括第二丝杆，所述第二丝杆一端与电机通过联轴器连接，所述第二丝杆两侧均设置有可充当导向轴的第二光杆。
一种用于测量发动机缸盖燃烧室容积的光学测量设备的测量方法，具体步骤如下：
步骤一：将发动机缸盖工件放置在定位垫块上，两个相邻平面分别与定位垫块的两块凸起压紧；
步骤二：驱动伺服电机使X轴滑块带动Y轴向导轨沿工件长度方向平移到适当位置；
步骤三：驱动电机使Y轴滑块带动旋转组件和测头结构一起沿工件宽度方向平移到大致燃烧室球心的位置，使激光从球心位置射到边缘部分；
步骤四：Y轴滑块内的转台驱动激光器旋转，从而无死角扫描整个燃烧室的表面；
步骤五：通过工业相机将图像传送给计算机进行点云数据处理，计算出燃烧室容积；
步骤六：再次驱动电机将测头结构带到下一个燃烧室球心的位置进行重复测量，直至测完四个燃烧室。
本发明的技术效果和优点：本发明设置了平移装置和旋转装置，在测量过程中不需要更改缸盖工件的位置，只需要定位一次就可以将四个燃烧室都测量到，同时三维激光测量传感器的存在非接触地实现了发动机缸盖燃烧室容积的快速、精确、自动测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明X轴向导轨的结构示意图；
图4为本发明Y轴向导轨的结构示意图；
图5为本发明旋转组件内部结构示意图；
图6为本发明为测头的内部结构图。
图中：1、底板；2、定位垫块；3、测头连接板；4、测头结构；5、连接架；6、X轴向导轨；7、伺服电机；8、X轴滑块；9、XY轴固定件；10、电机；11、Y轴向导轨；12、X轴固定件；13、Y轴滑块；14、第一光杆；15、第一丝杠；16、第二光杆；17、第二丝杆；18、镜头；19、工业相机；20、第一壳体；21、相机安装底板；22、激光器；23、激光夹持器；24、柱面镜压块；25、狭缝支架；26、狭缝压块；27、步进电机；28、蜗杆；29、输出主轴；30、蜗轮；31、第二壳体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图中所示的一种用于测量发动机缸盖燃烧室容积的光学测量设备，包括底板1，底板1上设置有平移组件；
平移组件包括固定设置于底板1顶部的X轴固定件12，以及一个设置于X轴固定件12顶部一侧的伺服电机7和固定在X轴固定件12顶部另一侧的X轴向导轨6，X轴向导轨6上滑动的设置有X轴滑块8，X轴滑块8底部固定设置有XY轴固定件9，XY轴固定件9上固定设置有电机10，X轴滑块8通过XY轴固定件9固定连接有Y轴向导轨11，Y轴向导轨11内部滑动的连接有Y轴滑块13，Y轴向导轨11底部固定连接有连接架5，连接架5底部固定设置有测头结构4；
测头结构4包括第一壳体20，第一壳体20内部固定连接有相机安装底板21，相机安装底板21上固定连接有镜头18和工业相机19，第一壳体20内部一侧固定设置有狭缝支架25，狭缝支架25一端固定装夹有狭缝压块26，另一端安装有柱面镜，且柱面镜顶部固定设置有用于压紧的柱面镜压块24，狭缝支架25底部固定连接有激光夹持器23。
具体的，X轴向导轨6内部固定设置有一根第一丝杠15和两条第一光杆14，第一丝杠15通过联轴器连接伺服电机7的旋转轴，X轴滑块8内部固定设置有丝杠螺母，在所述第一丝杠15两侧分别安置第一光杆14，可以使机构受力更加均匀，减少移动时的阻力。
具体的，旋转组件包括第二壳体31，第二壳体31内部固定连接有步进电机27，步进电机27延伸入第二壳体31内部的输出轴上传动连接有蜗杆28，蜗杆28一侧啮合连接有可降低步进电机27转速的蜗轮30，蜗轮30顶部固定连接有延伸出第二壳体31外侧且与测头结构4连接的输出主轴29，满足了装置的较高减速比，从而使输出轴的转速降低到需要的程度，同时又大大减小了所述旋转组件的结构尺寸，在所述输出主轴29上安装了一个编码器，它能将转动的角度信号转变为电信号，更加精确地控制所述测头结构的转动角度，实现测头转动的闭环控制保证了控制的精确性和可靠性。
具体的，测头结构4与旋转组件上的输出主轴29之间连接有测头连接板3。
具体的，底板1顶部一侧固定连接有定位垫块2，测头连接板3设置于定位垫块2上。
具体的，Y轴向导轨11内部结构与X轴向导轨6基本相同，包括第二丝杆17，第二丝杆17一端与电机10通过联轴器连接，第二丝杆17两侧均设置有可充当导向轴的第二光杆16。
一种用于测量发动机缸盖燃烧室容积的光学测量设备的测量方法，具体步骤如下：
步骤一：将发动机缸盖工件放置在定位垫块2上，两个相邻平面分别与定位垫块2的两块凸起压紧；
步骤二：驱动伺服电机7使X轴滑块8带动Y轴向导轨11沿工件长度方向平移到适当位置；
步骤三：驱动电机10使Y轴滑块13带动旋转组件和测头结构4一起沿工件宽度方向平移到大致燃烧室球心的位置，使激光从球心位置射到边缘部分；
步骤四：Y轴滑块13内的转台驱动激光器22旋转，从而无死角扫描整个燃烧室的表面；
步骤五：通过工业相机19将图像传送给计算机进行点云数据处理，计算出燃烧室容积；
步骤六：再次驱动电机10将测头结构4带到下一个燃烧室球心的位置进行重复测量，直至测完四个燃烧室。
工作原理：如图1、图2所示，通过X轴固定件12直接安装在底板1上，其上端用于固定X轴向导轨6，如图3所示，X轴向导轨6内主要设有一根第一丝杠15和两条第一光杆14，第一丝杠15左端通过一个联轴器连接直线导轨的动力元件伺服电机7的旋转轴，伺服电机7启动后驱动第一丝杠15转动，而X轴滑块8内封装的丝杠螺母不跟随转动，从而实现将伺服电机7的回转运动转化为X轴滑块8沿X轴方向的平移运动，而用于导向，确保丝杠螺母沿丝杠轴向运动的第一光杆14同时安装在第一丝杠15两侧，可以使机构受力更加均匀，减少X轴滑块8移动时所受的阻力。
XY轴固定件9用于将Y轴向导轨11与X轴滑块8紧固连接在一起，而测头结构4又通过一块测头连接板3与Y轴滑块13连接，因此测头结构4可以于X轴、Y轴联动,实现了沿发动机缸盖的长、宽两个方向上的平移，不需要更改缸盖工件的装夹即可实现4个燃烧室的测量扫描。
如图4所示，Y轴向导轨11的结构组成与X轴向导轨6基本相同，由第二丝杆17作为传动机构，左端与动力元件电机10通过联轴器相连，两侧的第二光杆16充当导向轴且平衡受力。
在Y轴滑块13中不仅封装了丝杠螺母，还设有一个旋转组件，其内部结构如图5所示，输出主轴29通过键与蜗轮30连接，其外端安装测头结构4，从而带动侧头结构转动，完成对发动机燃烧室的扫描，在输出主轴29最下端安装的是编码器，负责将转动的角度信号转变为电信号，实现测头转动的闭环控制，更加精确可靠。
通过一块测头连接板3与旋转组件的输出轴连接的侧头结构4的内部结构如图6所示，左侧镜头18与工业相机19直接相连，通过一块相机安装底板21固定在第一壳体20上。外壳右侧固定有一个狭缝支架25，一端用两块狭缝压块26固定，另一端用于安置柱面镜，同时用一个柱面镜压块24从上部压紧柱面镜防止松动。狭缝支架25底部还与一个激光夹持器23相连接，其末端的阶梯孔用于安放激光器22。兼顾传感器的灵敏度与测头结构的大小，将镜头18光心与激光器22投射的光平面间的基线距离设为75mm而工业相机19光轴线与激光器22投射的光平面间的线面夹角设为42°。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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