氣動測量系統(tǒng)組裝與測試

1、氣動測量系統(tǒng)組裝與測試實驗指導(dǎo)書(18學(xué)時系列課程實驗)潘旭東 編邵東向 審哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院機械制造及自動化實驗室2008年3月前 言本實驗使學(xué)生全面了解氣動測量的基本原理，初步掌握氣動測量的基本方法，針對不同的被測對象學(xué)會采用實驗方法確定測頭基本參量并且設(shè)計出專用測頭。全書共分四個大部分，第一部分為實驗簡介，主要包括氣動測量應(yīng)用場合，使用方法，測頭樣式和測量原理等基礎(chǔ)預(yù)備知識。第二部分為實驗的目的。第三部分為實驗的設(shè)備介紹及其使用方法介紹和實驗的主要內(nèi)容和步驟等。第四部分為對實驗報告和學(xué)生的主要要求等內(nèi)容。本指導(dǎo)書由哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院潘旭東老師編寫，邵東向老師審查。目 錄1

2、. 實驗簡介.21.1流速式氣動測量原理.21.2流量式氣動測量原理.31.3壓力式氣動測量原理.41.4滑閥疊合量（搭接量）測量原理.52實驗?zāi)康?83實驗儀器及實驗設(shè)備.94實驗內(nèi)容.105實驗方案設(shè)計及實驗步驟.106實驗報告.117 實驗注意事項.121.實驗簡介氣動測量方法是機械制造業(yè)中零件加工質(zhì)量測量的常用方法之一，采用壓縮空氣作為測量介質(zhì)，利用流經(jīng)被測量部位的壓縮空氣的流量、流速、或壓力的變化量或變化規(guī)律來測量被測零件尺寸量和位移量（形變），例如外圓的直徑、內(nèi)孔孔徑、槽的寬度等，也可以測量位置誤差（如圖1所示），例如垂直度、平行度等，還可以測量形狀誤差，例如孔的圓柱度、錐度等?？?/p>

3、以測量大尺寸量，也可以測量小尺寸量（0.5mm孔徑）。具有非接觸、測量力小、測量精度高、測頭不磨損以及測頭結(jié)構(gòu)簡單等突出優(yōu)點。測量高度測量厚度測量圓錐孔測量垂直度氣動測量頭測量二尺寸和(a+b)測量二尺寸差(a-b)a-babab測量內(nèi)孔測量圓度、跳動定位點氣動測量頭氣動測量頭圖1 氣動測量的應(yīng)用1.1 流速式氣動測量原理將工件尺寸的變化量轉(zhuǎn)換為空氣流速的變化量是流速式氣動測量的基本原理。其基本氣路如圖1所示。由氣源1排出的壓縮空氣經(jīng)過濾后進入穩(wěn)壓器2，將壓力穩(wěn)定為Pc，然后從測頭4流入大氣，其流出量在一定范圍內(nèi)與測量間隙s成正比。圖中d為噴嘴孔徑。由于對管道中空氣流速的直接測量十分困難，故常

4、用間接測量方法。圖2 流速式氣動測量的基本氣路1氣源 2穩(wěn)壓器 3流速計 4測頭(噴嘴檔板)12341.2 流量式氣動測量原理流量式氣動測量是將被測量(特別是幾何尺寸)的變化轉(zhuǎn)換為空氣流量變化的一種測量方法，浮標式氣動量儀就是這一原理的典型應(yīng)用，其工作原理如圖3所示?？諝饨?jīng)穩(wěn)壓器10以后分成兩路，一路經(jīng)固定節(jié)流孔9進入維度玻璃管12的下端，從玻璃管內(nèi)壁與浮ds標2形成的環(huán)形間隙流出玻璃管后，又分成兩路，一路經(jīng)零位調(diào)節(jié)閥13流入大氣，另一路與穩(wěn)壓器輸出后的另一分路，即經(jīng)與錐度玻璃管并聯(lián)的倍率調(diào)節(jié)閥6的分路匯合后一同流向噴嘴擋板機構(gòu)7，通過噴嘴擋板之間的間隙流入大氣。圖中浮標2和刻度尺8構(gòu)成儀器指

5、示部分。錐度玻璃管12和浮標2以及倍率調(diào)節(jié)閥6構(gòu)成放大部。噴嘴擋板是氣動變換器的一個典型代表，屬于測量部分，其中擋板往往是被測工件部位。在透明錐度玻璃管的兩側(cè)，分別安置一個發(fā)光管1和接收管3，如果浮標位于兩管之間時，將擋住光線而發(fā)出信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后輸出，可用于自動檢測或控制。這種量儀是用浮標來指示流量的，所以稱為浮標式氣動量儀。1211109867135432圖3 浮標光電式氣動量儀原理圖1發(fā)光管 2浮標 3接收管 4放大器 5繼電器 6倍率調(diào)節(jié)閥7噴嘴擋板 8刻度尺 9固定節(jié)流孔 10穩(wěn)壓器 11氣源 12錐度玻璃管 13零位調(diào)節(jié)閥11.3 壓力式氣動測量原理壓力式氣動測量是利用氣流壓力隨

6、被測件幾何尺寸變化而變化的一種測量方法。圖4所示為氣動測量常采用的基本原理簡圖。圖4a為典型的噴嘴檔板式結(jié)構(gòu)，4b為噴嘴蓋板式結(jié)構(gòu)。在氣體壓力滿足一定條件時，可以忽略壓縮空氣的可壓縮性，則可以用式1所示的數(shù)學(xué)模型來描述系統(tǒng)。 (1)式中：Pc測量壓力 Pg氣源壓力 S測量噴嘴的過流面積 A在忽略了空氣的壓縮性時為常數(shù)由式(1)可知，在Pg恒定不變時，Pc與S呈非線性關(guān)系，如圖5所示。無論采用噴嘴檔板還是噴嘴蓋板式，S與x均呈線性關(guān)系，因此式(1)可轉(zhuǎn)化為： (2)以x為被測量，用壓力傳感器精確測量Pc值，即可得出x。在前面章節(jié)已經(jīng)介紹過，一個測量系統(tǒng)兩個變量之間應(yīng)滿足線性關(guān)系，因此在實際應(yīng)用中

7、，應(yīng)對式(2)進行變換，也就是線性化由式(2)可得：則 令 則有 （3）a) 噴嘴擋板式 b) 噴嘴蓋板式圖4 氣動測量基本原理氣室Pc工作壓力PgxxPgPc圖5 壓力特性曲線xPcPgx*P*c式(3)中A可以近似看成常數(shù)，則可以認為中間變量Y與x呈線性關(guān)系。1.4 滑閥疊合量（搭接量）測量原理滑閥的疊合量是滑閥的閥芯和閥套軸向配合的主要技術(shù)指標，表示出閥芯和閥套軸向配合處于中間位置時，各閥口關(guān)閉的程度，當閥口完全關(guān)死，稱為正搭接，當閥口不能關(guān)死時稱為負搭接。如圖6所示為閥芯閥套配合圖。PgABCDdMPcLaLbLcLd閥套閥芯圖6 閥芯閥套的中位配合圖其中A、B、C、D為閥芯的4個閥口

8、，分別由閥芯工作邊和閥套工作邊構(gòu)成，對應(yīng)的閥芯和閥套工作邊也分別稱為A、B、C、D邊。La、Lb、Lc、Ld分別為各口的搭接量，所謂中位配合，是指La=Lb時閥芯和閥套的配合位置。圖示為正搭接。閥芯工作邊與4個方孔一起分別構(gòu)成4個可調(diào)節(jié)流口。當閥芯在閥套中移動時，若給4個方孔壓力為Pg的壓縮空氣，通過滑閥副左右兩個閥室和圓孔后經(jīng)節(jié)流噴嘴d溢入大氣。因此，可以認為閥芯和閥套之間形成了4個噴嘴蓋板機構(gòu)，故可使用噴嘴蓋板機構(gòu)的原理來測量方孔的開口量，進而計算出閥芯閥套的疊合量。以A口為例，連續(xù)移動閥芯，使閥口開度逐漸減小，可測得連續(xù)變化的壓力值Pca。按氣體靜力學(xué)，其變化規(guī)律為 （4）式中：閥口移動

9、坐標A邊閥口關(guān)閉點的閥芯位置系數(shù)，可視為常值式（4）所表達的壓力位移曲線為圖7中曲線Pca所示圖7 四個邊的壓力-位移曲線XYbYdPcdPcbPccPcaYcYaYPgXcc Xac Xbc XdcPc將（4）式變換可得： （5）令 =即可得： （6）式（5）為一條直線（見圖3中），其在X軸上的截距Xao，即為測量所求的A邊零開口點的閥芯位置坐標。給出閥芯位移X，在XX1，X1+X，X1+2X有限N個點處，由壓力傳感器和位移傳感器測得相應(yīng)的Pca1，Pca2，Pca3和相應(yīng)位移值X，利用（5）式計算出Ya1，Ya2，Ya3，然后用最小二乘法，求得線性回規(guī)方程Ya=KX+B的系數(shù)“K”和“B”

10、，由此計算得零開口點坐標Xao= BK測完A邊，接下來是依次打開B口、C口、D口。分別測得B邊C邊和D邊的零開口點Xb0， Xc0，Xd0。選定一個基準點坐標X0，就可以計算出相應(yīng)的疊合量LaLd。LaX0 Xa0Lb=Xb0X0LcX0Xc0Ld=Xd0X0通常X0可選Xa0Xd0中的一個，也可選(Xb0+Xc0)2或(Xa0+Xd0)2。2實驗?zāi)康谋緦嶒灥哪康脑谟谑箤W(xué)生全面了解氣動測量的基本原理，初步掌握氣動測量的基本方法，針對不同的被測對象學(xué)會采用實驗方法確定測頭基本參量并且設(shè)計出專用測頭。2.1 采用噴嘴擋板機構(gòu)和噴嘴蓋板機構(gòu)測量位移流量特性曲線，使學(xué)生掌握流量式氣動測量的基本原理，了

11、解不同精度下線性范圍的大小，推導(dǎo)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。2.2 采用噴嘴擋板機構(gòu)和噴嘴蓋板機構(gòu)測量位移壓力特性曲線，使學(xué)生掌握壓力式氣動測量的基本原理，驗證線性化數(shù)學(xué)模型的精度，分析不同精度下的測量范圍的大小。2.3 學(xué)習(xí)浮子流量計、電感測微儀、壓力傳感器及二次儀表電路的調(diào)整、標定及使用方法。2.4 熟練掌握Matlab軟件的使用方法，合理處理實驗數(shù)據(jù)。2.5 采用proE或solidworks三維設(shè)計軟件，設(shè)計給定測量對象的專用氣動測頭的結(jié)構(gòu)，并給出參數(shù)。2.6 掌握windows編程技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)采集的方法。3實驗儀器及實驗設(shè)備氣動測量實驗臺1套（含數(shù)顯氣動量儀1臺）；浮標式氣動量儀1臺；滑閥偶

12、件流量測量臺1套；SQZ-IV型伺服閥加工質(zhì)量綜合測量儀1套；工業(yè)控制計算機1臺；數(shù)據(jù)采集卡1塊；微動臺架2臺；電感測微儀2臺；示波器1臺；萬用表3塊；氣源及氣路元件1套。4實驗內(nèi)容實驗1：流量式氣動測量原理驗證及應(yīng)用（實驗人數(shù)5人）采用浮標式氣動量儀搭建噴嘴蓋板機構(gòu)測量系統(tǒng)；搭建噴嘴蓋板機構(gòu)測量系統(tǒng)；分別測量噴嘴擋板機構(gòu)和噴嘴蓋板機構(gòu)的流量位移特性曲線；將測量數(shù)據(jù)采用Matlab軟件用計算機進行處理，分析流量式氣動測量的線性范圍，根據(jù)分析結(jié)果用ProE或solidworks軟件設(shè)計適合于測量槽寬、內(nèi)孔、外圓的專用測頭。實驗2：壓力式氣動測量原理驗證及應(yīng)用（實驗人數(shù)5人）采用數(shù)顯氣動量儀、噴嘴

13、擋板機構(gòu)驗證壓力式氣動測量原理模型；并通過實驗測量出壓力位移特性曲線；采用Matlab軟件繪制Y位移特性曲線，分析線性范圍大小。找出最佳線性段，并依據(jù)此用ProE或solidworks軟件設(shè)計測量小孔（直徑2mm）的測頭及測量裝置。實驗3：壓力式氣動測量原理在測量滑閥副軸向配合尺寸的應(yīng)用（實驗人數(shù)5人）利用滑閥偶件流量測量臺或SQZ-IV型伺服閥加工質(zhì)量綜合測量儀測量噴嘴蓋板機構(gòu)的壓力位移特性曲線，采用VC+或VB編制程序采集測量數(shù)據(jù)，采用Matlab軟件繪制Y位移特性曲線。并采用手動進給、人工讀數(shù)方法測量滑閥副的疊合量，采用自動測量方法測量滑閥副的疊合量，對比兩種方法測量的數(shù)據(jù)的精度，分析原

14、因。5實驗方案設(shè)計及實驗步驟本實驗35個同學(xué)為一組，分工合作、共同完成。指導(dǎo)教師講解實驗相關(guān)基礎(chǔ)知識并且布置實驗任務(wù)。學(xué)生根據(jù)教師下達的實驗任務(wù)和所提供的實驗條件自主設(shè)計、搭建實驗系統(tǒng)，可以進行必要的設(shè)計和制作。實驗原理方案應(yīng)由指導(dǎo)教師審定，并且整理成相關(guān)資料或圖紙寫在實驗報告中。實驗所采集的數(shù)據(jù)應(yīng)該有足夠的組數(shù)，應(yīng)不少于10組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理采用Matlab軟件，需編寫相應(yīng)程序，并將實驗程序附在實驗報告里，同時要對實驗數(shù)據(jù)的誤差進行分析。結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在報告里附圖紙，實驗報告里附三維圖片，撰寫實驗報告所采用的數(shù)據(jù)不能共用，數(shù)據(jù)誤差分析要自己獨立完成。6實驗報告6.1 實驗報告使用學(xué)校統(tǒng)一印制的封面及實驗報告用紙，按規(guī)定格式撰寫。6.2 實驗完成后，必須在7天內(nèi)由班長收齊統(tǒng)一交給實驗指導(dǎo)教師。6.3 實驗報告后面必須附上原始數(shù)據(jù)及實驗過程的圖表。實