一種棱邊共面度氣動測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉軍， 徐澤敏

（北京航天控制儀器研究所，北京100854）

0 引言

伺服閥是大量應(yīng)用于航空、航天、航海等領(lǐng)域航行控制的電液伺服控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，滑閥偶件則是伺服閥的核心零件［1］，如圖1所示。為提高伺服閥的使用性能，需要對影響伺服閥性能占主要因素的滑閥節(jié)流棱邊加工質(zhì)量的保證與檢測技術(shù)進(jìn)行深入研究。

圖1 滑閥組成示意圖

由于滑閥偶件的工作特點(diǎn)，對滑閥節(jié)流窗口開啟和關(guān)閉時的一致性要求很高，以保證伺服閥的控制精度，設(shè)計(jì)上對滑閥閥套節(jié)流窗口的工作棱邊有共面度的要求。如圖2所示，滑閥閥套圓周上共有四組節(jié)流窗口，每組節(jié)流窗口是由均勻分布在同一圓周上的4個矩形窗口所組成，每組節(jié)流窗口的工作邊應(yīng)在同一橫截面上。同組窗口的節(jié)流棱邊偏離此同一橫截面的誤差稱為共面度誤差。如果將閥套內(nèi)孔按周向展開成平面，取其中的一組節(jié)流窗口，在周向 0°、90°、180°、270°位置上共有四個窗口，如圖3所示。如果以I-I橫截面作為基準(zhǔn)面（一般可選在4個節(jié)流窗口工作邊最低的一邊），則用I-I橫截面比較各棱邊邊的位置誤差有Δ90、Δ180和Δ270（認(rèn)為Δ0=0）。取其中的最大誤差Δmax作為節(jié)流棱邊共面度誤差值，記為δ，設(shè)計(jì)上一般要求 δ≤2～3μm。

圖2 滑閥節(jié)流窗口結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 滑閥節(jié)流棱邊共面度誤差

目前，滑閥閥套生產(chǎn)中多采用立式光學(xué)比較儀，將閥套垂直套在特制的芯軸上，旋轉(zhuǎn)測量進(jìn)行比較［2］。然而，這種光學(xué)測量法并不能反映出真正的閥套節(jié)流棱邊，而且對于手工研磨造成棱邊的塌邊圓角反映到共面度指標(biāo)上的幾何誤差，也無法通過光學(xué)法測得，因而，該方法只是一種近似測量。此外，該方法自動化程度較低，讀數(shù)容易受到人為因素的影響，使得測量精度很難滿足生產(chǎn)要求，因此研究一種適合于生產(chǎn)現(xiàn)場使用的高精度滑閥節(jié)流棱邊共面度自動測量方法和裝置顯得尤為重要。

1 節(jié)流棱邊共面度誤差的測量方法

1.1 氣動測量方法的提出

考慮到滑閥節(jié)流棱邊為功能性棱邊，其幾何精度要求很高，且要求保持尖邊銳緣［3］，在測量過程中不能劃傷被測閥套的棱邊和表面，需要采用非接觸式測量。此外，由于伺服閥滑閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，要求采用高分辨率的測量方式。因而本文提出采用差壓式氣動測量方法實(shí)現(xiàn)節(jié)流棱邊共面度誤差的自動化測量。

1.2 測量原理

滑閥在實(shí)際工作過程中，閥芯和閥套所形成的節(jié)流窗口可以簡化為噴嘴蓋板結(jié)構(gòu)模型。通過設(shè)計(jì)合適的測頭與被測閥套進(jìn)行配合，使測頭和被測閥套的節(jié)流棱邊形成一種噴嘴蓋板測量機(jī)構(gòu)，這種測量方式符合滑閥的實(shí)際工況。如圖4所示，氣動定值器穩(wěn)壓后壓力為Pg的氣體經(jīng)過噴嘴節(jié)流孔，再通過噴嘴蓋板測量機(jī)構(gòu)逸入大氣，大氣壓力為P0，則背壓Pc的大小將隨著測頭和被測閥套節(jié)流邊所形成的方孔開口量x的大小變化而變化，其中B為開口寬度，一般為常數(shù)。

圖4 節(jié)流棱邊的氣動測量原理

測量過程中，選擇合適的Pg值，使Pg<1.89Pc且Pc<1.89P0，則所形成的噴嘴蓋板測量機(jī)構(gòu)中節(jié)流孔和噴嘴的氣體流速均處于亞音速流動狀態(tài)［4］，關(guān)系式為

式中α是與噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣體特性等相關(guān)的系數(shù)，在一定條件下認(rèn)為是常數(shù)。其Pc-x壓力特性曲線如圖5所示，可以看出Pc與開口量大小x并非是具有理想的線性特性，但是在Pc=0.75Pg處有一個拐點(diǎn)，拐點(diǎn)附近一段曲線可以看作為直線，在實(shí)際測量過程中，需要通過系統(tǒng)標(biāo)定，將噴嘴蓋板機(jī)構(gòu)的Pc-x壓力特性曲線描繪出來，將其中的線性較好的區(qū)間取出來，擬合成直線，然后在這個線性測量區(qū)域進(jìn)行節(jié)流邊共面度的氣動測量和計(jì)算，從而避開閥套節(jié)流棱邊壓力特性的小開口非線性區(qū)。

1.3 共面度誤差氣動測量與計(jì)算方法

采用差壓式氣動測量方法是通過測量差壓反映出噴嘴蓋板閥口通流截面的開口大小。被測閥套中四組節(jié)流棱邊分別進(jìn)行測量，通過設(shè)計(jì)合理的專用測頭，使其在被測閥套中能夠軸向運(yùn)動和周向轉(zhuǎn)動，當(dāng)測量其中某一組節(jié)流棱邊時，測頭同該組的一個節(jié)流口形成噴嘴蓋板機(jī)構(gòu)，同時封閉另外三個節(jié)流口，獲取該處的測量壓力值，然后周向轉(zhuǎn)動90°，則測頭與該組中的另一個節(jié)流口形成噴嘴蓋板機(jī)構(gòu)，相應(yīng)地封閉另外三個節(jié)流口，依次旋轉(zhuǎn)進(jìn)行測量，如圖6所示，即可獲得該組節(jié)流棱邊四個位置處的對應(yīng)測量壓力值。由于在線性工作區(qū)中，測量壓力Pc的大小實(shí)際上是與軸向開度x一一對應(yīng)，且具有很好的線性關(guān)系，則x=Pc/k，k值可以通過系統(tǒng)標(biāo)定得出，則通過四個測量壓力可以計(jì)算出該組四個節(jié)流棱邊相對于同一基準(zhǔn)面Ⅰ-Ⅰ的位置偏差x1、x2、x3和x4，根據(jù)節(jié)流棱邊共面度誤差的定義，即可計(jì)算得到共面度誤差值 δ=max｛x1，x2，x3，x4｝-min｛x1，x2，x3，x4｝，即

其中ΔP是同組節(jié)流棱邊測量時四個測量壓力之間的最大差值。被測閥套的另外三組節(jié)流棱邊共面度誤差可以通過相同的方法進(jìn)行測量和計(jì)算。

圖6 共面度誤差的氣動測量示意圖

2 共面度誤差測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種差動式橋式測量氣路，將兩個背壓式氣動測量氣路組合在一起，一路作為測量氣路，一路作為調(diào)零氣路，它們共用一個氣動定值器，系統(tǒng)工作壓力Pg相等，采用差壓式壓力傳感器測量兩個氣路之間的壓差，測量開始時，將調(diào)零氣路通過后置節(jié)流閥調(diào)整到某一固定值，由于氣源壓力波動對于兩個氣路的影響是相同的，而測量采集的壓差ΔP是由兩個氣路背壓之差，則氣源壓力波動的影響被抵消掉，因此在很大程度上減小了Pg的變化而實(shí)際測量結(jié)果的影響，有效地提高了節(jié)流邊共面度測量精度。整個系統(tǒng)測量氣路如圖7所示。

圖7 測量系統(tǒng)氣路組成示意圖

測量過程中，由測量氣路流出的壓縮空氣進(jìn)入電磁閥，并由電磁閥控制氣路的轉(zhuǎn)換。由于滑閥閥套節(jié)流窗口的工作邊位置的特殊性，測頭上需要設(shè)置兩組輔助蓋板，其中，左蓋板用于測量第1組和第3組滑閥閥套節(jié)流窗口，右蓋板用于測量第2組和第4組滑閥閥套節(jié)流窗口。當(dāng)測量第1組時，測頭處于圖示位置，此時第一組的0°節(jié)流窗口與測頭形成噴嘴擋板機(jī)構(gòu)，其它三個節(jié)流口被封閉，而且第四組節(jié)流窗口也同時被封閉，則電磁閥1導(dǎo)通，電磁閥2關(guān)閉時，測量氣體只能通過所形成的噴嘴蓋板機(jī)構(gòu)然后經(jīng)過左邊的出氣口逸入大氣，然后旋轉(zhuǎn)測頭到相應(yīng)位置，按測量原理合理控制電磁閥1和電磁閥2的關(guān)斷和導(dǎo)通，依次進(jìn)行測量，即可以測量和計(jì)算得到閥套節(jié)流邊共面度誤差。

3 實(shí)驗(yàn)研究與分析

3.1 測量系統(tǒng)標(biāo)定與測量區(qū)間的確定

根據(jù)壓力式氣動測量原理，測量系統(tǒng)實(shí)際使用之前必須進(jìn)行標(biāo)定并確定線性測量工作區(qū)間，采用某伺服閥生產(chǎn)廠家提供的一組滑閥副，對其中一組節(jié)流棱邊進(jìn)行了壓力特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為：Pg設(shè)定為90 kPa，調(diào)零氣路和測量氣路的前置節(jié)流孔孔徑為1 mm，調(diào)節(jié)調(diào)零氣路的節(jié)流閥使調(diào)零氣路的背壓Pc1=50 kPa。然后由軸向微位移驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動測頭運(yùn)動，從而調(diào)節(jié)測頭與被測節(jié)流棱邊所形成的噴嘴的開口度，采集測量差壓壓力值Pt和測頭位移值x，然后采用四次多項(xiàng)式擬合方法得到其壓力特性Pt-x曲線如圖8所示。

由壓力特性Pt-x曲線可知，當(dāng)Pt處于-15～25 kPa的區(qū)域時，壓力特性曲線的線性度較好，且測量范圍也足夠?qū)?，選取該區(qū)域的15個測量點(diǎn)，采用最小二乘線性擬合方法將其擬合為直線，作為實(shí)際的線性測量區(qū)域，如圖9所示，擬合直線的斜率k=-0.273 88 kPa/μm，則一組節(jié)流棱邊的共面度δ=ΔPt/0.273 88。

圖8 測量系統(tǒng)的標(biāo)定與計(jì)算

圖9 測量系統(tǒng)的線性工作區(qū)擬合

3.2 節(jié)流邊共面度測量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

采用與測量系統(tǒng)標(biāo)定和線性測量區(qū)間確定相同的實(shí)驗(yàn)條件。利用軸向微位移驅(qū)動機(jī)構(gòu)推動測頭到合適的軸向位置，使之與閥套上第一組節(jié)流窗口的某一工作邊（0°工作邊）形成噴嘴-擋板機(jī)構(gòu)，且調(diào)節(jié)其開口使得Pt為13.60 kPa左右，然后通過周向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動測頭做周向旋轉(zhuǎn)90°，采集差壓Pt值，然后再依次旋轉(zhuǎn)到180°和270°處進(jìn)行測量，即可得到四個節(jié)流棱邊處測量的Pt值，依次分別記為 Pt1，Pt2，Pt3，Pt4。其他三組節(jié)流窗口采用相同的方法進(jìn)行測量。根據(jù)所測得的差壓值Pt，計(jì)算出各組節(jié)流邊測量時的測量差壓的最大差值ΔPt=Ptmax-Ptmin，然后根據(jù)上述的節(jié)流棱邊共面度計(jì)算公式就可以計(jì)算出各組節(jié)流棱邊的共面度誤差值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 共面度誤差的測量與計(jì)算數(shù)據(jù)

節(jié)流邊共面度測量系統(tǒng)采用了差動橋式氣路，氣源壓力波動對測量結(jié)果幾乎沒有影響。此外，測量過程中是根據(jù)各組節(jié)流邊處所測得的四個差壓值的最大差值進(jìn)行共面度誤差計(jì)算，屬于相對測量，一些因素對于測量結(jié)果的影響在計(jì)算過程中被相互抵消掉。而且所選取的實(shí)際測量區(qū)間線性度很高，分析可知壓力傳感器重復(fù)性精度和差壓壓力示值誤差對于整個測量結(jié)果影響最大，而測量系統(tǒng)的壓力測量誤差不大于0.10 kPa，則節(jié)流邊共面度測量誤差Δ＜0.10/0.27388=0.365μm，因此節(jié)流邊共面度測量系統(tǒng)的測量誤差不超過0.5μm，完全可以滿足實(shí)際測量需要。

4 結(jié)論

1）針對目前伺服閥生產(chǎn)工藝中的滑閥閥套節(jié)流棱邊共面度測量精度低和自動化程度低的問題，提出了一種基于差壓式氣動測量的閥套節(jié)流棱邊共面度測量方法。

2）研制了滑閥閥套節(jié)流棱邊共面度的自動化氣動測量系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)分析和最小二乘線性擬合方法確定了該測量系統(tǒng)的線性工作區(qū)。

3）采用某型號伺服閥滑閥閥套，進(jìn)行了四組節(jié)流棱邊共面度的測量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了壓力式氣動法測量節(jié)流邊共面度的合理性和測量系統(tǒng)的可靠性，實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果表明，測量系統(tǒng)的測量誤差不超過0.5μm，該方法能夠很好地滿足伺服閥生產(chǎn)廠家節(jié)流棱邊共面度實(shí)際測量的精度要求。

4）基于差壓式氣動測量原理的共面度測量方法簡單易行，精度高，便于實(shí)現(xiàn)自動化測量，也可以很方便地推廣應(yīng)用于其它類型閥或零件的形狀位置誤差的測量。

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