薄壁筒形零件徑向尺寸自動測量方法研究

郝金超 楊 波 曾志強(qiáng) 王 凡 李紅剛 肖 雄

(①中北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，山西太原 030051;②太原科技大學(xué)，山西太原 030051)

對于小壁厚筒形零件的壁厚測量，目前國內(nèi)比較常用的方法是手持量具或手動方式來進(jìn)行抽樣測量:如采用三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行壁厚檢測，這種檢測方法需要有經(jīng)驗的工人進(jìn)行精細(xì)操作;也有用雙探針來進(jìn)行壁厚測量，這種方式所采用的探針架在測量小壁厚零件時由于環(huán)境限制，一般制造較細(xì)，這樣就容易發(fā)生彈性變形，造成額外的測量誤差，此外這種檢測方式只能檢測軸向方向的尺寸，如果是徑向非勻質(zhì)制件則不能進(jìn)行檢測。隨著零件的加工精度要求越來越高，對某些關(guān)鍵產(chǎn)品的檢測要求越來越嚴(yán)格，而且通常要求100%檢測，以避免不合格零件導(dǎo)致災(zāi)難性后果。該產(chǎn)品生產(chǎn)批量大，毛坯是經(jīng)多次沖壓成型后經(jīng)專用車床車制而成，壁厚的均勻度直接影響炮彈發(fā)射彈著點的準(zhǔn)確性，但是該尺寸不能由沖壓工藝完全保證，因此對該尺寸的檢測十分必要。目前基本采用人工抽檢的方式來測量壁厚，這種測量方式存在效率低，測量點少，精度差，易因主觀因素造成測量誤差，導(dǎo)致誤測。因此設(shè)計一種新的壁厚測量方法，來提高藥筒壁厚的檢測效率和檢測精度十分必要。本文根據(jù)藥筒的壁厚測量要求，設(shè)計了一種薄壁筒形零件通用檢測設(shè)備，并給出了測量原理、設(shè)計結(jié)構(gòu)、誤差分析、實驗過程及結(jié)論。

1 被檢測對象及測量原理

圖1為某炮彈的藥筒部分簡圖，炮彈發(fā)射是通過藥筒底火點火，引燃藥桶內(nèi)的火藥，瞬時燃燒產(chǎn)生巨大的氣體和熱量，從而將彈體從炮口高速推射出去。目前藥筒通常采用多次沖壓成型的方式，雖然成本較低，加工效率高，但不可避免的會造成筒壁厚度的不均，如果差距較大，會影響彈體的裝配和發(fā)射精度。因此，需要對藥筒的筒壁厚度進(jìn)行測量，以獲得工件壁厚值，來評定工件是否合格。

由于該型產(chǎn)品藥筒直徑小，內(nèi)外徑的圓弧曲率大，精度要求較高，不宜采用電渦流等常見的壁厚測量方法，因此采用直接在藥筒輪廓面徑向方向進(jìn)行測量的方案，如圖2所示。保證測量傳感器的接觸點與定位滾輪接觸點的連線始終處于被測點的法線方向。為了減小測量誤差的影響，采用對藥筒輪廓面同一圓周厚度值的多次測量方法進(jìn)行測量，然后按照誤差評定理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到符合精度要求的測量結(jié)果。

采用接觸式測量方法，主要采用位移傳感器對藥筒的壁厚進(jìn)行接觸式測量。在無工件時，傳感器探頭下行與定位輥子接觸，傳感器測頭壓縮一初始量，標(biāo)定厚度為0。當(dāng)加裝工件后，傳感器探頭收縮量增加一個壁厚δ，對應(yīng)的位移傳感器電壓信號通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示在計算機(jī)上，通過傳感器的標(biāo)定數(shù)值可求出該處的壁厚值。

2 藥筒壁厚測量系統(tǒng)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)部分

如圖3，測量機(jī)構(gòu)采用位移傳感器對壁厚進(jìn)行測量。通過上料機(jī)構(gòu)將工件推入定位輥子2，并將工件固定在定位輥子上，然后升降氣缸5收縮，升降臺1下降，高精度滾輪8壓緊工件，傳感器探頭與工件接觸，傳感器探頭收縮，傳感器探頭收縮量即為該點的壁厚值。然后高精度滾輪8由后方電動機(jī)驅(qū)動，帶動工件7旋轉(zhuǎn)，控制程序按照預(yù)先設(shè)置的采樣頻率對工件一周的壁厚值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 計算機(jī)系統(tǒng)及處理系統(tǒng)設(shè)計

(1)信號處理

在機(jī)械系統(tǒng)提供的測量系統(tǒng)滿足要求后，就可進(jìn)行信號測量，信號處理的流程如圖4，其中放大電路的精度要與傳感器精度保持一致。模擬濾波電路是必需的，其頻率要與后而的采樣頻率一致，防止數(shù)字采樣時發(fā)生混頻現(xiàn)象。采樣A/D的位數(shù)精度也應(yīng)和傳感器精度一致。信號采樣頻率根據(jù)工件測量速度要求進(jìn)行合理選擇。后期數(shù)據(jù)處理及輸出由計算機(jī)完成，并依據(jù)用戶要求顯示、輸出、存儲測量數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。

(2)軟件系統(tǒng)

藥筒檢測設(shè)備主要由操作界面、測量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊3大部分組成，各模塊由相應(yīng)的小模塊組成，如圖5所示。

測量軟件的功能主要是實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的選擇性采集、存儲和瀏覽顯示，利用誤差評定理論對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將最終處理結(jié)果進(jìn)行顯示和存儲。

根據(jù)軟件所要實現(xiàn)的功能選擇既有良好的圖形界面編輯功能又通俗易懂的VISUALBASIC6.0語言進(jìn)行編寫。由于本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)類型單一，采集數(shù)據(jù)較少，所以選用ACCESS數(shù)據(jù)庫已經(jīng)完全能滿足要求。

表1

在軟件設(shè)計中，測量模塊主要涉及3部分:通信部分，數(shù)據(jù)采集處理部分，顯示部分。分別利用MSComm控件來實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的采集;利用Timer控件來實現(xiàn)定時采集與數(shù)據(jù)處理，具體流程如圖6;利用MSchart控件來調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)繪制數(shù)據(jù)圖形來顯示數(shù)據(jù)分布關(guān)系及檢驗合格率。

(3)數(shù)據(jù)處理

由于采集數(shù)據(jù)個數(shù)較多，對采集的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行與壁厚上限值的數(shù)據(jù)比較剔除粗大誤差，然后通過五點三次平滑法對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，處理后的數(shù)據(jù)較未處理數(shù)據(jù)的曲線更加平滑，精度更高，如圖7。最后求算術(shù)平均值與最大最小值，最終得到測量結(jié)果。

3 實驗及誤差分析

3.1 對比試驗

使用三坐標(biāo)測量儀對工件一周進(jìn)行內(nèi)外徑測量，并根據(jù)測量結(jié)果計算出壁厚尺寸，并和測厚儀測得的實際尺寸進(jìn)行比較。

從實驗數(shù)據(jù)圖8中可以看出，采用壁厚測量儀得出的測量結(jié)果比三坐標(biāo)測量儀測得結(jié)果波動量不大，最大誤差為15 μm左右，但操作簡便，耗時短(2 s)，便于用于大規(guī)模檢測。

3.2 測量系統(tǒng)重復(fù)性精度分析

選擇一個藥筒工件在筒形小壁厚自動檢測設(shè)備上進(jìn)行多次重復(fù)性檢測，測量結(jié)果見表1。

從數(shù)據(jù)中可以看出，多次測量結(jié)果之間的最大誤差在10 μm左右，重復(fù)滿足設(shè)計要求。

該測厚儀的誤差主要來自以下幾個方面:輥子誤差、傳感器誤差、機(jī)械制造誤差、定位誤差等。

4 結(jié)語

本控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對藥筒壁厚參數(shù)精確、快速、經(jīng)濟(jì)的測量，其厚度實際測量誤差在20 μm以內(nèi)，完全能夠滿足對藥筒檢測的精度要求，經(jīng)某些部件改進(jìn)還可用于不同尺寸薄壁件的壁厚檢測。此外，本系統(tǒng)成本造價低廉，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，效率高，測量范圍較廣，利于控制和掌握，適于大面積推廣和應(yīng)用。

［1］曹根強(qiáng)，崔紅娟，楊帆.回轉(zhuǎn)體工件壁厚及壁厚差檢測儀的研究［J］.計量技術(shù)，2005(9):22－25.

［2］蔣家東，袁道成，王寶瑞.類球曲面薄壁回轉(zhuǎn)殼體的壁厚測量設(shè)計［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010(7):91 －93.

［3］張益，林彬.彈整流罩壁厚測量控制系統(tǒng)的研究［J］.計算機(jī)測量與控制，2005.13(4):349 －351.

［4］楊辰龍，周曉軍.復(fù)雜曲而工件的超聲無損檢測系統(tǒng)研制［J］.中國機(jī)械工程，2005(18):1622－1625.

［5］吳耀金，張治民，龐學(xué)慧.殼體件壁厚差在線測量的研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2007，27(4):228 －229.

［6］張玉存，付獻(xiàn)斌，馬睿.基于紅外測溫的筒形鍛件內(nèi)外徑在線測量［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2012，48(6):14 －16.

［7］李斐，郭輝，孫長庫，等.薄孔壁厚和小孔徑測量系統(tǒng)［J］.天津大學(xué)學(xué)報，2004.37(10).

［8］中北大學(xué).一種圓筒形零件壁厚自動測量裝置及測量方法:中國，CN102538654A［G01B7/06］［P］，2012 －07 －04.