一種小型滾針圓度測量儀

李利歌，李副來，熊子健，李國斌，馬德鋒

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

圓度儀是測量軸、孔或類似零件的圓度、表面波紋度和同軸度的重要儀器。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，圓度儀的應(yīng)用越來越廣泛，如軸承生產(chǎn)企業(yè)要求在每臺(tái)加工滾針的機(jī)床邊放置小型圓度儀，用于測量滾針圓度，以確定機(jī)床的調(diào)節(jié)是否滿足要求，故需要大量價(jià)格低廉且操作方便的小型圓度儀。

目前我國使用的圓度儀存在以下問題：(1)體積大，操作復(fù)雜，除了機(jī)械主體外還有計(jì)算機(jī)，不利于生產(chǎn)現(xiàn)場的使用，僅適合放置于檢查間進(jìn)行抽檢；(2)電氣部分采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，成本較高。因此，設(shè)計(jì)了一種小型滾針圓度測量儀。

1 原理

將被測工件放在與精密主軸軸線相垂直的工作臺(tái)上，傳感器測頭不轉(zhuǎn)，調(diào)整工件的中心，使其與旋轉(zhuǎn)的精密主軸中心重合并隨之旋轉(zhuǎn)，調(diào)整傳感器測頭接觸工件，傳感器在測量平面內(nèi)測量工件的半徑變化[1]。圓度儀機(jī)械部分結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

1—精密驅(qū)動(dòng)器；2—x軸精密導(dǎo)軌；3—y軸組件；4—傳感器；5—高精度夾盤；6—工作盤；7—電動(dòng)機(jī)；8—聯(lián)軸節(jié)；9—空氣軸；10—機(jī)座圖1 圓度儀機(jī)械部分結(jié)構(gòu)原理

圓度儀電氣系統(tǒng)原理如圖2所示。采用基于單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，系統(tǒng)將傳感器測量的工件輪廓變化信號(hào)經(jīng)放大、檢波、濾波后傳送到單片機(jī)，以單片機(jī)為核心進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)圓度評(píng)定方法及相應(yīng)的濾波算法得出偏心量和幾個(gè)波段的圓度值，并將數(shù)據(jù)傳送到電箱的液晶顯示器上。該設(shè)計(jì)采用AD698芯片處理電感傳感器輸出的信號(hào)，再將此信號(hào)送入c8051f單片機(jī)內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)根據(jù)圓度評(píng)定算法進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果顯示于液晶屏上，最終結(jié)果通過儀器上的RS232或RS232轉(zhuǎn)RS485串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，而且可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)SPC功能。

圖2 圓度儀電氣系統(tǒng)原理

采用最小二乘圓法進(jìn)行圓度評(píng)定，原理如圖3所示。

圖3 最小二乘圓法原理

L曲線為測量零件的實(shí)際輪廓，其平均圓中心為Οc(xc,yc)，平均圓半徑為R0，基準(zhǔn)回轉(zhuǎn)軸線中心為O，Oc與O間的距離為偏心量e，對于L上的任一點(diǎn)P有

Ri=ecos(θi-α)+{(R0+Hi)2-[e·

sin(θi-α)]2}1/2，

式中：Ri為P點(diǎn)到基準(zhǔn)回轉(zhuǎn)軸線中心的距離；θi為P點(diǎn)的極角(以測量起點(diǎn)作為極坐標(biāo)相對零點(diǎn))；α為平均圓中心相對基準(zhǔn)回轉(zhuǎn)軸線中心的偏心角(以測量起點(diǎn)作為極坐標(biāo)相對零點(diǎn))；Hi為P點(diǎn)在R方向上相對平均圓(最小二乘圓)的偏差。

測量時(shí)，e<<(R0+Hi)，則{(R0+Hi)2-[esin(θi-α)]2}1/2≈R0+Hi，所以Ri≈e·

cos(θi-α)+R0+Hi，則Hi=Ri-R0-e·

cos(θi-α)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及操作方法

圓度儀電氣部分硬件主要包含電感傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理的微處理器、信號(hào)接口電路。傳感器采用差動(dòng)電感式旁向傳感器[3]。信號(hào)調(diào)理電路采用專用的差動(dòng)電感器集成芯片，將所需的電路功能集中在1塊芯片上，只要增加幾個(gè)外接無源元件來設(shè)置頻率和增益，就能將機(jī)械位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓信號(hào)。信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理的微處理器采用c8051f系列單片機(jī)，使用其芯片中集成的16位A/D，該系統(tǒng)擴(kuò)展了64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，采用C語言編程，程序流程如圖4所示。根據(jù)Hall采樣信號(hào)定時(shí)采集信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)軸承零件的圓度和表面波紋度誤差測量及評(píng)定方法，該圓度儀濾波檔分為2～9，10～30，31～512和2～512 upr，采用2階Butterworth數(shù)字濾波器，濾波器通頻帶衰減3 dB[4]。信號(hào)接口電路主要用于將測量后的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)和液晶顯示器，用c8051f系列單片機(jī)芯片中集成的UART串行端口與顯示屏及上位機(jī)進(jìn)行串口通信，采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，根據(jù)此芯片應(yīng)用接法接入合適電阻與電容即可。顯示器采用TFT真彩屏，集成了控制電路及顯示電路。

圖4 程序流程

測量工件時(shí)的調(diào)整步驟為：(1)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)精密卡盤，放入工件后再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，保證卡盤卡正、緊固工件；(2)轉(zhuǎn)動(dòng)水平方向(y方向)千分筒，目測傳感器測頭過工件中心，再轉(zhuǎn)動(dòng)水平方向(x方向)千分筒，同時(shí)觀察顯示屏中的測值，該測值為當(dāng)前傳感器的值，不是圓度測量結(jié)果，測值10～30 μm為最佳測量狀態(tài)。同時(shí)可根據(jù)工件長度調(diào)整垂直方向(z方向)千分筒，選擇合適的測量高度，調(diào)整結(jié)束后方可測量。

圓度儀外觀如圖5所示。面板上的“開關(guān)”鍵是儀器電源總開關(guān)；“電動(dòng)機(jī)”鍵是在“調(diào)試”鍵按下的情況下控制電動(dòng)機(jī)啟停，此鍵只在調(diào)試同心度階段使用；“調(diào)試”鍵未按下的情況下(即調(diào)試結(jié)束后)在工件裝卡完后按下“測量”鍵進(jìn)行測量，其中電動(dòng)機(jī)啟停由程序自動(dòng)控制；“調(diào)試”鍵僅需在儀器調(diào)試同心度階段按下。開機(jī)屏幕顯示歡迎界面，2 s后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到測量結(jié)果界面(即在未按下“測量”鍵之前)并顯示當(dāng)前傳感器的數(shù)據(jù)，測量完成后可顯示偏心量、4個(gè)波段的圓度值、輪廓的圖形及當(dāng)前傳感器的數(shù)據(jù)。

圖5 圓度儀外觀

3 應(yīng)用結(jié)果及分析

圓度儀的主軸轉(zhuǎn)速為9 r/min，使機(jī)械主軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，并將傳感器觸頭置于機(jī)械殼體上某點(diǎn)測量，僅分析電氣裝置的精度，20次重復(fù)測量全波段，結(jié)果顯示：16次為0.03 μm，3次為0.02 μm，1次為0.04 μm，可滿足精度要求。

打開圓度儀的氣源，調(diào)節(jié)壓力至0.45 MPa以上，測量標(biāo)準(zhǔn)玻璃半球，主軸精度為0.05 μm，20次重復(fù)測量全波段，結(jié)果顯示：13次為0.08 μm，4次為0.09 μm，2次為0.07 μm，1次為0.10 μm，可滿足精度要求。

將圓度儀用于測量圓度標(biāo)稱值為0.98 μm的滾針，該圓度儀主軸精度為0.05 μm，圓度測量結(jié)果見表1。由表1可知，圓度與其標(biāo)稱值誤差在0.05 μm內(nèi)。

表1 圓度測量結(jié)果 μm

4 結(jié)束語

該圓度儀不但體積小、成本低、操作簡單，而且測量精度高、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高，可廣泛用于軸、孔或類似零件的生產(chǎn)現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室等。