簡易式形位誤差測量儀的研制

章璐， 張棉好， 鄧震宇， 陳光輝， 王曉煒， 嚴曉夢

（浙江師范大學 職業技術教育學院，浙江 金華321019）

0 引言

目前市場上的形位公差測量儀器大多為比較精密的實驗設備，功能上以滿足實際生產應用和研究型實驗需求為主，一般價格昂貴，操作環境要求嚴格，用于頻繁測量一般精度的零件并不經濟，所以市場上有一些經濟型的專用形位公差測量儀器，但測量功能單一，在實踐中已證實有很大的局限性。

綜上，提出了設計本臺簡易式形位誤差測量儀的構想。設備測量種類多可測量直線度、圓度、圓柱度、平面度、平行度、同軸度、跳動公差等，并且將機械和軟件技術結合，以簡潔、適用的機械結構為基礎，將設備改變傳統測量過程操作復雜、數據結果處理繁瑣的弊端。文中首先確定了測量儀總體方案；其次是系統機械部分和控制部分設計；最后是簡單的實際操作步驟。

1 測量儀總體方案設計

為滿足工件形位誤差的測量，需要測量頭進行多個方向的運動，并由測量頭所測誤差值與計算機間進行數據交換，為此，總體方案如圖1所示。

圖1 測量儀總體方案

2 機械部分設計

要實現對工件形位公差項目的測量，測量點需要實現三個坐標方向上獨立的運動。為了確定設備機械部分應實現的功能，需選擇能保證精度和經濟相平衡的機械結構，同時選擇合適的關鍵部件以實現運動的靈活性和準確性。

2.1 結構方案確定

傳統上能實現三個坐標方向上運動的結構主要包括：移動橋式結構、儀器臺式結構、懸臂式結構。

圖2為移動橋式結構，測量時工件置于工作臺，測量表頭安裝在主軸上，通過橋架、滑架和主軸的運動實現X、Y、Z三個方向上的運動。

圖2 移動橋式結構示意圖

圖3為儀器臺式結構，測量表和主軸組件安裝在滑架上，測量時通過移動立柱、滑架和工作臺來實現X、Y、Z三個方向上的運動。

圖4為懸臂式結構，也稱單立柱結構，工作臺與基座為一體，測量表置于水平懸臂梁末端。通過立柱、滑架和水平懸臂的運動，實現測量表在X、Y、Z三個方向上的運動。

圖3 儀器臺式結構示意圖

圖4 懸臂式結構示意圖

儀器臺式結構由于工作臺尺寸受限，制造成本和后期維護成本高。移動橋式結構采用平行導軌設計，加工裝配精度要求高，導致成本也高。懸臂梁結構受結構限制會產生不同的變形。

結合上述的分析和實際使用的情況，本課題中進行了優化，采用移動橋式的結構設計（圖5）。此外，因在進行測量時Y方向的移動不頻繁，故Y方向采用橋架底部直接在工作臺面上移動的設計，并在工作臺的一側設置一限位塊，使橋架保持平行移動。

圖5 儀器結構示意圖

2.2 本測量儀具體結構

總體結構如圖6所示。

絲桿傳動機構傳動效率高，運動平穩，定位精度和重復定位精度高。Z向絲桿滑臺機構安裝在橋架立柱上，X向絲桿滑臺機構安裝在兩側Z向滑臺上，在X向滑臺上裝有百分表表座，數字顯示式百分表則安裝在表座內。

如圖7所示，橋架立柱安裝在Y向滑臺上，在工作平臺上設置一個限位塊，限位塊的長度方向與Y向滑臺的方向平行，從而保證橋架與前面有一定的平行度。

圖6 總體結構圖

3 控制系統設計

控制部分原理如圖8所示。

1）測量表頭的選用。數字顯示式百分表相比較傳統指針式百分表可以直接顯示被測值，有利于數據的傳輸和自動化處理。

2）控制器的選用。采用單軸步進電機脈沖發生控制器，此控制器可簡單編程，能方便、簡單控制步進電機步長和速度。

圖7 限位塊位置示意圖

4 形位公差測量示例

下面以測量圓柱的直線度誤差為例。具體測量步驟如下：

1）將被測工件兩頭的圓柱放置在V形塊上，使其中的一個V形塊的外側與限位塊靠齊。

2）如圖9所示，打開電源設置步進電機的步長和速度。將開關撥到Z位置，按控制器上的“-”按鈕，使測量表快速沿著Z方向向下運動接近被測工件。當測量表表頭快接近工件時將開關撥至X位置，按下控制器上的“-”按鈕，使百分表向X方向其中一個被測表面的端面移動。

圖8 控制系統原理圖

圖9 控制臺

然后，手推Y向滑塊使表頭位于被測表面最高處的正上方。將開關撥至Z位置，按下控制器的“-”按鈕，使測量表向下移動并使百分表保持一定的預緊力。最后使用相同的方法使百分表在X方向移動，靠近被測表面的另一端。

圖10 數據處理界面

（3）在測量過程中，百分表將測得的誤差數據傳輸到電腦中，電腦將數據進行處理和分析，計算機自動得出形位誤差值（如圖10）。

5 結 語

形位誤差測量儀在國內外市場層出不窮，但考慮到制作的成本和應用范圍上的限制不能大范圍推廣。本課題參考并借鑒了其他同類產品，使設備主要側重于精度和成本上的平衡。設備能減輕中小企業工作人員的工作強度并能在學校中作為教學器材。

［1］ 李建明.淺談形位公差帶的方向與方位［J］.機械工程與自動化，2004（1）：36－37，40.

［2］ 黃云清.公差配合與測量技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.