數控車床上軸類零件圓柱度誤差的快速測量方法研究

俞凌

摘 要：本文以圓柱度誤差測量方法為研究對象，對現有的數控車床加工的零件圓柱度誤差進行測量分析，提出通過位移傳感器的方法進行圓柱度誤差測量。通過該方法的使用，可以實現零件加工過程中，不需要取下零件，直接在車床上進行圓柱度誤差的測量，有效的提高了數控車床零件表面圓柱度測量的精度和效率。

關鍵詞：圓柱度、測量、數控車床、位移傳感器

中圖分類號： Tg519 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10 （C）-0000-00

0 導言

零件在生產加工過程中，其精度是決定產品質量和品質的重要標準。軸類零件在數控車床上生產和加工過程中，其表面精度控制主要體現在表面粗糙度，圓柱度，直線度等，而又以圓柱度的控制為表面精度控制的難點。一般現有的加工軸類零件中，往往在圓柱度誤差上存在較大的矯正難點。圓柱度的誤差也往往會影響到表面的配合性質，定位精度，從而也直接或間接地影響到了設備的回轉精度、零件的振動、噪聲、密封性等[1]?。

本文通過對現有的測量方法的綜述和分析，總結不足，提出通過位移傳感器的方法進行圓柱度誤差測量。通過該方法的使用，可以實現零件加工過程中，不需要取下零件，直接在車床上進行圓柱度誤差的測量，有效的提高了數控車床零件表面圓柱度測量的精度和效率。

1 常見測量方法

目前常見的測量方法有半徑測量法，三坐標測量法，兩點法，三點法等測量方法，其特點均需要將零件取下車床進行單獨測量，進而確定圓柱度誤差。

（1）半徑測量法；半徑測量法在測量過程中，以側頭相對于被測圓柱面移動的軌跡，模擬理想圓柱面。半徑變化量即為實際圓柱面上采樣點相對于理想圓柱面的偏離量。（2）三坐標測量法；通常是在三坐標測量機上按要求測量被測零件各個截面輪廓點的坐標值，再利用計算機計算圓柱度誤差。（3）兩點法；通常利用檔鐵依靠被測零件，百分表側頭緊貼零件表面，在給定截面上回轉零件，測得該截面內百分表的最大值和最小值，通過做差法計算零件的圓柱度誤差值。（4）三點法；通常利用V型塊固定零件，百分表側頭百分表側頭緊貼零件表面，在給定截面上回轉零件，測得該截面內百分表的最大值和最小值，通過做差法計算零件的圓柱度誤差值。該方法和兩點法的區別在于固定零件的方式上。

目前，在在位測量上，國內外技術相對比較成熟，同時也有相應的案例。比如使用V型塊法測量大型軸類零件的圓柱度，該方法需要V型塊對零件進行接觸，存在對零件表面的細微磨損，同時也存在導軌的直線度誤差、導軌對于被測工件主軸的平行度誤差等缺陷[2]。

2 位移傳感器法的原理

本文提出一種簡易的測量方法，可以實現在車床上加工軸類零件過程中，不需要卸下零件，直接通過設置于機床刀架上的一組相對設置的位移傳感器，在主軸慢轉的條件下，感應零件表面的細小變化。該方法可以實現精度達到10-100μm左右精度，滿足現有大部分零件精度要求。

如圖1所示，傳感器為位移傳感器，定距離相對180度設置兩個，距離為L0。該組傳感器利用傳感器基座進行固定，為便于移動測量不同截面圓柱度誤差，改組傳感器基座可通過磁鐵吸附于機床刀架，確保了直線位移的精確性。

以位置X1為例，當測量該截面時，傳感器通過刀架位移至位置1，同時主軸可用S50的速度旋轉。位移傳感器1檢測改點與零件表面的數據集合L1，位移傳感器2檢測改點與零件表面的數據集合L2，可計算出該截面的直徑集合L：

L=L0-L1-L2

該結果通過計算可以得到實際零件表面在該截面上的圓柱度誤差制值。

假設機床機床中心軸和零件中心軸為重合的。要計算零件表面到零件中心軸Z之間的半徑R，應該考慮傳感器中心位置Z0與零件中心軸Z之間的水平偏差Ea，以及兩個傳感器中心位置Z0與零件中心軸Z之間的垂直偏差Ev。

對于水平偏差Ea，因為所測零件為軸類零件，直徑處即為量數值最大處，故可以通過在測量之前手工調整的方式進行找正。具體方式為使用手輪控制刀架機床X軸方向移動，時事關注L量的變化，最大處即為直徑處（Ea量控制到接近0）。

因為垂直方向偏量無法通過手動找正，但為恒定量。同時考慮到傳感器1和傳感器2之間是呈180度相對設置的，故在計算過程中可將兩組數據L1和L2作差，得出的結果存在一個恒定的偏量Ev，該偏量即為傳感器中心位置Z0和Z之間的垂直方向偏差，在計算圓柱度誤差過程中，該偏量Ev對誤差值不受影響，如果需要確定實際半徑R的時候可以通過減去Ev量進行校正。

最終取該截面零件實際半徑R值集合為：

R=L/2

取改組數據中最大與最小值差值可得到該截面圓度誤差：

Ci=Rmax-Rmin=（Lmax-Lmin）/2

取多組數據（一般取4-8組）半徑集合R，可測得該零件的圓柱度誤差CY，即為Ci中最大值。

CY=Cimax

3 實驗過程即數據處理

通過對位移傳感器法測量軸類零件的圓柱度方式的原理分析，以實際加工零件一組數據進行實驗驗證。本次采用的零件為Φ150-Φ100*200臺階圓軸。使用的機床為CK6140發耐克數控系統車床，進給量0.04-2.16mm。同時，考慮到測量溫度對零件膨脹的影響，在接近20 ℃，零件線膨脹量最小（絕對值）[3]。本次實驗室車間室內溫度為20℃。

如圖所示，分別在Φ150和Φ100圓柱外表面選取四個測量截面直徑（L），通過Ci=Rmax-Rmin=（Lmax-Lmin）/2

計算得到該截面圓度Ci，數據如表1及表2。

此處圓度Ci取0.057。所以該表面的圓柱度為CY=0.057mm=57μm。

同時，該零件Φ150和Φ100兩處圓柱表面用專業三坐標測量儀測得圓柱度值為68μm和64μm。可見該方法測量圓柱度是可靠的。

4 誤差分析

運用位移傳感器法測量軸類零件的圓柱度主要誤差來源包括位移傳感器固定基座在刀架移動過程中的振動等因素均可引起圓柱度測量誤差。其主要誤差來源和解決方法如下：

（1）基座在跟隨刀架移動過程中的振動引起的誤差，可通過減小刀架進給量來減小。

（2）水平方向偏差找正過程中人工讀數存在的誤差，該誤差可通過多次往復找正實現誤差最小化。

（3）機床導軌等機械設備的誤差，偶然誤差的存在，該誤差為必然存在的誤差，可通過多次測量實現誤差最小化。

5 結語

運用位移傳感器法測量軸類零件的圓柱度可以有效得到可靠的圓柱度誤差數據，與現有的三坐標測量儀得出的結論精度相近。同時該方法可以實現零件在數控車床上在位測量，減小了零件拆裝對誤差測量的影響，可實現即測即加工，實現在車床加工過程中快速測量零件圓柱度的效果。

參考文獻：

[1] Shaway A M，Elbestawi M A.In-proeess evaluation of workpiece geometrical tolerance in bar turning[J].International of Machine Tools and Manufacture，1996（ 36）：33-46.

[2] 鐘茜，徐向紘. 基于V 型塊法的大型軸類零件圓柱度在位測量機構的研究[J].現代制造工程，2015（6）：128-131.

[3] 楊武成，胡玲玲，孫俊茹. 溫度變化對零件測量誤差的影響[J].計量與測試技術.2008（35）：46-48.