深孔直線度檢測運載裝置設計及仿真優化

齊偉　陳新春　王燦　閆乃晴

本文研究了深孔直線度制造精度檢測途徑。借鑒激光跟蹤儀測量原理，設計深孔直線度檢測運載裝置，建立運載機構仿真模型。利用ADAMS對運載機構中彈簧力進行仿真分析及優化。結果表明，彈簧剛度為8.000N/mm，預載力為16N時，測得的正壓力為32.20N，滿足33±1N的設計要求。本研究為深孔直線度檢測裝置設計、制造和調試提供了技術支持。

一、前言

深孔是機械行業應用最為廣泛的形面之一，如工程機械中的液壓缸缸筒內孔、壓路機振動輪軸承座孔系、挖掘機大臂孔系等，這些形面的加工質量直接影響著機械產品的使用性能。由于缺乏檢測手段，目前主要依賴加工設備保證制造精度，嚴重地限制了產品質量提升。近年來，隨著技術進步，機械行業開始逐步探索深孔直線度、圓度、平行度和孔系同軸度等制造精度的檢測途徑。如何將孔信息傳遞給檢測單元，是本領域技術人員需要解決的關鍵技術問題。基于這種現狀，本研究借鑒激光跟蹤儀測量原理，設計深孔直線度檢測運載裝置。利用ADAMS對彈簧力進行仿真分析及優化，獲得滿足給定運動要求的檢測運載裝置。

運載機構如圖1所示，包括橫筒、變幅輪架、鎖幅墊塊、鎖幅螺栓、銷軸、滾輪、調壓螺釘、立板、螺釘和彈簧。橫筒用于承載光敏元件、反光棱鏡等檢測單元，與立板通過定位銷、螺釘連接。變幅輪架用于支承所述滾輪，在彈簧作用下，使得滾輪壓于孔內壁，與立板、滾輪通過銷軸連接。鎖幅墊塊用于鎖止變幅輪架動作，通過鎖幅螺栓固定，在非工作狀態，三個鎖幅墊塊均處于鎖死狀態，防止彈簧丟失、運載裝置受損，在直線度檢測中，三個鎖幅墊塊均卸下。根據檢測對象，運載裝置自適應內孔，并將內孔信息傳遞給檢測單元。立板用于支承運載裝置，并且兩塊立板處于平行狀態，同時確保滾輪圓周位置分別相對。橫筒、變幅輪架及立板均采用硬鋁合金材料制成，以便于輕量化運載裝置。

檢測過程中，運載機構在內孔中行走，滾輪在彈簧的作用力下對孔內壁產生正壓力。但是，壓力過大會造成滾輪對孔內壁劃傷，影響孔表面質量；壓力過小會造成運載機構在行走過程中旋轉，影響檢測精度。因此，合理設計運載機構中滾輪對被測孔內壁的壓力是保證檢測裝置有效性的最關鍵因素。

二、運載機構多剛體仿真模型的建立

簡化模型既可以提高計算速度，又可以確保計算的精度。依據前期設計模型，簡化運動過程、各部件問的相互受力關系、運動關系。對螺釘、調整壓釘及銷軸等進行忽略處理。

1.模型的導入

利用Pro/ENGINEER軟件將簡化好的模型保存為xT格式，并在ADAMS軟件下打開保存好的X-T格式模型。為了提高計算速度與精度，盡可能減少零部件和運動副的數量。在ADAMS軟件下將沒有相對運動的部位進行求和、命名并更改顏色，便于在后期操作過程中識別零件。

2.添加約束與彈簧

如圖3所示，簡化模型中沒有建立被測孔模型，故將被測孔默認為group。建立與滾輪接觸的加載平板，滾輪與加載平板通過點面接觸副相連，加載平板與group相連。變幅輪架與立板之間沿立板安裝孔添加旋轉副，旋轉副的摩擦系數為0.3。根據運載模型變幅輪架工作狀態，在變幅輪架與立板彈簧裝配位置創建對稱的marker點，并在marker點之間添加彈簧。

三、基于ADAMS動態仿真及優化

根據被測孔材料的物理性能，以及運載機構在孔內平穩行走，確定滾輪對內孔的正壓力為33N±1N的設計要求。經過計算，運載機構彈簧力初始設計參數為彈簧剛度為6.667N/mm，預載力為12N。

根據被測孔的精度，設計其行走方程為：

y=2sinw1

1.ADAMS動態仿真

通過ADAMS軟件對初始設計參數進行動態模擬仿真，結果如圖4所示。

根據仿真曲線測量結果可以得出初始設計狀態的孔內壁所受最大壓力為30.87N，不滿足設計要求。由于運載機構在內孔中行走，滾輪在彈簧的作用力下對孔內壁產生正壓力。壓力小于設計要求，會造成運載機構在行走過程中旋轉，影響檢測精度。影響滾輪對被測孔壁正壓力的主要因素有滾輪結構，裝置總質量、彈簧剛度及預載力等。考慮到盡可能地減少變動零部件設計，因此需要對彈簧的參數進行優化。

2.ADAMS仿真優化

運載機構對被測孔的壓力過小說明彈簧剛度及預載力過小，增加彈簧剛度及預載力可以達到預期效果。針對彈簧剛度和預載力采用田口設計方法，選取兩因素三水平彈簧參數，進行DOE實驗，仿真實驗數據如表1所示。

對比滾輪對內孔的正壓力為33N+1N的設計要求，從實驗結果表1中可以看出當彈簧剛度為7.273N/mm、預載力為16N；彈簧剛度為8.000N/mm、預載力為16N時，均符合33±1N設計要求。

由于運載機構實際檢測過程中，滾輪對被測量孔徑變化響應速度越快，檢測效率與精度就越高，據此對上述優化結果進行了滾輪變化速度仿真優化實驗，如表2所示。

從表2中可以看出，彈簧剛度為7.273N/mm、預載力為16N時，滾輪速度為24.34mm/s；彈簧剛度為8.000N/mm、預載力為16N時，滾輪速度為26.08mm/s。結果表明，當彈簧剛度越大，滾輪變化速度越大，滾輪對被測量孔徑變化響應速度就越快，檢測效率與精度就越高。因此，在設計檢測運載裝置時最終選擇彈簧剛度為8.000N/mm，預載力為16N的參數組合。

四、結語

本研究圍繞深孔直線度檢測設計了直線度檢測運載裝置，利用ADAMS軟件建立運載機構仿真模型，對彈簧參數進行了仿真分析與優化，得出了以下結論：

（1）借鑒激光跟蹤儀測量原理，設計了直線度檢測運載裝置。

（2）彈簧設計參數為彈簧剛度8.000N/mm、預載力16N時，滿足滾輪對內孔的正壓力33+1N的設計要求。

（3）本研究為深孔直線度檢測裝置設計、制造及調試提供了技術支持。