大型輪廓測(cè)量?jī)x

張慧，宋曉波，張帥軍，王典仁

（1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司 技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471039；3.航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039）

大型軸承先進(jìn)制造技術(shù)已開始推廣，公差等級(jí)為P2的軸承制造技術(shù)和公差等級(jí)為G5的鋼球磨研技術(shù)等已在生產(chǎn)中應(yīng)用，這就要求輪廓和粗糙度等二維表面形貌測(cè)量?jī)x滿足先進(jìn)制造技術(shù)的要求，提升測(cè)量精度和測(cè)量范圍。目前，市場(chǎng)上針對(duì)內(nèi)徑300 mm以上精密零件表面輪廓的測(cè)量主要采用便攜式輪廓測(cè)量?jī)x，此類測(cè)量?jī)x分辨率低，粗糙度測(cè)量量程小，測(cè)量參數(shù)單一，不能滿足現(xiàn)代制造技術(shù)的要求，為此開發(fā)了一種高精度大型輪廓測(cè)量?jī)x。

1 測(cè)量原理

如圖1所示，大型輪廓測(cè)量?jī)x采用二維直角坐標(biāo)測(cè)量原理。水平方向驅(qū)動(dòng)箱由電動(dòng)機(jī)通過同步帶傳動(dòng)，帶動(dòng)精密滑動(dòng)導(dǎo)軌進(jìn)行水平方向的移動(dòng)，并通過高精度的光柵尺進(jìn)行測(cè)量，建立X坐標(biāo)的精密測(cè)量基準(zhǔn)。被測(cè)件表面形貌的測(cè)量通過高精度大量程差動(dòng)電感式傳感器實(shí)現(xiàn)，測(cè)量量程可達(dá)±10 mm。垂直方向的升降采用立柱導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)，立柱導(dǎo)軌采用大理石立柱作為基準(zhǔn)面，采用編碼器進(jìn)行下位移量的測(cè)量和定位，通過大功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠調(diào)節(jié)立柱的升降。

圖1 測(cè)量原理示意圖Fig.1 Diagram of measuring principle

測(cè)量時(shí)，被測(cè)工件置于測(cè)量工作臺(tái)上，移動(dòng)立柱裝置，使傳感器測(cè)頭接近工件，然后通過操縱桿將電感傳感器測(cè)頭伸到被測(cè)部位，輸入測(cè)量長(zhǎng)度開始測(cè)量。測(cè)量過程中，傳感器由水平導(dǎo)軌帶動(dòng)，沿工件表面采集變化信號(hào)，同時(shí)通過高精度光柵尺采集水平方向相應(yīng)位置信號(hào)，傳感器的位移量經(jīng)信號(hào)解調(diào)、濾波放大等前置電路處理及AD轉(zhuǎn)換后與光柵采樣的X向位置信號(hào)一起送入計(jì)算機(jī)，兩者組成二維坐標(biāo)。測(cè)量結(jié)束后在專用測(cè)量軟件界面顯示真實(shí)的測(cè)量曲線，經(jīng)誤差修正和數(shù)據(jù)處理（濾波、最小二乘等）后，可按GB/T 3505—2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS） 表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 術(shù)語(yǔ)、定義及表面結(jié)構(gòu)參數(shù)》給出輪廓度、波紋度、粗糙度等二維形貌測(cè)量結(jié)果，也可給出曲率半徑、凸度、雙溝中心距、倒角、溝槽等尺寸測(cè)量結(jié)果［1］。

2 性能指標(biāo)

測(cè)量范圍：內(nèi)徑φ320≤d≤φ440 mm；外徑φ480≤D≤φ650 mm；粗糙度測(cè)量誤差2%＋4 nm。

輪廓半徑測(cè)量誤差：半徑名義尺寸的0.02%～0.1%。

X向?qū)к売行谐獭?00 mm，直線精度≤1μm，移動(dòng)速度可選0.5，1 mm/s。

Z向立柱導(dǎo)軌有效行程≥400 mm，速度可選0.5，1，3 mm/s；

Z向提升裝置有效行程≥300 mm，移動(dòng)速度10～15 mm/s。

3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)

大型輪廓測(cè)量?jī)x的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，測(cè)量?jī)x配有粗糙度（高精度）和輪廓（大量程）2種傳感器，根據(jù)被測(cè)件測(cè)量參數(shù)選擇合適的傳感器和測(cè)針。首先通過Z向提升裝置使被測(cè)工件接近傳感器，通過操作桿上下移動(dòng)Z向立柱導(dǎo)軌和X向水平導(dǎo)軌，使測(cè)針接觸被測(cè)工件，然后通過工作臺(tái)的各個(gè)旋鈕找準(zhǔn)測(cè)量部位，輸入測(cè)量長(zhǎng)度后開始測(cè)量，測(cè)量完畢后計(jì)算機(jī)對(duì)所有的X向和Z向測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，最后按照用戶需求顯示二維形貌測(cè)量的各種參數(shù)，還可對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和打印［2］。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of structure

3.2 電感傳感器

粗糙度傳感器具有精度高，靈敏性強(qiáng)，測(cè)力小等特點(diǎn)，非常適合工件表面粗糙度的測(cè)量；輪廓傳感器具有量程大，精度高等特點(diǎn)，適合大型軸承套圈溝道輪廓的測(cè)量。這2種傳感器均采用螺管式差動(dòng)電感線圈作為信號(hào)發(fā)生源，既可用于微小位移測(cè)量，又可用于一般量程測(cè)量。另外，采用滾動(dòng)式導(dǎo)向回轉(zhuǎn)支承作為測(cè)桿旋轉(zhuǎn)移動(dòng)支承點(diǎn)，摩擦小，回程誤差和重復(fù)性誤差也相對(duì)較小；采用杠桿自重觸壓被測(cè)輪廓，配合測(cè)力彈簧及平衡套平衡自重的方式調(diào)整測(cè)量力的大小。

傳感器采用螺管式差動(dòng)電感線圈作為信號(hào)發(fā)生源，其中電感線圈的設(shè)計(jì)尤其關(guān)鍵，直接影響到儀器的測(cè)量精度。設(shè)線圈窗口面積為SN，導(dǎo)線直徑為d1，則線圈匝數(shù)N為

式中：kN為窗口充填系數(shù)，與繞制工藝有關(guān)，一般取0.4～0.7。

電感值與窗口面積和導(dǎo)線直徑的關(guān)系為

式中：Rm為磁路磁阻。

在不考慮渦流損耗和磁滯損耗的情況下，磁芯在雙線圈中心位置時(shí)，單個(gè)線圈的品質(zhì)因數(shù)為

式中：ω為電源角頻率；Rc為銅損電阻；f為電源頻率；l為線圈平均匝長(zhǎng)；ρ為導(dǎo)線材料電阻率。

由以上公式可以看出，為獲得適當(dāng)大的電感值與較高的品質(zhì)因數(shù)，應(yīng)考慮：1）增大窗口面積；2）窗口設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)形，減小l值；3）選擇較細(xì)的高強(qiáng)度漆包線作為導(dǎo)線，一般選用線徑為d1＝0.04～0.16 mm。為使導(dǎo)線強(qiáng)度可靠，制造時(shí)將線圈繞好后用膠粘結(jié)于骨架內(nèi)。

在以上設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，測(cè)量?jī)x中傳感器線圈的設(shè)計(jì)參數(shù)為：磁芯和磁套選用坡莫合金，磁芯外徑2.5 mm，長(zhǎng)度4 mm（導(dǎo)磁長(zhǎng)度）；線圈內(nèi)設(shè)有內(nèi)骨架，中有隔墊，外有磁套，線圈線徑0.053 mm，分兩端，有中間抽頭，每段700匝以上；2個(gè)線圈的單個(gè)電阻值為105～110Ω，總阻值為215～220Ω。

3.3 X 向水平導(dǎo)軌

3.3.1 主要結(jié)構(gòu)

X向需要高移動(dòng)精度，保證傳感器測(cè)頭在測(cè)量粗糙度時(shí)可以精確地測(cè)量被測(cè)工件的微觀不平度間距。定導(dǎo)軌要求傳動(dòng)配合面（上表面）直線度小于1μm，動(dòng)導(dǎo)軌與定導(dǎo)軌的接觸部位采用尼龍鑲頭，并在鑲頭中心填充存油物，而且可以考慮在定導(dǎo)軌表面涂覆固體潤(rùn)滑脂，從而保證動(dòng)導(dǎo)軌在定導(dǎo)軌上移動(dòng)時(shí)有良好的移動(dòng)精度，不產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。定導(dǎo)軌采用的材料經(jīng)過淬、回火及多次穩(wěn)定處理。上導(dǎo)軌和前導(dǎo)軌的鑲頭制作成固定形式以保證在測(cè)量過程中的移動(dòng)精度；下導(dǎo)軌以及后導(dǎo)軌的鑲頭采用彈性方式，以消除定導(dǎo)軌側(cè)面和下表面的平面度及平行度誤差，以及長(zhǎng)期測(cè)量過程中出現(xiàn)磨損時(shí)帶來測(cè)量誤差［3］。

3.3.2 直線性誤差

定導(dǎo)軌配合面的直線性是影響測(cè)頭移動(dòng)精度的關(guān)鍵因素。測(cè)量?jī)x定導(dǎo)軌的直線性為0.5 μm/200 mm，滿足測(cè)量要求；為了更好地消除X向的測(cè)量誤差，設(shè)計(jì)時(shí)在X向?qū)蜓b置中增加了零位檢測(cè)開關(guān)，采用高精度光柵尺實(shí)現(xiàn)X向全程定位，并通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)平鏡進(jìn)行X向的全程線性修正。

傳感器對(duì)平鏡在X向全程（200 mm）得到一組測(cè)量數(shù)據(jù)（PXi，PYi），經(jīng)低通濾波后得到一組濾波后的數(shù)據(jù)點(diǎn)（PXi1，PYi1），再用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算，得到最小二乘直線上的點(diǎn)（EXi，EYi），然后對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)（PXi1，PYi1）進(jìn)行B樣條曲線擬合，得到（BXi，BYi），按照傳感器分辨率取值間隔和X向等值取樣的方式得到數(shù)據(jù)表（EYi，BYi），實(shí)際測(cè)量時(shí)在導(dǎo)軌的每一點(diǎn)通過數(shù)據(jù)表替換的方法消除X向?qū)к壴诿恳稽c(diǎn)的直線性偏差。

3.4 Z 向立柱導(dǎo)軌和Z 向提升裝置

Z向調(diào)整包含Z向立柱導(dǎo)軌和Z向提升裝置兩部分。為減小定導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)并提高定導(dǎo)軌的耐磨性能，Z向立柱導(dǎo)軌采用花崗巖材料并進(jìn)行表面拋光處理，導(dǎo)軌的鑲頭采用與X向?qū)к壱粯拥慕Y(jié)構(gòu)形式。Z向提升裝置采用高精度重載直線導(dǎo)軌作為導(dǎo)向，通過滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，兩者配合使用可以實(shí)現(xiàn)Z向測(cè)量位置的快速定位［4］。

4 電氣設(shè)計(jì)

電氣部分采用電感式位移傳感器及測(cè)量電路，精密光柵及計(jì)數(shù)細(xì)分卡，水平方向采用直流減速電動(dòng)機(jī)及其控制電路，垂直方向采用絕對(duì)值型編碼器，側(cè)掛裝置采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制電路，實(shí)現(xiàn)快速升降和精確定位，采用高精度多功能數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其工作原理框圖如圖3所示。

圖3 電氣設(shè)計(jì)原理框圖Fig.3 Block diagram of electrical design principle

5 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量軟件的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Flow chart of software design

6 試驗(yàn)分析

選取粗糙度樣板和標(biāo)準(zhǔn)球作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析樣件，測(cè)試結(jié)果見表1。由表可知，測(cè)量?jī)x達(dá)到了預(yù)期的性能和指標(biāo)，部分性能和指標(biāo)也達(dá)到了國(guó)外較高水平，測(cè)量結(jié)果可以作為數(shù)據(jù)依據(jù)，對(duì)軸承套圈加工設(shè)備進(jìn)行有效調(diào)整，從而有效地保證了軸承的各方面性能要求。

表1 儀器測(cè)值示值誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of indication error of measured valve of instrument

7 結(jié)束語(yǔ)

大型輪廓測(cè)量?jī)x是針對(duì)內(nèi)徑300 mm以上的軸承套圈零件輪廓進(jìn)行有效、準(zhǔn)確測(cè)量的儀器，具有測(cè)量精度高，定位快速可靠等優(yōu)點(diǎn)，用戶可以通過檢測(cè)結(jié)果對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，提高產(chǎn)品的加工精度和可靠性，有效地解決了大型軸承產(chǎn)品在套圈滾道加工過程及終檢中相關(guān)尺寸的精密測(cè)量問題。

目前，正在對(duì)表面粗糙度Ra值很小的球面測(cè)量數(shù)學(xué)模型的完善，線性誤差的減小等問題進(jìn)行更深入的分析，以使測(cè)量?jī)x能夠獲得更高的測(cè)量精度，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。