一種新型的圓弧直徑測量裝置

彭熙熙 張波 羅飛俠

摘要：機(jī)械零件中關(guān)于圓弧段、球面尺寸的檢測一般是通過樣板工裝檢驗(yàn)，不同零件需制作大量專用樣板，且樣板檢測無法顯示具體尺寸，且工裝精度及加工直接影響到產(chǎn)品生產(chǎn)。文章介紹一種簡易的圓弧直徑測量裝置，基于三點(diǎn)式接觸計(jì)算原理，可以得出工件圓弧或球面的具體尺寸，同時(shí)也可檢測其型線的變化情況，適用場合廣，實(shí)用性較強(qiáng)。

Abstract： The detection of arc segments and spherical dimensions in mechanical parts is generally tested by sample tooling. A large number of special samples need to be made for different parts， and the sample test can not display the specific size， and the tooling precision and processing directly affect the product production. The article introduces a simple arc diameter measuring device. Based on the three-point contact calculation principle， the specific size of the arc or spherical surface of the workpiece can be obtained. At the same time， the variation of the profile can be detected. It is suitable for a wide range of applications and has strong practicability.

關(guān)鍵詞：圓弧測量;型線檢測;三點(diǎn)式接觸;計(jì)算方法

Key words： arc measurement;profile detection;three-point contact;calculation method

中圖分類號(hào)：TG81? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）31-0149-02

0? 引言

一般情況下，工件圓弧和球面尺寸的檢測是用專用樣板比對，觀察其是否漏光來判斷圓弧面尺寸精度，雖然操作簡單，但這種檢測方法無法給出工件實(shí)測尺寸的具體數(shù)值，且在零件結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)雜多樣的情況下，需定制的樣板工裝繁雜，增加生產(chǎn)和管理成本[1]。

1? 三點(diǎn)式接觸測量原理介紹

如圖1所示，在同一平面內(nèi)，不在同一條直線上且不重合的任意三點(diǎn)A、B、C可以確定一個(gè)圓，圓心O即在任意兩兩點(diǎn)連線的中垂線的交點(diǎn)上。利用這一特征，若得圖示已知量a、b、c、d，再通過ΔOAB、ΔOBC、ΔABC之間的幾何關(guān)系，可以得到關(guān)于待測圓弧半徑值r的一個(gè)關(guān)系式：

其中：p=，q=，m=，均為已知量，通過對關(guān)系式（1）的求解，可得待測圓弧半徑尺寸r。

下面我們討論一種較為特殊的情況，當(dāng)圖1所示中B點(diǎn)分別與A點(diǎn)和C點(diǎn)的距離相等，即滿足a=b時(shí)，可知c=d，見圖2，此時(shí)，關(guān)于未知量r的關(guān)系式可簡化為：

可得圓弧直徑。

因此，我們可以設(shè)計(jì)一種裝置，讓其接觸待測圓弧上的三點(diǎn)A、B、C，讀取a、b、c、d的值，即可得所測圓弧徑向尺寸。

2? 新型圓弧直徑測量裝置

2.1 結(jié)構(gòu)說明

如圖3所示，此裝置基于特殊三點(diǎn)式接觸測量計(jì)算原理（圖2），利用較為簡單的部件組合，包括兩端測頭（微分頭）、中間點(diǎn)測頭（千分尺）、聯(lián)接桿（滑動(dòng)標(biāo)尺）及輔助測量部件（基準(zhǔn)塊、把持單元等）幾個(gè)部分組成。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

此裝置可以有多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但基本原理是一致的。為提高最終所測圓弧直徑尺寸精度，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：

①對于回轉(zhuǎn)類圓柱面徑向尺寸的測量，為防止把持測量的人為抖動(dòng)影響，保證所測三點(diǎn)所在圓弧截面的位置精度，可以根據(jù)實(shí)測工件結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)此裝置軸向定位基準(zhǔn)，保證測量時(shí)三點(diǎn)在過圓弧直徑截面上;對于球面特征的檢測，可以設(shè)計(jì)徑向定位基準(zhǔn)，以同時(shí)檢測待測球面的尺寸及位置精度[2]。

②為避免專用檢測工裝的制造誤差及后期使用帶來的測頭磨損等因素的影響，可以將三個(gè)測頭與連接桿設(shè)計(jì)為可調(diào)結(jié)構(gòu)，測量前校準(zhǔn)以下幾點(diǎn)：保證三個(gè)測頭所跨弧長范圍盡量接近工件實(shí)際圓弧弧長特征;保證三個(gè)測頭在同一直線上;保證三個(gè)測頭與連接桿的垂直度;保證中間測頭在兩端測頭連線的中點(diǎn)部位。這樣，可以大幅度提高待測圓弧尺寸的測量精度。

③對于要求測量精度更為精密的場合，還需考慮溫度、振動(dòng)、液體腐蝕等因素的影響，優(yōu)化考慮裝置的絕熱性、剛性及密封性等。

④對于測量空間較窄的內(nèi)弧面、凹形面等特征，可針對性的設(shè)計(jì)測頭結(jié)構(gòu)，測量原理相同。

⑤此裝置可以通過測量后讀取已知量a、c（圖3），利用作圖法或計(jì)算法（關(guān)系式2）求得待測圓弧或球面的徑向尺寸;亦可通過設(shè)計(jì)帶有固定計(jì)算公式的電路，利用數(shù)顯裝置直接得到所需尺寸，這樣可以大大提高測量精度和效率。

2.3 使用說明

①使用前，根據(jù)工件待測圓弧弧長特征調(diào)整連接桿上三個(gè)測頭的位置，并保證中間點(diǎn)測頭在兩端測頭的中間點(diǎn)，在水平工作臺(tái)上校準(zhǔn)三個(gè)測頭在同一直線上，然后緊固三個(gè)測頭與連接桿的相對位置。

②測量時(shí)，根據(jù)待測工件圓弧或球面特征選擇定位基準(zhǔn)，以裝置基準(zhǔn)面定位，保證待測工件表面干凈及測頭的穩(wěn)定性，多次測量并讀取數(shù)值，通過作圖法、計(jì)算或裝置數(shù)顯得出最終檢測尺寸。

2.4 前景

隨著電子電路及光柵尺技術(shù)的快速發(fā)展，三點(diǎn)式接觸測量裝置結(jié)構(gòu)可以不斷進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，可以應(yīng)用到更多的場合，測量的精度和效率也會(huì)大大提高。圖4為預(yù)想的光柵尺測量單元的示意圖，通過內(nèi)置光柵尺對三個(gè)測頭相對位置關(guān)系的識(shí)別，結(jié)合集成計(jì)算公式的電子電路，即可快速準(zhǔn)確的得到待測圓弧尺寸。

3? 結(jié)語

此文介紹了一種新型的圓弧直徑測量裝置，此裝置結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用場合較廣，可根據(jù)實(shí)測工件特征及精度要求合理設(shè)計(jì)裝置的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，可改進(jìn)原有樣板檢測方式，更為科學(xué)的用數(shù)據(jù)記錄控制生產(chǎn)過程，有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，減低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆政桓，曲貴龍.間接測量大圓弧直徑的幾種方法[J].機(jī)械制造，2001，39（11）：45-47.

[2]程湘紅，藍(lán)玲.短圓弧的中心測量方法研究[J].工程技術(shù)研究，2018（1）：85-87.

[3]傅建俊.塔式起重機(jī)垂直度測量儀技術(shù)研究[J].價(jià)值工程，2018，37（33）：219-221.