全自動軸類直線度測量及調整裝置設計

(核工業理化工程研究院，天津 300180)

0 引言

在機械行業中，長徑比在10～20之間的軸類件屬細長軸[1-2]，細長軸加工過程中容易產生端跳，且調直極為困難。常用調直工藝方法主要有套筒調直法和矯杠調直法兩種工藝路線，其中，套筒調直法的原理是將待調軸穿過標準調直筒套，并嚴格控制通套與軸的間隙量與進給速度，實現對軸類件的整體調直。該方法大多用于光軸的調直，對于階梯軸難以適用；矯杠調直法調直力大，調直后不易回彈，一般用于大型結構件的直線度調整，缺點是微小調直力難于控制，用于細長軸的調直容易在接近臨界點時產生過調現象，需反復調直，影響效率。此外，調直處理后的直線度檢測，通常以軸的設計基準端作為定位基準，檢測另一端的徑向跳動，以此表征調直后軸的直線度。因此，調直與檢測需要兩道工序完成，若遇到需反復調直的工件，工序轉換需變換基準，影響測量精度，而且頻繁的工序轉換也會大大降低工作效率。為此，本文將針對軸類件的結構特點及跳動要求，設計研制一種基于DSP微控制器的專用調直檢測裝置，提高檢測精度和調直效率。

1 研制方案

裝置采用雙工位設計，分別是測量工位和調直工位，可自動完成工位切換，一次裝卡，自動完成檢測和調直功能。首先裝置通過驅動工件回轉測量直線度指標——端部跳動,并找到跳動高點，然后，自動切換到調直工位，進行直線度調整，完成后再次切換至測量工位進行測量，直到直線度符合要求為止。工件裝卡完成后，整個測量、調直流程自動完成，系統可根據工件的初始跳動量自主確定調直行程范圍，全程無需人為干預，可實現閉環循環工作。整體設計思路如圖1所示。

圖1 裝置整體設計思路架構圖

2 機械結構設計

2.1 測量工位結構設計

根據功能需求，該工位應由三部分構成，分別是測量定位機構、驅動機構和測量機構。如圖2所示，測量定位機構以軸的設計基準作為測量基準，保證基準的統一，同時，該機構還可實現在測量工位下的定位、夾緊及隨動回轉功能；驅動機構為高精度步進電機，通過聯軸器與測量定位機構的定位機構連接，用于實現工件的均速驅動；測量機構為激光CCD面陣傳感器，設置于被測軸的末端檢測位置，進行軸末端圓周徑向跳動檢測[3]。

圖2 測量工位機構圖

測量定位機構是測量工位的核心功能部件，其結構設計是否合理將直接影響裝置的測量精度。該機構由兩個子機構組成，分別是定位及驅動機構和隨動壓緊機構，如圖3所示。該機構可同時完成對工件的定位、壓緊及驅動，機構回轉精度達到0.005 mm，從而有效避免定位誤差給測量結果帶來的影響。

圖3 測量定位機構圖

2.2 調直工位設計

調直工位主要由調直定位機構和調直機構組成，如圖4所示。其中，調直定位機構是裝置的工位轉換機構，采用氣動推進方式，可使裝置由測量工位切換至調直工位，夾持位置為軸的重心附近。調直機構采用電動執行器推進，以伺服步進的方式提供持續的下壓調直力，可防止工件回彈，保證調直效果[4]。

圖4 調直工位結構圖

2.3 裝置集成

通過對裝置功能及精度需求分析，建立了測量工位和調直工位的機械結構設計，并以工件軸線作為裝配基準完成裝置的整體裝配，對中精度控制在0.05 mm以內[5]，保證裝置調直和檢測的基準一致性。裝置整體結構如圖5所示。

圖5 裝置整體結構圖

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

采用TMS320F28335型DSP芯片作為主控芯片，在CCS3.3(Code Composer Studio3.3)環境下進行硬件開系統開發。CCS是TI公司的代碼開發和調試套件，可為嵌入式32位精簡指令集運算(RISC)微控制器(DSP處理器)提供可視化編程環境，其完整的開發環境適用于微控制器。該控制模塊不僅集成了微控制器和嵌入式開發工具包，還包含了快速創建應用程序所需的所有工具，能夠幫助用戶快速完成從概念到投入生產的全套設計流程，同時具有系統集成調試、信號處理、數據通訊及硬件驅動功能[6-7]。

硬件系統以DSP主控電路板作為控制核心，處理來自激光傳感器、壓力傳感器和光電開關的信號，經過實時計算后，反饋并控制氣缸壓緊工件，步進電機旋轉至端跳最大點，系統根據已輸入的調直經驗數值模型自動確定調直下壓量，并驅動電動推桿對試件進行調直[8]。控制系統硬件架構如圖6所示。

圖6 控制系統硬件架構圖

激光CCD傳感器通過控制器1與DSP主控單元相連，采用RS232C通訊協議。SMC電動推桿通過控制器2與DSP主控單元相連，采用GPIO和脈沖控制。壓力傳感器通過控制器3與DSP主控單元相連，利用DSP主控板的AD采集模塊。步進電機通過控制器4與DSP主控單元相連，采用GPIO和脈沖控制。觸摸屏通過RS232C串口通訊與DSP主控單元相連。電源模塊為整個控制系統供電，提供+12 V、+24 V和+220 V電源。

3.2 軟件設計

裝置的控制系統上位機軟件采用CCS3.3在TMS320F28335芯片上進行開發，并采用LabVIEW開發算法驗證程序。根據調直及測量的工藝設計的裝置軟件控制流程，如圖7所示。

圖7 系統軟件控制流程圖

3.2.1 測量方法及程序設計

激光CCD傳感器測量軸類試件的原理如圖8中左圖所示，由S發射器發出測量光線，R接收器接收測量光線，得到試件截面上沿到測量光線上沿的距離h0。理想狀態下，軸的直線度誤差為零，旋轉時，傳感器測得的距離h0保持不變。

但實際情況下，由于軸加工后的直線度并非理想狀態，會產生直線度誤差，使得旋轉一周截面的實際運行軌跡如圖8中右圖所示。那么，當軸旋轉時，傳感器實時檢測試件上沿到測量光線上沿的距離。從圖8中右圖可以看到，當試件彎曲向上時，測得距離最小值hmin，當試件彎折向下時，測得距離最大值hmax。若試件順時針旋轉，從彎折向上時開始運動，則距離h以先變大后變小的規律周期性變化，且在最小值和最大值附近變化較為緩慢。經過運動軌跡分析，可以發現試件繞理想軸線實際運行軌跡的半徑Δh，即為軸的端跳最大值。由此可以得到軸的端跳最大值Δh的計算公式：

圖8 測量方法原理圖

(1)

從上式可以看出，試件端跳最大值Δh等于傳感器測量值得最大值與最小值差的一半。根據此方法設計的跳動測量方法驗證VI程序代碼如下[11]：

3.2.2 調直下壓量計算方法及程序設計

軸的調直過程是先克服其彎曲形變，再使之發生塑性形變的過程。在彈性變形階段，材料的彈性模量是一個描述物體彈性的物理量，由物體材料決定，影響彈性形變的大小[9]，其計算公式如下：

E=σ/ε

(2)

式中，E為彈性模量，Pa；σ為表示單位面積上的應力，Pa；ε為表示單位面積上的應變。

因此，可通過模擬測定彈性模量得到調直下壓量。壓力傳感器數值監測調直反彈力，并由激光傳感器測量軸的形變量，通過計算調直力與形變量的比值，得到一個與彈性模量成正比例關系的變量E0，其計算公式如下[10]：

圖9 跳動測量VI代碼

E0=F/H40

(3)

式中，H40表示電動推桿從接觸試件到壓力傳感器達到40 N的下壓值。調直力與下壓量的關系如圖10所示。

圖10 調直力與下壓量模擬計算示意圖

圖10中，試件上的端部檢測點為激光CCD傳感器的測量位置，下壓點表示電動推桿的下壓位置，左氣缸壓緊點代表氣缸固定試件的位置，①號位置表示試件未被電動推桿下壓的狀態，L1表示試件端部檢測點到左氣缸壓緊點的距離，Δh1表示初始端跳最大值，H1表示初始下壓點距理想軸線的距離，②號位置表示試件被電動推桿下壓，壓力值達到40N時的狀態，L2表示下壓點到左氣缸壓緊點的距離，Δh2表示下壓后的端跳值，H2表示下壓后下壓點距理想軸線的距離，則電動推桿從接觸試件到壓力傳感器達到40 N的下壓值H的計算公式如下：

(4)

式中，Δh1-Δh2表示試件從①號位置變化到②號位置時，非接觸式CCD傳感器測量值的變化量，L1和L2是固定值，因此可以計算出H40。從而根據公式(3)，計算變量E0，計算公式如下：

(5)

不同軸的結構也是影響其形變的主要因素。對于同一種軸類件，可將初始的直線度表征參數—跳動值看做是其結構上的位移差異。因此，本文采用試件端跳最大值(可以表征直線度)來表征不同試件的結構差異，則試件下壓量H的計算公式如下：

H=k·H0

(6)

式中，k是由表征試件材料變量E0決定的，H0是由表征試件結構的試件端跳最大值Δh決定的。通過實驗確定了在電動推桿形成范圍(0～10 mm)內有效調直位置(6 mm處)的兩個變量值，如表1所示。

表1 下壓量取值表

表中，E0越大表示試件材料的剛性越大，因此對應系數k值應該越小，表示同樣的端跳最大值下所需試件下壓量越小。根據實驗數據結果設計了調直下壓控制調試程序如圖11所示[12]。

圖11 調直下壓量VI程序代碼

4 測量調直實驗

根據力矩原理，理論上同等調直力作用條件下，力臂越長，所產生的力矩越大，調直效果越好。但是，由于考慮到材料特性影響，存在調直后回彈的現象，因此，需通過調直檢測實驗，確定調直效果較好的調直力加載位置。為了驗證裝置的調直效果，設計了相同調直力條件下的不同力臂調直效果對比實驗，實驗原理如圖12所示。

圖12 調直原理分析圖

實驗方法：沿試件軸向方向分別設置5個調直位置，距夾持位置最近的調直點與夾持點距離為L，如圖12所示，其余4個位置遠離夾持點，距離分別為L+ΔL、L+2ΔL、L+3ΔL、L+4ΔL，在5個夾持位置分別對5個階梯軸實驗件進行調直處理，并測量末端跳動值，確定調直效果最佳的調直位置。各位置調直后的跳動測量結果如表2所示。

表2 調直檢測實驗數據

由表2實驗結果可以看出，調直位置距離夾緊位置越遠，調直效果越好，并且當調直位置與夾持點距離在L+3ΔL時，檢測得到的末端跳動量最小，調直效果最佳；當調直位置與夾持點距離L+4ΔL時，反而會使跳動量有所增加，由此也驗證了調直力矩效應與材料性能之間的相互關聯性。同時，該實驗結果也充分說明了裝置的功能效果，可以很好地滿足軸類零件的直線度調整及檢測需求，具有很好的實用性。

5 結束語

本文根據軸類零件的直線度調直工藝需求，設計開發了全自動調直檢測專用工藝裝備，實現了對軸類工件的智能化閉環自反饋檢測及調直。通過設計測量工位和調直工位，并實現工位自動切換，解決了傳統軸類調直工藝中的檢測和調直分序進行帶來的基準不統一問題。研究建立智能閉環控制系統，可實現檢測-調直-檢測的閉環自反饋控制，只通過一次裝卡即可得到直線度符合設計要求的軸，自動化程度較高。該裝置可有效改善軸類零件的直線度水平，使調整后的軸末端圓周跳動小于0.05 mm，滿足機械行業中高精度軸類零件的調直需求。