大孔徑工件內徑測量裝置設計

趙慶嶸 丁逸倫 毛敏

南通市計量檢定測試所 江蘇南通 226011

在機械、化工等諸多領域中會涉及很多大孔徑工件，其內徑尺寸對于這些部件和與之配合的部件之間的配合精度有著重要意義。為確保這些部件的內徑尺寸符合工作和生產的需要，需要對這些內徑尺寸進行測量，而由于部件的內壁上會存在諸多高點或低點，采用現有的測量工具(例如內徑千分尺)并不能使測量工具與這些部件的測量部位進行很好的抵壓，導致測量存在較大的誤差，同時由于工件的口徑深淺不一，采用傳統的內徑測量裝置無法實現內徑的測量，進而影響部件的安裝質量，威脅設備的安全穩定運行。基于此種情況，需要設計出能夠對這些大孔徑工件進行高效、準確、便捷直徑測量的測量裝置。

工程技術人員已經對內徑測量裝置進行了部分研究設計，郭燕等[1]在研究現有深孔測量方法的基礎上，設計了一種具有自定心功能的深孔參數測量裝置，與現有測量系統比較，該設計優于光杠式行走測量裝置，可用于中大型精密儀器軸孔內徑的高精度自動化在線測量。李崎巖[2]研制了一種集成式的高精度測量裝置，可以同時對大深徑比孔的直線度、圓度及孔徑和壁厚進行測量，解決當前測量中自動化程度低、精度低的問題。楊桐郁[3]提出將激光三角法應用到大尺寸軸孔類零件的內徑測量中，設計了對應的測頭和測量方法，大大提高了大尺寸軸孔類零件的測量、加工效率。丁正龍等[4]針對深孔零件內徑測量精度要求高、測量空間受限的問題，利用機械測量轉換機構和電感位移傳感器，研制了一種深孔內徑在線精密測量裝置，該裝置具有結構簡單、測量精度高的優點，能夠滿足深孔內徑在線測量要求。王小娟[5]針對異徑管內徑測量難的問題，設計了一種火炮身管內徑自動測量系統，其不僅可以用于火炮身管內徑的自動測量，而且還可以廣泛應用于其他異徑管類零件和多種深孔類零件的測量。姜麗華[6]根據大型軸承套圈的特點，結合測量要求設計了專用測量裝置，采用套圈不動、量儀移動的方式，用二點法測量其內徑尺寸，保證了大型軸承套圈的質量要求。郭健[7]提出了一種新型火車車輪內孔幾何形狀激光測量裝置，采用單個高精度激光測距傳感器，通過在輪轂內孔不同高度位置上旋轉測量實現對火車輪內孔不同位置處的測量，并結合測量裝置的標定方法，實現對火車輪內孔幾何形狀快速、高精度的測量。云鵬等[8]介紹了一種基于高準確度電感傳感器和紅寶石測頭，在測長機上實現了深微孔徑測量的方法，解決了深微孔內徑的測量問題。

綜上所述，對于深淺不一的大孔徑工件的內徑尺寸測量目前還沒有明確涉及，因此，本文介紹了兩種內徑測量裝置，能夠分別對深口和淺口的大孔徑工件的內徑尺寸進行有效的測量。

1 設計內容

1.1 深口大孔徑工件內徑測量裝置

本文設計的深口大孔徑工件內徑測量裝置，主要是用于對深口、大孔徑工件的內徑尺寸進行測量。該內徑測量裝置的結構如圖1所示，由定位裝置、夾緊裝置與測量裝置三部分組成。

圖1 深口內徑測量裝置整體結構圖

該深口內徑測量裝置的主體組成部分及其作用如下：

(1)定位裝置：定位裝置包括定位銷、回轉臂、軸承、下端蓋、上端蓋等主要部件，用于內徑測量裝置在工件上的定位。測量時將定位銷緊靠待測工件的內壁，作為待測工件內徑一端的定位標準，定位銷與回轉臂之間通過軸承、下端蓋和上端蓋連接，因此，回轉臂可繞著定位銷做圓周旋轉，通過旋轉回轉臂來定位待測工件內徑的另一端。

(2)夾緊裝置：夾緊裝置包括夾臂、夾持螺母、V型壓塊和鎖緊手臂，用于裝置定位完成后在工件上的夾緊。夾臂與定位銷上端固定連接，V型壓塊和夾臂的中心開有和夾持螺母配合的螺紋孔，當定位銷定位完成后，通過轉動夾持螺母帶動V型壓塊向著靠近工件外壁的方向進給，V型壓塊的V型區域通過處理采用波紋狀的紋路以增大與工件外壁的摩擦力，通過用V型壓塊夾緊工件外壁的方式來達到裝置定位完成后在工件上的夾緊。回轉臂的一端設置有套接于定位銷的套筒，套筒的上部內壁設置有氣漲圈，氣漲圈經由設置在套筒上的氣孔與外部的氣源連通。利用氣漲圈充氣狀態下與定位銷之間的靜摩擦力形成鎖定效果。該鎖定方式下，充氣過程中的氣流不會破壞定位機構的定位效果，確保了測量結果的精度。

(3)測量裝置：測量裝置包括導軌、內徑測量頭、數顯模塊和百分表，用于測量和顯示數據。測量時首先將定位銷一端夾緊在待測工件上，內徑測量頭與百分表上各安裝有一個探頭分別與工件的內壁與外壁相接觸，通過旋轉回轉臂，觀察百分表上的讀數，當旋轉到讀數最大值時旋轉鎖緊手臂，完成回轉臂的找正。當回轉臂固定后，撥動與導軌上的滑塊相連接的內徑測量頭，將其上的探頭與工件的內壁相接觸，安裝在內徑測量頭上的數顯模塊就會顯示出工件內徑的測量值，至此測量完成。

該深口內徑測量裝置整體由定位裝置、夾緊裝置與測量裝置三部分組成。深口內徑測量裝置的主體示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 深口內徑測量裝置主體示意圖A

圖3 深口內徑測量裝置主體示意圖B

具體操作步驟：首先自工件的開口處將定位銷夾持于工件的內壁中，轉動回轉臂，盡量使得回轉臂處于工件的直徑上。然后利用定位機構進一步確保回轉臂位于工件直徑上，繼而利用鎖緊機構將回轉臂相對于定位銷鎖緊。最后在回轉臂上調節測量裝置，獲取此時回轉臂所在工件直徑的讀數，完成測量。

1.2 淺口大孔徑工件內徑測量裝置

本文設計的淺口內徑測量裝置，主要是用于淺口大孔徑工件的內徑尺寸測量，同時還要兼顧高效、準確、便捷的要求。由于現有的內徑測量裝置缺少對于淺口大孔徑工件的內徑尺寸參數測量的功能，所以，該內徑測量裝置的設計思路是使用定位銷與內徑測量頭作為定位裝置，進行淺口大孔徑工件直徑的測量，將光柵尺作為測量器件，數顯裝置顯示測量數據。該內徑測量裝置的整體結構圖如圖4所示。

圖4 淺口內徑測量裝置整體結構圖

該淺口內徑測量裝置包括用于與待測工件的內壁相抵壓的定位銷和內徑測量頭，用于固定測量裝置本體的上基座、下基座、前連接座、后連接座和定位鍵，上基座上安裝有直線導軌和橫式數顯標尺，直線導軌滑塊上安裝內徑測量頭。上下基座上各安裝有一根直線導軌，每條導軌上安裝兩個固定支架，用于平時擺放測量裝置。上下基座上安裝有2個把手，作為使用該測量裝置進行測量時的握持裝置，同時也便于平時搬運移動該測量裝置。

測量裝置本體由上基座和下基座組成，前連接座和后連接座用于連接上基座和下基座，靠近定位銷的一端通過6組螺栓固定，另一端通過4組螺栓固定，測量裝置本體前后兩側各用一塊定位鍵連接，以此來保證裝置的安裝精度。

具體操作步驟：使用時握住與上下基座所連接的兩個把手，先將定位銷的小凸臺抵在待測工件的內壁上，然后拖動內徑測量頭，通過調整定位銷與內徑測量頭之間的距離來使定位銷和內徑測量頭分別與待測工件的內壁完全抵壓，從而實現內徑測量裝置與待測工件的測量部位之間更好地抵壓。當完全抵壓后通過沿著待測工件測量部位的直徑方向轉動測量裝置，取得最大的數值作為測量值。

2 測量尺原理

光柵尺位移傳感器(簡稱光柵尺)是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經常應用于機床與現代加工中心以及測量儀器等方面，可用于直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數字脈沖，具有檢測范圍大、檢測精度高、響應速度快的特點。

光柵位移傳感器的工作原理是由一對光柵副中的主光柵(即標尺光柵)和副光柵(即指示光柵)進行相對位移時，在光的干涉與衍射共同作用下產生黑白相間(或明暗相間)的規則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經過光電器件轉換使黑白(或明暗)相同的條紋轉換成正弦波變化的電信號，再經過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90°的正弦波或方波，送入光柵數顯表計數顯示。

3 兩種內徑測量裝置的設計亮點

3.1 深口內徑測量裝置

(1)利用夾持機構使得工件一側內壁沿口成為定位基礎，結合回轉臂和定位機構尋找工件內徑方向的最大距離，繼而在對回轉臂進行鎖定的基礎上完成測量，測量精度較高。(2)測量范圍依回轉臂的長度而定，具有較好的適應性。(3)定位銷不僅僅是回轉臂的轉動基礎，也是與工件內壁縱向貼合的定位基礎，可以確保夾持機構的姿態滿足測量精度的要求。(4)利用氣漲圈作為鎖定機構，可以在完成回轉臂的定位操作后，以盡量小的擾動實現對回轉臂的鎖定，進一步確保測量結果準確。(5)利用百分尺完成對回轉臂的定位，可以確保回轉臂處于管件的直徑上。

3.2 淺口內徑測量裝置

為了減輕該測量裝置的重量，實現其便于搬運和使用的目的，該裝置進行了多處結構優化。(1)首先在上基座上進行了掏孔，靠近定位銷一端掏去了一個矩形孔以減少材料的使用和減輕重量。(2)上基座中部仿照橋梁的結構進行了鏤空設計，在保證強度滿足要求的前提下大大減輕了整體的重量。(3)同時，下基座也將中部不影響測量的部分進行了減材處理，并使用了前后連接座連接的形式，盡可能地減小了該測量裝置的整體重量，使其便于使用與搬運。

結語

本文基于深淺不一的大孔徑工件的內徑尺寸測量問題，介紹了兩種內徑測量裝置，這兩種內徑測量裝置采用光柵尺作為測量尺，針對深淺不一的大孔徑工件分別設計了不同的機械機構，能夠分別對深口和淺口的大孔徑工件的內徑尺寸進行有效的測量。為生產過程中工件的尺寸測量提供了支持，保證了工件的安裝質量，顯著提高了生產的效率，具有一定的社會與經濟效益。