錐孔不同截面直徑測量裝置

李運升

沈陽度維科技開發(fā)有限公司 遼寧沈陽 110078

1 序言

長錐孔類零件錐孔規(guī)格多，深度0.5～2m不等，為了檢測錐度，每個錐孔都有相應(yīng)的錐度規(guī)，但是錐度規(guī)即便做成空心，也存在質(zhì)量大的問題，測量時需要借助天吊，多人同時操作，但是測量時錐度規(guī)或者錐孔有異物容易劃傷錐孔，而且目前錐度規(guī)的制作價格昂貴，還不易找到產(chǎn)品質(zhì)量過硬的制造商，有些規(guī)格的錐孔零件只生產(chǎn)幾件，就需要單獨制作對應(yīng)的錐度規(guī)，單次檢測成本非常高，而且錐度規(guī)的制作周期長，嚴重影響生產(chǎn)進度及產(chǎn)品交付。由于錐度規(guī)檢測沒有數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)過程中不易控制機床的調(diào)整，總是每次進刀一點，進行測量，再進刀一點，再測量，如此反復(fù)多次，效率極低，所以亟需一種操作簡便、適用范圍廣且能夠讀取數(shù)據(jù)的測量裝置。

2 測量裝置

2.1 總體結(jié)構(gòu)

測量裝置主要由定心機構(gòu)、測量機構(gòu)和定位機構(gòu)3部分組成，如圖1所示。前后兩個定心機構(gòu)可以找到錐孔的理論軸線，測量機構(gòu)安裝在中間位置，可以使兩個測點的連線與錐孔軸線垂直，此時兩測點間的距離即為當(dāng)前截面的直徑[1]，定位機構(gòu)上有游標刻線，碳纖維推桿上有深度刻線，二者構(gòu)成了游標卡尺讀數(shù)的原理，可以精準知道測點相對端面的深度，整套測量設(shè)備采用比較測量的原理，測量之前用千分尺或環(huán)規(guī)對系統(tǒng)進行清零[2]，顯示器具有顯示和運算功能[3]，可以將兩個測點對應(yīng)的位移傳感器做和差運算[4]，最后顯示當(dāng)前的測量值，此時旋轉(zhuǎn)推桿，測量機構(gòu)可以在此截面旋轉(zhuǎn)一周，測得該截面的不圓度[5]。

圖1 測量裝置

2.2 定心機構(gòu)

通過兩個定心機構(gòu)找到錐孔的理論軸線，此時錐孔理論軸線與定心機構(gòu)理論軸線重合，將測量機構(gòu)安裝到定心機構(gòu)上，此時測量機構(gòu)兩測點連線就會與定心機構(gòu)軸線垂直，即與錐孔理論軸線垂直，此時測量的才是錐孔當(dāng)前截面的直徑。兩個定心機構(gòu)的定心精度和測量機構(gòu)測點與定心機構(gòu)軸線的垂直度是影響測量精度的兩個關(guān)鍵點，都會影響測點與孔母線的垂直度，進而影響測量精度，測量原理如圖2所示。

圖2 測量原理

測點與孔母線垂直時，真實直徑為D，當(dāng)測點產(chǎn)生擺角α?xí)r，測量出的直徑為D1，由此產(chǎn)生的誤差Δ1＝D1-D，其中D1＝D/cosα，即Δ1＝D（1/cosα-1），擺角α是由定心機構(gòu)的定心擺角所帶來，1∶1帶入測量誤差，而且孔徑越大，同樣的擺角α帶來的誤差越大。

為保證測量精度，定心機構(gòu)采用圖3所示結(jié)構(gòu)，而且定心機構(gòu)和測量機構(gòu)所有零件的設(shè)計基準都是采用定心機構(gòu)中的基準軸理論軸線，同一基準就可大大提高整套設(shè)備的測量精度。

圖3 定心機構(gòu)

定心機構(gòu)采用三點定心原理，圓周方向均布3個脹爪，通過齒輪齒條結(jié)構(gòu)實現(xiàn)3個脹爪同時伸縮，而且裝配時調(diào)整3個脹爪頂端到齒條滑套軸線距離一致性≤0.005mm，這樣定心穩(wěn)定且精度高，為了增加定心穩(wěn)定性，將兩套同樣的定心機構(gòu)連接起來。自然狀態(tài)時，彈簧推動齒條滑套使脹爪張開到最大，當(dāng)把整套機構(gòu)放入錐孔中，脹爪與孔壁接觸，齒輪齒條機構(gòu)使齒條套壓縮彈簧，彈簧力是整體自重的5倍，保證定心可靠性。

2.3 測量機構(gòu)

測量機構(gòu)采用比較測量原理，兩個測點通過和差運算得出被測直徑，而且通過這種方式還可以增大測量范圍，解決錐孔測量需要大測量范圍的難點，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測量機構(gòu)

壓緊套在彈簧的作用下壓住鋼珠，使之與定心機構(gòu)連接可靠，基準軸與定心機構(gòu)的基準軸精密配合，保證裝配后軸線重合，而且裝配后整個測量機構(gòu)可以圓周方向旋轉(zhuǎn)；測頭的測點與基準軸軸線垂直，而且測頭的長短可以根據(jù)被測錐孔大小進行更換，滿足不同尺寸錐孔的測量需求；90°杠桿將軸向數(shù)值變化1∶1傳遞給傳感器，因杠桿的傳遞精度對測量精度有較大影響[6]，所以在裝配后需進行精密的調(diào)整與測試；端蓋連接碳纖維推桿，傳感器線從推桿內(nèi)穿過。

3 誤差分析

綜合誤差Δ＝（Δ12＋Δ22＋Δ32）1/2，其中Δ1是定心機構(gòu)軸線與孔理論軸線夾角帶來的誤差，Δ2是90°杠桿精度傳遞帶來的誤差，Δ3是位移傳感器帶來的誤差。

Δ3一般是定值，選用光柵傳感器，誤差在0.001mm，Δ2可以調(diào)整到0.005mm以內(nèi)，根據(jù)1/10原則，本測量裝置的最大誤差不應(yīng)超過工件公差的1/10。以最大孔徑（100±0.05）mm為例，本測量裝置最大誤差不應(yīng)超過0.01mm，帶入上述公式為0.01＝（Δ12＋0.0012＋0.0052）1/2，由此計算出Δ1≈0.008mm，再根據(jù)公式Δ1＝D（1/cosα-1）計算出定心機構(gòu)與孔軸線最大夾角α≈0.5°，以此來調(diào)整定心機構(gòu)的定心精度，保證本測量裝置最大誤差滿足測量要求。

4 應(yīng)用驗證

在生產(chǎn)實踐中驗證了產(chǎn)品的使用效果，首先是產(chǎn)品機械加工過程中，當(dāng)進入半精加工工序時，用此測量裝置測量2～3個截面的直徑數(shù)據(jù)，調(diào)整機床的進刀量，然后再進行2～3個截面的直徑測量，驗證效果非常好，可以有效指導(dǎo)機床調(diào)整，實現(xiàn)在機快速精準檢測。其次是在產(chǎn)品終檢時，由檢查員使用另一套測量裝置檢測多個截面的直徑及不圓度，以此來評定產(chǎn)品是否合格，實踐證明了此測量裝置的穩(wěn)定性及測量精度非常好，兩套不同測量設(shè)備的測量結(jié)果基本一致，而且用此方法檢測的合格品和不合格品用現(xiàn)有的通止規(guī)檢測驗證無誤。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時做3套量具，操作人員、工序間檢查員、終檢檢查員各1套，各自只能用自己的測量設(shè)備檢測，產(chǎn)品加工完成后，操作人員在機自檢3個截面直徑，記錄檢測結(jié)果，產(chǎn)品下機床后，序間檢查員檢測5個截面（包含有操作人員的3個截面）直徑，產(chǎn)品入庫前，終檢檢查員檢測5個以上截面（包含有序間檢查員的5個截面）直徑及不圓度，終檢檢查員對比重合的檢測截面直徑差值不超過此處公差的1/5，產(chǎn)品方可入庫，否則需要重新檢測，找出問題所在。

5 結(jié)束語

本測量裝置解決了錐孔生產(chǎn)加工過程的檢測難題，尤其是對于小批量產(chǎn)品的檢測，做出了巨大貢獻，節(jié)省了錐度規(guī)的制作及時間成本，而且提升了檢測精度及檢測效率，產(chǎn)品質(zhì)量得到巨大提升。產(chǎn)品得到了用戶的認可，為公司帶來了顯著的經(jīng)濟效益。

公司有時也會生產(chǎn)如長液壓缸、長氣缸等深孔類零件，將該測量裝置應(yīng)用在深孔直徑檢測中，不僅可以適用粗加工到精加工的工序間檢測，而且可以作為終檢使用，解決了深孔直徑測量難題，在實際應(yīng)用中也取得了很好的效果。