一種小型滾針圓度測量儀

李利歌，李副來，熊子健，李國斌，馬德鋒

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

圓度儀是測量軸、孔或類似零件的圓度、表面波紋度和同軸度的重要儀器。隨著機械工業的發展，圓度儀的應用越來越廣泛，如軸承生產企業要求在每臺加工滾針的機床邊放置小型圓度儀，用于測量滾針圓度，以確定機床的調節是否滿足要求，故需要大量價格低廉且操作方便的小型圓度儀。

目前我國使用的圓度儀存在以下問題：(1)體積大，操作復雜，除了機械主體外還有計算機，不利于生產現場的使用，僅適合放置于檢查間進行抽檢；(2)電氣部分采用計算機進行數據采集處理，成本較高。因此，設計了一種小型滾針圓度測量儀。

1 原理

將被測工件放在與精密主軸軸線相垂直的工作臺上，傳感器測頭不轉，調整工件的中心，使其與旋轉的精密主軸中心重合并隨之旋轉，調整傳感器測頭接觸工件，傳感器在測量平面內測量工件的半徑變化[1]。圓度儀機械部分結構原理如圖1所示。

1—精密驅動器；2—x軸精密導軌；3—y軸組件；4—傳感器；5—高精度夾盤；6—工作盤；7—電動機；8—聯軸節；9—空氣軸；10—機座圖1 圓度儀機械部分結構原理

圓度儀電氣系統原理如圖2所示。采用基于單片機的數字信號處理技術，系統將傳感器測量的工件輪廓變化信號經放大、檢波、濾波后傳送到單片機，以單片機為核心進行模數轉換，根據圓度評定方法及相應的濾波算法得出偏心量和幾個波段的圓度值，并將數據傳送到電箱的液晶顯示器上。該設計采用AD698芯片處理電感傳感器輸出的信號，再將此信號送入c8051f單片機內部集成的模數轉換器，單片機根據圓度評定算法進行計算，并將結果顯示于液晶屏上，最終結果通過儀器上的RS232或RS232轉RS485串口傳輸到上位機，而且可根據需要實現SPC功能。

圖2 圓度儀電氣系統原理

采用最小二乘圓法進行圓度評定，原理如圖3所示。

圖3 最小二乘圓法原理

L曲線為測量零件的實際輪廓，其平均圓中心為Οc(xc,yc)，平均圓半徑為R0，基準回轉軸線中心為O，Oc與O間的距離為偏心量e，對于L上的任一點P有

Ri=ecos(θi-α)+{(R0+Hi)2-[e·

sin(θi-α)]2}1/2，

式中：Ri為P點到基準回轉軸線中心的距離；θi為P點的極角(以測量起點作為極坐標相對零點)；α為平均圓中心相對基準回轉軸線中心的偏心角(以測量起點作為極坐標相對零點)；Hi為P點在R方向上相對平均圓(最小二乘圓)的偏差。

測量時，e<<(R0+Hi)，則{(R0+Hi)2-[esin(θi-α)]2}1/2≈R0+Hi，所以Ri≈e·

cos(θi-α)+R0+Hi，則Hi=Ri-R0-e·

cos(θi-α)。

2 系統設計及操作方法

圓度儀電氣部分硬件主要包含電感傳感器、信號調理電路、信號采集及數據處理的微處理器、信號接口電路。傳感器采用差動電感式旁向傳感器[3]。信號調理電路采用專用的差動電感器集成芯片，將所需的電路功能集中在1塊芯片上，只要增加幾個外接無源元件來設置頻率和增益，就能將機械位置信號轉換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓信號。信號采集及數據處理的微處理器采用c8051f系列單片機，使用其芯片中集成的16位A/D，該系統擴展了64K數據存儲空間，采用C語言編程，程序流程如圖4所示。根據Hall采樣信號定時采集信號并進行A/D轉換，根據軸承零件的圓度和表面波紋度誤差測量及評定方法，該圓度儀濾波檔分為2～9，10～30，31～512和2～512 upr，采用2階Butterworth數字濾波器，濾波器通頻帶衰減3 dB[4]。信號接口電路主要用于將測量后的數據傳送給計算機和液晶顯示器，用c8051f系列單片機芯片中集成的UART串行端口與顯示屏及上位機進行串口通信，采用MAX232芯片實現電平轉換，根據此芯片應用接法接入合適電阻與電容即可。顯示器采用TFT真彩屏，集成了控制電路及顯示電路。

圖4 程序流程

測量工件時的調整步驟為：(1)逆時針轉動精密卡盤，放入工件后再順時針旋轉，保證卡盤卡正、緊固工件；(2)轉動水平方向(y方向)千分筒，目測傳感器測頭過工件中心，再轉動水平方向(x方向)千分筒，同時觀察顯示屏中的測值，該測值為當前傳感器的值，不是圓度測量結果，測值10～30 μm為最佳測量狀態。同時可根據工件長度調整垂直方向(z方向)千分筒，選擇合適的測量高度，調整結束后方可測量。

圓度儀外觀如圖5所示。面板上的“開關”鍵是儀器電源總開關；“電動機”鍵是在“調試”鍵按下的情況下控制電動機啟停，此鍵只在調試同心度階段使用；“調試”鍵未按下的情況下(即調試結束后)在工件裝卡完后按下“測量”鍵進行測量，其中電動機啟停由程序自動控制；“調試”鍵僅需在儀器調試同心度階段按下。開機屏幕顯示歡迎界面，2 s后自動跳轉到測量結果界面(即在未按下“測量”鍵之前)并顯示當前傳感器的數據，測量完成后可顯示偏心量、4個波段的圓度值、輪廓的圖形及當前傳感器的數據。

圖5 圓度儀外觀

3 應用結果及分析

圓度儀的主軸轉速為9 r/min，使機械主軸不轉動，并將傳感器觸頭置于機械殼體上某點測量，僅分析電氣裝置的精度，20次重復測量全波段，結果顯示：16次為0.03 μm，3次為0.02 μm，1次為0.04 μm，可滿足精度要求。

打開圓度儀的氣源，調節壓力至0.45 MPa以上，測量標準玻璃半球，主軸精度為0.05 μm，20次重復測量全波段，結果顯示：13次為0.08 μm，4次為0.09 μm，2次為0.07 μm，1次為0.10 μm，可滿足精度要求。

將圓度儀用于測量圓度標稱值為0.98 μm的滾針，該圓度儀主軸精度為0.05 μm，圓度測量結果見表1。由表1可知，圓度與其標稱值誤差在0.05 μm內。

表1 圓度測量結果 μm

4 結束語

該圓度儀不但體積小、成本低、操作簡單，而且測量精度高、抗干擾性強、可靠性高，可廣泛用于軸、孔或類似零件的生產現場或實驗室等。