半球動壓馬達轉子端面垂直度檢測裝置

段　榮，薛鳳舉，董君華

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

半球動壓馬達轉子端面垂直度檢測裝置

段榮，薛鳳舉，董君華

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

在半球動壓馬達轉子端面垂直度的工序中，檢測一直是影響生產效率的重要瓶頸問題，因沒有理想的檢測手段，目前只能依賴三坐標儀進行檢測。因檢測頻繁、測點多、耗時長，極大地影響了生產效率。介紹了一種基于光學檢測原理研制的端面垂直度檢測裝置，工程實際應用結果表明，它具有檢測精度高、操作簡便、時間短的特點，極大地提高了檢測效率，在提高生產效率方面具有重大的實際意義。

半球動壓馬達；雙球碗；球心連線；端面垂直度

0　引言

半球動壓馬達轉子具有對頂雙球碗結構，其端面對兩球碗球心連線的高精度垂直度在工序中的檢測一直是個難題，原因是凹球球心是虛擬球心，常規計量手段無法直接確定和測量。目前行業上有電感旁向測頭法和三坐標測量儀兩種測量方法。圖1所示為電感旁向測頭法的基本原理，將被測零件的被測端面放置在平板上，用兩個已固定在平板上的鋼球將被測零件定位，將電感旁向測頭接觸到上端球碗的上邊緣，讀取電感儀讀數，松開零件，并將零件旋轉一定角度，重復上述計量，記錄讀數，如此測量一周，其數據最大差值的一半即為垂直度數值。該方法檢測精度低，穩定性差（與操作者的經驗和水平有關），耗時長，操作繁瑣，易傷手指。圖2所示為三坐標儀測量法，利用三坐標儀的球形測頭分別在兩個凹球球面的多個截面上進行多點測量（通常在單個球面上取3個截面Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ，每個截面取4個點P1、P2、P3及P4，兩凹球共計24個點），經電腦擬合計算得出兩球心的空間位置，進而確定其連線作為基準軸線，再對零件被測端面N進行多點測量（通常取4個點），最后經電腦數據處理得出端面與基準軸線的垂直度數值。此法有三點不足：

圖1　電感旁向測頭法Fig.1　Inductance probe method

圖2　三坐標儀檢測法Fig.2　The measurement method by using three coordinate instrument

1）測點多，耗時長，效率低，每次需檢測28個點，用時至少20min。

2）生產效率低，工序中垂直度的頻繁檢測均需送至三坐標測量儀處進行，額外增加了很多運送和等待時間，極大地影響了生產效率。

3）依賴高精度三坐標儀和專業技能人員。

上述不足成為影響生產效率的重要瓶頸。因此，尋求新途徑，實現工序中的垂直度快速檢測一直是提高生產效率方面亟待解決的重要問題。

1　垂直度光學測量裝置

1.1原理與構成

垂直度光學檢測裝置是利用光學方法直接測量被測零件端面法向角度偏差，進而得到相應的垂直度數值。圖3所示為該垂直度光學檢測裝置的構成示意圖，圖4是檢測裝置主體的水平中心截面剖視圖，現結合兩圖對該裝置進行介紹。

圖3　垂直度光學檢測裝置的構成Fig.3　The constitute of optical device for perpendicularity measurement

圖4　裝置主體剖面圖Fig.4　The section view of the main device

1是整個裝置的底座；2是平板，安裝在底座1上；3是滑塊，可在平板2上滑動；4是兩個相隔而置的側定位擋塊，固定在平板2上面，與平板2構成一個高精度的基準二面體體系；滑塊3的前端固定有動基準球頭5，可隨滑塊3作精準的直線滑動，與其相對處有一個定基準球頭6，它通過定基準球頭座7固定在平板2上，動基準球頭5和定基準球頭6的相對運動形成了一個頂持機構，可將被測零件9夾持定位；一個U形高平行度的平行反光鏡8跨在定基準球頭6上方，并與被測零件9的待測端面貼合，其作用是將面積很小的零件環形被測端面放大為能夠被自準直儀檢測的有效反射面，平行反光鏡8的法向即為被測零件端面的法向，通過自準直儀11檢測平行反光鏡8法線角度偏差便可測出被測端面的垂直度偏差。平行反光鏡8與被測零件9待測端面的貼合壓力由兩側固定在平板2上的兩個磁鐵10的磁力提供。

因被測零件兩凹球球心距較短，端面垂直度對代表基準軸線的兩個基準球球心，尤其是動基準球5球心的位置精度極為敏感，微小的誤差都將成為基準偏差而導致測量誤差。所以，保證動基準球5滑動時的重復定位精度是本裝置的關鍵。為此，在滑塊3的另一側有兩個杠桿壓緊機構12，可分別繞其軸13轉動，壓緊機構的另一端各自有一個軸承14，分別頂壓在滑塊3前后兩端的側壁上，保證了滑塊3在滑動時始終貼合在側定位擋塊4上，壓力由彈簧15提供；同理，滑塊3的上方也由兩個杠桿壓緊機構16對其進行施壓，兩個杠桿可分別繞其軸17旋轉，杠桿的一端頂住壓縮彈簧19，另一端是延伸至上端的軸承18，壓在滑塊3的頂面上，實現了滑板3移動時底面始終與平板2貼合。至此，滑塊3在水平和垂直兩個方向均被限制，保證了其直線滑動時的高精度，亦即動基準球5球心具有很高的重復定位精度。

平行反光鏡8在垂直方向的支撐是通過磁懸浮的方式實現的，也即在平行反光鏡8的底部安裝有磁鐵（圖3中未顯示），與其對應的下方平板2上也安裝有兩個磁鐵20，上下兩磁鐵同極性相對安裝，磁懸浮力平衡了平行反光鏡8自身的重力，實現了對平行反光鏡8在垂直方向的支撐。

滑塊3的尾端由復位彈簧21頂住，復位壓力的調節由螺釘22調節復位彈簧的壓緊程度實現。23是滑塊3上的推鈕，24是與平板3固連的把手。

1.2垂直度光學測量裝置的操作使用

使用時，兩手指同時捏動推鈕23和把手24，將滑塊3移向右端，動基準球頭5遠離定基準球頭6，將標準零件（即零垂直度誤差零件）作為被測零件9置于定、動基準球頭之間，松開推鈕23，動基準球頭5在復位彈簧21回復推力的作用下向左端移動，將標準零件頂持在定、動基準球頭之間，再將平行反光鏡8貼合在標準零件的端面上，用自準直儀11對準平行反光鏡8的另一側反光面，調整自準直儀11，直至其反射光標與自身的十字線中心重合，此時標準零件的標準端面法線（即零誤差端面法向）方向被確定，取下標準零件，取而代之以實際被測零件9，按同樣方法讀取自準直儀11中返回光標的偏差值，此偏差值即為被測零件的垂直度角度誤差，偏差方向即為端面法線的方位角。這種使用標準零件標定法線后再檢測其他被檢測件的方法較為直觀、快速、方便，但須經常進行標準法線的標定。

實際檢測中也可以免去上述先用標準零件標定標準法線方向的過程，簡化為對被測零件的直接檢測，即所謂“對稱法”，其原理如圖5所示，被測零件沿標準軸線OO'旋轉時，相隔180°的兩個光標A與A'必落于標準軸線OO'的對稱位置，A與A'的間距即為垂直度角度偏差值的2倍，由此同樣可以得出其端面垂直度偏差和方位角。具體做法如圖6所示：先記錄第一次光標位置A，再將被測零件繞軸線旋轉180°得另一光標位置A'，A與A'的間距的一半即為垂直度角度偏差值，A與A'的矢量方向可確定端面法線的方向角α。

圖5　對稱法測偏角Fig.5　Measuring deflection angle by using symmetry method

最后通過借助于圖像處理軟件，電腦可直接顯示出垂直度的數據值及端面的法向方位角度α。

2　結論

上述檢測裝置充分利用了光學檢測精度高、速度快、方便直接的特點，實現了對端面垂直度的檢測。工程應用的實際結果表明，它具有如下優點：

1）檢測精度高，可實現角秒級檢測，精度甚至高于三坐標儀。

2）用時短，效率高，檢測時間不足1min，是使用三坐標儀的幾十分之一。

3）體積小，造價低，使用方便，既可用于工序中檢測，又可用于最終檢測。

4）對使用者技能要求低，因擺脫了三坐標儀，無需專業技能人員操作。

因此，該裝置解決了影響生產效率方面的重大瓶頸問題，在工程實際應用上具有重要的意義。

圖6　兩光標點確定偏差角及法向方位角Fig.6　Measuring deflection angle and normal angle by two cursor spots

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The Device for Perpendicularity Measurement of End Surface of Rotor for Hemisphere Dynamic Pressure Motor

DUAN Rong，XUE Feng-ju，DONG Jun-hua
（Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

The in-process perpendicularity measurement of end surface of rotor for hemisphere dynamic pressure motor has been a main bottleneck affecting production efficiency because we have no ideal measurement method so far. Currently，we have to rely on the three-coordinates measuring instrument for the measurement.The production efficiency is badly affected due to frequent measurement，multi points measurement and time consuming.The perpendicularity measurement device is introduced in this paper，which is developed based on the principle of optical detection.The results of practical engineering application shows that this device features simple operation，high precision and fast，greatly increased the measurement efficiency.It has great practical significance in improving production efficiency.

hemisphere dynamic pressure motor；dual bowl；ball center line；perpendicularity of end surface

U666.1

A

1674-5558（2016）05-01090

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.017

2015-03-17

段榮，男，機械設計專業，本科，高級工程師，研究方向為慣導平臺總體結構設計。