數(shù)控車床上軸類零件圓柱度誤差的快速測(cè)量方法研究

俞凌

摘 要：本文以圓柱度誤差測(cè)量方法為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)有的數(shù)控車床加工的零件圓柱度誤差進(jìn)行測(cè)量分析，提出通過位移傳感器的方法進(jìn)行圓柱度誤差測(cè)量。通過該方法的使用，可以實(shí)現(xiàn)零件加工過程中，不需要取下零件，直接在車床上進(jìn)行圓柱度誤差的測(cè)量，有效的提高了數(shù)控車床零件表面圓柱度測(cè)量的精度和效率。

關(guān)鍵詞：圓柱度、測(cè)量、數(shù)控車床、位移傳感器

中圖分類號(hào)： Tg519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）10 （C）-0000-00

0 導(dǎo)言

零件在生產(chǎn)加工過程中，其精度是決定產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。軸類零件在數(shù)控車床上生產(chǎn)和加工過程中，其表面精度控制主要體現(xiàn)在表面粗糙度，圓柱度，直線度等，而又以圓柱度的控制為表面精度控制的難點(diǎn)。一般現(xiàn)有的加工軸類零件中，往往在圓柱度誤差上存在較大的矯正難點(diǎn)。圓柱度的誤差也往往會(huì)影響到表面的配合性質(zhì)，定位精度，從而也直接或間接地影響到了設(shè)備的回轉(zhuǎn)精度、零件的振動(dòng)、噪聲、密封性等[1]?。

本文通過對(duì)現(xiàn)有的測(cè)量方法的綜述和分析，總結(jié)不足，提出通過位移傳感器的方法進(jìn)行圓柱度誤差測(cè)量。通過該方法的使用，可以實(shí)現(xiàn)零件加工過程中，不需要取下零件，直接在車床上進(jìn)行圓柱度誤差的測(cè)量，有效的提高了數(shù)控車床零件表面圓柱度測(cè)量的精度和效率。

1 常見測(cè)量方法

目前常見的測(cè)量方法有半徑測(cè)量法，三坐標(biāo)測(cè)量法，兩點(diǎn)法，三點(diǎn)法等測(cè)量方法，其特點(diǎn)均需要將零件取下車床進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，進(jìn)而確定圓柱度誤差。

（1）半徑測(cè)量法；半徑測(cè)量法在測(cè)量過程中，以側(cè)頭相對(duì)于被測(cè)圓柱面移動(dòng)的軌跡，模擬理想圓柱面。半徑變化量即為實(shí)際圓柱面上采樣點(diǎn)相對(duì)于理想圓柱面的偏離量。（2）三坐標(biāo)測(cè)量法；通常是在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上按要求測(cè)量被測(cè)零件各個(gè)截面輪廓點(diǎn)的坐標(biāo)值，再利用計(jì)算機(jī)計(jì)算圓柱度誤差。（3）兩點(diǎn)法；通常利用檔鐵依靠被測(cè)零件，百分表側(cè)頭緊貼零件表面，在給定截面上回轉(zhuǎn)零件，測(cè)得該截面內(nèi)百分表的最大值和最小值，通過做差法計(jì)算零件的圓柱度誤差值。（4）三點(diǎn)法；通常利用V型塊固定零件，百分表側(cè)頭百分表側(cè)頭緊貼零件表面，在給定截面上回轉(zhuǎn)零件，測(cè)得該截面內(nèi)百分表的最大值和最小值，通過做差法計(jì)算零件的圓柱度誤差值。該方法和兩點(diǎn)法的區(qū)別在于固定零件的方式上。

目前，在在位測(cè)量上，國(guó)內(nèi)外技術(shù)相對(duì)比較成熟，同時(shí)也有相應(yīng)的案例。比如使用V型塊法測(cè)量大型軸類零件的圓柱度，該方法需要V型塊對(duì)零件進(jìn)行接觸，存在對(duì)零件表面的細(xì)微磨損，同時(shí)也存在導(dǎo)軌的直線度誤差、導(dǎo)軌對(duì)于被測(cè)工件主軸的平行度誤差等缺陷[2]。

2 位移傳感器法的原理

本文提出一種簡(jiǎn)易的測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)在車床上加工軸類零件過程中，不需要卸下零件，直接通過設(shè)置于機(jī)床刀架上的一組相對(duì)設(shè)置的位移傳感器，在主軸慢轉(zhuǎn)的條件下，感應(yīng)零件表面的細(xì)小變化。該方法可以實(shí)現(xiàn)精度達(dá)到10-100μm左右精度，滿足現(xiàn)有大部分零件精度要求。

如圖1所示，傳感器為位移傳感器，定距離相對(duì)180度設(shè)置兩個(gè)，距離為L(zhǎng)0。該組傳感器利用傳感器基座進(jìn)行固定，為便于移動(dòng)測(cè)量不同截面圓柱度誤差，改組傳感器基座可通過磁鐵吸附于機(jī)床刀架，確保了直線位移的精確性。

以位置X1為例，當(dāng)測(cè)量該截面時(shí)，傳感器通過刀架位移至位置1，同時(shí)主軸可用S50的速度旋轉(zhuǎn)。位移傳感器1檢測(cè)改點(diǎn)與零件表面的數(shù)據(jù)集合L1，位移傳感器2檢測(cè)改點(diǎn)與零件表面的數(shù)據(jù)集合L2，可計(jì)算出該截面的直徑集合L：

L=L0-L1-L2

該結(jié)果通過計(jì)算可以得到實(shí)際零件表面在該截面上的圓柱度誤差制值。

假設(shè)機(jī)床機(jī)床中心軸和零件中心軸為重合的。要計(jì)算零件表面到零件中心軸Z之間的半徑R，應(yīng)該考慮傳感器中心位置Z0與零件中心軸Z之間的水平偏差Ea，以及兩個(gè)傳感器中心位置Z0與零件中心軸Z之間的垂直偏差Ev。

對(duì)于水平偏差Ea，因?yàn)樗鶞y(cè)零件為軸類零件，直徑處即為量數(shù)值最大處，故可以通過在測(cè)量之前手工調(diào)整的方式進(jìn)行找正。具體方式為使用手輪控制刀架機(jī)床X軸方向移動(dòng)，時(shí)事關(guān)注L量的變化，最大處即為直徑處（Ea量控制到接近0）。

因?yàn)榇怪狈较蚱繜o法通過手動(dòng)找正，但為恒定量。同時(shí)考慮到傳感器1和傳感器2之間是呈180度相對(duì)設(shè)置的，故在計(jì)算過程中可將兩組數(shù)據(jù)L1和L2作差，得出的結(jié)果存在一個(gè)恒定的偏量Ev，該偏量即為傳感器中心位置Z0和Z之間的垂直方向偏差，在計(jì)算圓柱度誤差過程中，該偏量Ev對(duì)誤差值不受影響，如果需要確定實(shí)際半徑R的時(shí)候可以通過減去Ev量進(jìn)行校正。

最終取該截面零件實(shí)際半徑R值集合為：

R=L/2

取改組數(shù)據(jù)中最大與最小值差值可得到該截面圓度誤差：

Ci=Rmax-Rmin=（Lmax-Lmin）/2

取多組數(shù)據(jù)（一般取4-8組）半徑集合R，可測(cè)得該零件的圓柱度誤差CY，即為Ci中最大值。

CY=Cimax

3 實(shí)驗(yàn)過程即數(shù)據(jù)處理

通過對(duì)位移傳感器法測(cè)量軸類零件的圓柱度方式的原理分析，以實(shí)際加工零件一組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本次采用的零件為Φ150-Φ100*200臺(tái)階圓軸。使用的機(jī)床為CK6140發(fā)耐克數(shù)控系統(tǒng)車床，進(jìn)給量0.04-2.16mm。同時(shí)，考慮到測(cè)量溫度對(duì)零件膨脹的影響，在接近20 ℃，零件線膨脹量最小（絕對(duì)值）[3]。本次實(shí)驗(yàn)室車間室內(nèi)溫度為20℃。

如圖所示，分別在Φ150和Φ100圓柱外表面選取四個(gè)測(cè)量截面直徑（L），通過Ci=Rmax-Rmin=（Lmax-Lmin）/2

計(jì)算得到該截面圓度Ci，數(shù)據(jù)如表1及表2。

此處圓度Ci取0.057。所以該表面的圓柱度為CY=0.057mm=57μm。

同時(shí)，該零件Φ150和Φ100兩處圓柱表面用專業(yè)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)得圓柱度值為68μm和64μm?？梢娫摲椒y(cè)量圓柱度是可靠的。

4 誤差分析

運(yùn)用位移傳感器法測(cè)量軸類零件的圓柱度主要誤差來源包括位移傳感器固定基座在刀架移動(dòng)過程中的振動(dòng)等因素均可引起圓柱度測(cè)量誤差。其主要誤差來源和解決方法如下：

（1）基座在跟隨刀架移動(dòng)過程中的振動(dòng)引起的誤差，可通過減小刀架進(jìn)給量來減小。

（2）水平方向偏差找正過程中人工讀數(shù)存在的誤差，該誤差可通過多次往復(fù)找正實(shí)現(xiàn)誤差最小化。

（3）機(jī)床導(dǎo)軌等機(jī)械設(shè)備的誤差，偶然誤差的存在，該誤差為必然存在的誤差，可通過多次測(cè)量實(shí)現(xiàn)誤差最小化。

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用位移傳感器法測(cè)量軸類零件的圓柱度可以有效得到可靠的圓柱度誤差數(shù)據(jù)，與現(xiàn)有的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x得出的結(jié)論精度相近。同時(shí)該方法可以實(shí)現(xiàn)零件在數(shù)控車床上在位測(cè)量，減小了零件拆裝對(duì)誤差測(cè)量的影響，可實(shí)現(xiàn)即測(cè)即加工，實(shí)現(xiàn)在車床加工過程中快速測(cè)量零件圓柱度的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] Shaway A M，Elbestawi M A.In-proeess evaluation of workpiece geometrical tolerance in bar turning[J].International of Machine Tools and Manufacture，1996（ 36）：33-46.

[2] 鐘茜，徐向紘. 基于V 型塊法的大型軸類零件圓柱度在位測(cè)量機(jī)構(gòu)的研究[J].現(xiàn)代制造工程，2015（6）：128-131.

[3] 楊武成，胡玲玲，孫俊茹. 溫度變化對(duì)零件測(cè)量誤差的影響[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù).2008（35）：46-48.