半球零件的磁力裝夾檢測裝置分析

米軍輝，李思達，龐國旺

（北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

0 引言

半球零件作為一種電機軸承用半球型偶件［1?2］，其表面鍍制TiN膜層和TiN+DLC膜層，在航空、航天及其他機械領域得到了廣泛的應用。其球面輪廓度（以下簡稱球度）及尺寸精度直接決定了電機的精度和壽命：球度越高，電機的起停摩擦力矩越小，電機的穩定性和壽命越高；而球度越低，則起停壽命和運行穩定性越差［3］。所以，半球零件球度及尺寸精度的檢測方法及效率顯得尤為重要。

截至目前，國內外眾多機構和個人對半球零件的檢測方式及裝夾方法進行了研究分析。郝維娜等［4］提出了一種使用泰曼?格林光路測量系統的方法，利用光干涉法對面型精度進行求解。林明星等［5］采用Mahr圓度儀對陶瓷軸承球進行了球度檢驗。Calvo［6］使用三坐標測量系統對最小區域球度算法展開了研究，并進行了三坐標測量系統的誤差估計和不確定度分析。袁周［7］則深入研究了在使用坐標測量機測量時的測點布局、異常點去除以及誤差辨識。上述測量方法中，對半球零件的裝夾方式仍都是人工手動裝夾，費時、費力且效率低下。針對上述問題，本文設計了一種磁力裝夾檢測裝置，結合三坐標測量機檢測程序中 “一鍵測量”功能，可以實現批量半球零件的快速檢測，極大地提高了檢測效率，降低了人工成本。

1 裝夾技術分析

電機軸承用半球零件的結構如圖1所示。零件具有較大的尺寸和較高的形位精度［8］，表面鍍有TiN膜層和TiN+DLC膜層，鍍膜后要求零件球度小于1μm，球徑尺寸公差為±1μm，表面粗糙度［9］小于Ra0.025μm。

圖1 半球零件結構示意圖Fig.1 Structure diagram of hemispherical part

1.1 單件裝夾方式

單件半球零件的檢測方法如圖2所示，將半球零件直接放置在獨立的專門用來裝夾半球零件的工裝上。每個半球零件均需使用螺絲刀手動松緊來實現半球零件的安裝工作，零件的裝夾耗時較長（1min/件）。

圖2 單件半球零件檢測示意圖Fig.2 Diagram of single hemispherical part detection

1.2 批量裝夾方式

半球零件的批量檢測方法如圖3所示。使用鋁制專用檢測基板裝夾半球零件，專用檢測基板外形結構為長方形，檢測基板上表面設置多個M3螺紋定位孔，將半球零件按零件編號排序逐一安裝在專用檢測基板螺紋定位孔上。

圖3 批量半球零件檢測示意圖Fig.3 Diagram of batch hemispherical parts detection

檢測過程通過測量機拾取測量元素，建立測量程序，測針根據測量程序進行探測，實現半球零件的測量工作。測量時，半球零件裝夾在工裝上固定不動，測針通過 “弓”字形路徑傳遞檢測來實現對半球零件的檢測。

以上兩種裝夾方式都需要使用螺絲刀手動松緊螺釘裝夾，每個半球零件裝夾耗時約1min，這限制了該類半球零件的裝夾效率。同時，鋁制專用檢測基板材料較軟，長期使用會導致上下兩端面發生磨損，尤其裝夾半球零件工作平面的平行度、平面度都會因端面磨損而發生較大變化，檢測基板自身精度出現偏差，影響測量結果的準確性和真實性，無法滿足當前半球零件批量檢測工作，與現代化生產加工仍存在較大差距。

2 關鍵技術及解決方案

要解決批量裝夾效率低的問題，首先需要優化批量裝夾裝置，將手動松緊螺釘裝夾改進為使用一種磁力裝夾檢測裝置來對半球零件進行裝夾；其次，提升檢測基板自身形位精度，檢測基板形位精度的提高可以使測量結果更加真實、準確，更適應于批量生產檢測工作［10］。本設計中選用鋼制材料作為檢測基板，極大提升了檢測基板的形位精度，使零件裝夾、定位準確高效。

2.1 檢測裝置開發的目標

利用磁力裝夾技術為半球類零件研制一種磁力裝夾檢測裝置，檢測裝置要實現的改進點有：

1）改進半球零件的裝夾方式，實現零件磁力吸附裝夾；

2）實現批量半球零件的一次性裝夾，減少裝夾時間；

3）實現半球零件的 “一鍵式”檢測，節約人工成本。

2.2 檢測裝置的設計組成

檢測裝置的總體示意圖如圖4所示，包括：檢測基板、螺紋連接軸、磁力夾緊塊、壓板、支撐柱、限位塊和測量機平板。

圖4 檢測裝置總體示意圖Fig.4 Schematic diagram of detection device

圖4中，由鋼制材料制成的檢測基板上表面設置有螺紋定位孔，側面設置了長槽，上下兩端面的平行度要求為0.002mm～0.004mm；壓板為兩個長方體條，壓板一端加工出直徑為Φ6mm的內孔；支撐柱為長圓柱心軸，結構分為上下兩層，上層沿軸向設有直徑為Φ6mm的圓柱心軸，以與壓板配合使用，支撐柱與壓板配合間隙為0.02mm～0.03mm，數量為2，下層沿軸向設有與測量機平板上M8螺紋相連接的外螺紋，以實現檢測基板在測量機平板上的位置固定；限位塊為三個底部帶有外螺紋的圓柱形，其中兩個限位塊連接成一條直線，另一個限位塊與這條直線成垂直關系，分別與測量機平板上的安裝孔螺紋連接；測量機平板自帶有多個矩陣排列的等間距固定內螺紋安裝孔，實現對支撐柱與限位塊在測量機平板上的螺紋連接定位。

如圖5（a）所示，螺紋連接軸采用鋼制材料制成，形狀為圓柱體臺階，上層沿軸向設有與半球零件內孔尺寸一致的圓柱，使半球零件能嵌入到螺紋連接軸內；下層沿軸向設有與檢測基板螺紋定位孔一致的外螺紋，便于與檢測基板螺紋連接，實現半球零件在檢測基板上的位置定位，其中的連接軸圓柱度為0.001mm～0.002mm，表面粗糙度為Ra0.4mm～Ra0.6mm。

如圖5（b）所示，磁力夾緊塊為帶有12N～15N磁力的緊固塊，直徑尺寸與螺紋連接軸上層外形尺寸一致，與螺紋連接軸通過磁力吸附裝夾來達到固定半球零件的目的，磁力吸附零件如圖5（c）所示。

圖5 螺紋連接軸與夾緊塊配合示意Fig.5 Schematic diagram of fit between threaded shaft and shrink block

2.3 檢測裝置的使用方法

檢測基板為半球零件的安裝基礎，定位時通過限位塊實現檢測基板的位置定位。壓板與支撐柱配合，壓板一端套入鎖住的支撐柱，另一端插入檢測基板側面的長槽內壓緊，實現檢測基板在測量機平板上的位置固定。螺紋連接軸與檢測基板的螺紋定位孔通過螺紋連接來相互固定，按順序依次將被測半球零件放入螺紋連接軸上，磁力夾緊塊與螺紋連接軸通過磁力吸附裝夾來實現對半球零件的固定。在完成上述步驟后，以檢測基板為定位基準，用如圖6所示的三坐標測針采點并建立坐標系。編制程序后，即可檢測檢測基板上安裝的所有半球零件，且檢測完成后，可直接更換半球零件，無需重新建立坐標系，大大縮短了檢測時間。

圖6 零件檢測示意圖Fig.6 Schematic diagram of parts detection

具體檢測方法如下：

1）使用測量機對檢測基板進行定位，即利用檢測基板軸線和檢測基板平面為基準建立坐標系。

2）設置檢測裝置工裝參數，使均勻分布的半球零件以固定角度和移動速度移動至檢測位置。

3）編寫檢測程序，設置檢測零件個數，使測針按固定路徑（即按編寫好的檢測程序執行編程語句）檢測半球零件的尺寸、球度、偏心量等參數，當零件檢測結束時，測針自動移開。檢測過程中所使用的 “一鍵測量”功能可以對零件依次進行檢測直至全部完成，無需重復執行坐標系工作，極大地提高了檢測效率。

用該裝置進行半球零件精度檢測時，引起誤差的因素主要包含溫度、濕度、地面振動、零件表面灰塵等，因此為保證零件的測量精度，在檢測時要將溫度控制在20℃±1℃，相對濕度保持在40%rh～60%rh之間，將檢測設備所在場地進行隔振處理，及時清除半球零件的表面灰塵等。

3 裝置的試驗驗證

3.1 測量精度

本文使用德國Leitz PMM 8106三坐標測量機測量零件，該設備主要用于檢測平臺、儀表及動壓馬達零組件的尺寸及形位精度，該設備的測量精度為分辨率為0.02μm。

根據設備精度要求，單探針允許誤差為0.45μm，實際鑒定誤差為0.43μm，滿足精度檢測要求。對由CMM示值誤差引起的不確定度分量u1進行求解

由式（1）可得該設備的不確定度為0.3010，說明其檢測效果良好。

3.2 磁力驗證

（1）磁力計算

為了計算作用在物體上的力，系統使用虛功原理。在如圖7所示磁力作用圖中，板上沿位移s方向的力由以下關系式給出

圖7 磁力作用示意圖Fig.7 Diagram of magnetic force action

式（2）中，W（s，i）為系統的磁共能，電流i保持不變，B為該磁鐵的磁感應強度，H為磁場強度。

（2）磁力仿真

磁力夾緊塊與固定軸電磁吸力的仿真結果如圖8所示。磁力分布狀態中，不同顏色代表不同的磁力密度，數值越高即磁力越強；磁感應強度分布狀態中，同樣是數值越高磁感應強度越強。

圖8 磁力裝夾驗證Fig.8 Diagram of magnetic clamping verification

3.3 試驗結果驗證

檢測試驗為兩組數據進行對比驗證，使用螺釘批量測量工裝與磁力檢測裝置來對編號順序為Q210001＃～Q210040＃的同一批次半球零件進行檢測，得到該批次半球零件的球徑、球度、偏心距檢測數據，具體如表1所示。

表1 檢測數據取樣驗證表Table 1 Sampling verification of test data

式（3）、 式（4）中，δ1、δ2、δ3分別為使用螺釘批量測量工裝測量時半球零件球徑、球度、偏心距的標準差，δ′1、δ′2、δ′3分別為使用磁力檢測裝置測量時半球零件球徑、球度、偏心距的標準差。

對比式（3）和式（4）可知，用磁力檢測裝置檢測的該批半球零件球徑、球度、偏心距的標準差均比用螺釘批量測量工裝測量的標準差要小，說明磁力檢測裝置的檢測性能更加優越，可以很好地應用于半球零件的精度檢測。兩種裝夾的效率對比如圖9所示。

圖9 兩種裝夾的效率對比Fig.9 Efficiency comparison of two kinds of clamping

由圖9可知，40件半球零件人工使用螺絲刀裝夾需要20min，拆卸零件需要20min，而使用磁力裝夾檢測裝置裝夾該批次產品需要1.5min，拆卸零件需要1.5min。使用螺絲刀手動裝夾的數據波動變化遠大于使用磁力檢測裝置裝夾的數據波動變化，所以使用磁力檢測裝置更適合半球零件的批量生產檢測工作。

4 結論

本文分析了半球零件在電機軸承中的重要性，結合半球零件的檢測需求分析了半球零件裝夾技術，針對目前測量裝夾裝置效率低、人工成本高的現狀，提出了一種磁力吸附裝夾的方式，并制作了磁力裝夾檢測裝置進行試驗驗證，與目前的裝夾方式進行試驗數據對比，得出使用磁力檢測裝置檢測半球零件可以在保證測量精度的同時極大地提升裝夾效率，節約了人工成本，該磁力裝夾檢測裝置具有較高的實用性和創新性。