RV減速器行星架孔徑在線自動測量技術研究

樊寅斌，李 兵

（1.中國工程物理研究院計量測試中心，四川 綿陽 621900;2.西安交通大學 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

0 引 言

國內外針對孔徑測量的研究主要面向高準確度、高效率、通用型的綜合量儀的研制，目前主要有接觸式和非接觸式兩種測量方式，測量設備如塞規(guī)、坐標測量機、光學量儀、氣動量儀等[1]。

接觸式測量是通過測頭與孔壁接觸來獲取孔的坐標值從而實現(xiàn)對孔徑的測量。其中塞規(guī)只能判斷被測孔徑是否合格，不能得到具體孔徑尺寸[2]。三坐標測量機測量范圍較廣，通孔或盲孔均可測量，但是三坐標測量機對測量環(huán)境要求較高，只適合進行線下抽檢。光學測量是利用激光掃描或數(shù)字圖像技術等進行孔徑測量[3]，其具有較高的測量準確度，但對測量環(huán)境要求較高。

氣動量儀是將高壓氣體通過氣測頭噴出，由于孔與測頭之間間隙的變化，引起氣壓改變，通過氣電轉換裝置將氣壓變化量轉換成電壓變化量，得到孔內徑尺寸以及變化量[4]。氣動測量技術研究始于第二次工業(yè)革命，先后發(fā)展出水柱式氣動量儀、差動氣路氣動量儀、浮標式氣動測量儀和電子式氣動量儀[5]。目前美國Edmond公司、日本TOSOK、德國mahr、瑞士TESA等在氣動精密測量技術方面處于領先地位，國內思科博、中原量儀等的氣動量儀產品，數(shù)顯分辨率均在亞微米級，在國內氣動測量產品中處于第一梯隊。國內高校主要針對自動化氣動測量技術進行研究。哈工大的程保良[6]設計了一種氣動測量塞規(guī)，測量精度能達到1 μm，但其線性測量范圍較小，無法應用于孔徑尺寸公差較大的零件。鄭州輕工業(yè)大學的陳曉雷[7]研究了基于嵌入式SPC的氣動量儀系統(tǒng)，在生產線上對產品質量進行實時分析及控制，大大提高了對工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應能力。

氣動測量可以減輕測量過程中零件的損傷，在一定程度上氣流可以清潔被測表面，而且抗干擾能力好，適用于工業(yè)現(xiàn)場，但是現(xiàn)有氣動量儀產品多是人工操作的手持式、浮標式的氣動量儀，為半自動化測量，不適應零件自動化生產線。難以應用在行星架大批量生產的自動化生產線上。本文針對RV減速器行星架圓周孔孔徑測量，提出一種基于差壓式氣動測量的孔徑比較式測量方案，設計了氣機電結合的高準確度孔徑自動化測量系統(tǒng)，在生產線上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集實時化和測量過程的自動化，實現(xiàn)高效率和高準確度的孔徑測量。

1 測量方法研究

1.1 被測零件分析

行星架作為RV減速器的核心精密零件，為整個RV減速器結構基礎，其圓周孔是精密軸承和偏心軸安裝的關鍵部位。在實際加工過程中，由于生產手段和工藝等因素的限制，將不可避免地出現(xiàn)孔徑尺寸的加工誤差，而孔徑的加工誤差對減速器的性能有著直接的影響。行星架圓周孔的加工精度直接影響減速器運行中的載荷分布、傳動平穩(wěn)性，同時也對RV減速器裝配精度、傳動精度以及使用壽命有重要的影響[8]，因此必須通過檢測剔除加工誤差較大的零件，同時只有全檢才能保證其加工效果。本文針對某型RV減速器320 E的行星架孔徑測量進行研究，如圖1所示，行星架被測孔為圓周均布孔，分上下孔，公差為0.008 mm，由上下零件裝配后整體磨削加工而成，因此測量時上下孔必須同時測量。

圖1 行星架（單位：mm）

1.2 孔徑測量原理

本文提出一種基于差壓式氣動測量的孔徑比較式測量方案，首先通過測量雙標定規(guī)得到氣動系統(tǒng)的線性參數(shù)，再根據(jù)氣動測量技術原理進行被測件孔徑測量。氣動測量原理如圖2所示，以壓縮空氣為介質，氣動測頭外徑與被測零件內工作面存在一定的微小間隙δ，高壓噴嘴將高壓氣流噴入空腔，利用空氣在空腔中的壓差與間隙尺寸的微小變化成線性關系的特點，用空氣流量或者系統(tǒng)中的背壓來表征測頭與孔內表面之間的間隙大小[9]。

圖2 氣動測量原理示意圖

根據(jù)氣動測量技術原理，測量時的氣壓變化與孔的尺寸變化成線性關系，孔內徑的直徑可以通過公式計算得出：

式中：p——測量時的壓力值，kPa；

k、b——氣動測頭氣壓與距離線性關系的斜率和截距。

本文采用雙標定規(guī)對氣動測量系統(tǒng)進行標定，其孔徑已知且視為理想尺寸。通過氣動測量系統(tǒng)測量雙標定規(guī)，即可求出氣動系統(tǒng)的線性參數(shù)。

其中 p1、p2分別為上限標準規(guī)和下限標準規(guī)標定時的氣壓值。

氣動方案選擇差壓式氣動測量，如圖3所示，當空氣經過空壓機進行壓縮，并通過過濾器、進氣閥和減壓閥后保持恒定的壓力pc，然后分兩路流動：一路經主噴嘴和測量噴嘴，從噴嘴擋板機構流入大氣，另一路流入差壓式傳感器的高氣壓輸入端。最后，差壓式壓力傳感器所獲得的值是輸入的恒定壓力pc與測量腔壓力px的差值。測量前，預先調好減壓閥使pc為恒定的常數(shù)，當孔與測頭之間間隙為0 mm時，p1等于pc；當孔與測頭之間間隙不為0 mm時，p2等于px。所以有dmax–dmin=k（pc–px），即S=dmax–dmin=k（pc–px）=k·Δp，即S與pc與px的壓力差Δp呈線性函數(shù)關系。當氣動測頭固定不動時，Δp的變化量即反映間隙S的變化量，從而得到工件尺寸（孔內徑）的變化。

圖3 孔徑測量氣路原理

2 自動測量方案研究

要完成孔徑的在線自動測量，必須自主實現(xiàn)測頭噴氣的啟停、氣動測頭相對于孔軸線的直線運動和被測零件的圓周轉動。本文氣動測量系統(tǒng)由氣路系統(tǒng)、運動機構及氣電轉換控制系統(tǒng)三部分組成，運動方案如圖4所示。

圖4 孔徑測量方案示意圖

2.1 氣路系統(tǒng)方案

氣路系統(tǒng)包括氣動測頭和氣路結構兩部分。根據(jù)行星架圓周等分孔的結構特點和公差要求，設計氣動測頭。本文設計了單截面四向噴嘴，對徑兩噴嘴共用一支氣路，單截面共兩支氣路，測量時得到截面兩垂直方向的直徑，取平均值作為該截面的測量值。由于行星架有上下兩組通孔需要測量，因此氣測頭設計雙截面八噴嘴結構。根據(jù)氣動測頭設計標準，確保噴嘴在測量時處于線性段范圍內，噴嘴類型選擇圓噴嘴[10]。其氣動測頭噴嘴數(shù)量與布置結構如圖5所示。

圖5 氣動測頭噴嘴布置圖（單位：mm）

同時氣動測量屬于比較式測量，需要用已知的基準量進行標定處理。行星架氣動測頭為雙截面八噴嘴設計，因此行星架雙標定規(guī)采用加厚設計，使氣動測頭兩截面噴嘴能夠同時完成標定。本文采用經機械工業(yè)洛陽計測中心檢定合格的雙標定規(guī)系統(tǒng)，其上下限尺寸分別為 Φ58.004 0 mm、Φ57.996 0 mm。綜上完成行星架的氣動測頭設計和雙標定規(guī)設計，其結構分別如圖6、圖7所示。

圖6 八噴嘴氣動測頭

圖7 加厚雙標定規(guī)

2.2 運動機構方案

根據(jù)內徑測量方案，系統(tǒng)運動機構主要由直線運動機構和精密回轉機構組成，如圖8所示，氣動測頭安裝于直線運動機構上，實現(xiàn)氣動測頭在豎直方向的上下運動，使氣動測頭噴嘴到達測量位進行測量。測量時被測件固定于圓周回轉機構上，氣動測頭軸線與零件圓周等分孔基準圓相切，保證了氣動測頭能安全進入測量位。

圖8 行星架孔徑測量部

常規(guī)氣動量儀通常是手持式氣測頭，無法在生產線上完成自動測量，因此本文設計了氣動測頭直線運動機構，保證氣測頭能夠快速準確進入測量位，完成自動測量。直線運動機構由氣缸、直線導軌、立柱、限位裝置、安裝座和浮動機構組成，如圖9所示。為避免氣動測頭進入被測孔發(fā)生剛性碰撞，設計了浮動機構，其刨面圖如圖10所示，氣動測頭固定于安裝板上，保持架上的滾動鋼珠使氣動測頭可在上下兩安裝板之間徑向存在微小的運動自由度，同時限位套和4個圓周限位螺釘使其浮動距離保持在1 mm內，避免了氣動測頭與零件孔壁的剛性碰撞。

圖9 直線運動機構

圖10 浮動機構

精密回轉機構如圖11所示，主要由驅動電機、精密主軸、圓光柵與回轉定位臺組成，負責零件完成特定角度的旋轉與定位。圓光柵在主軸運動過程中將位置信息實時反饋給系統(tǒng)，以控制轉臺轉動的角度與啟停。

圖11 精密回轉機構

2.3 電氣系統(tǒng)方案

本文采用模塊化進行電氣系統(tǒng)軟硬件設計，實現(xiàn)測量過程的自動化和數(shù)據(jù)采集實時化。總控制模塊通過總線向運動控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊傳送指令，運動控制模塊可控制氣動測頭的豎直運動、圓周回轉機構的轉動及整機的啟停與急停，數(shù)據(jù)采集模塊可實現(xiàn)各測量部傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，電氣系統(tǒng)工作原理見圖12。

圖12 電氣系統(tǒng)工作原理

利用高集成度的工控機配合運動控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、氣電轉換器、信號調理電箱等硬件模塊，控制伺服電機和氣缸的運動動作以及傳感器數(shù)據(jù)的實時采集和處理。數(shù)據(jù)采集模塊主要用于采集氣動測頭的測量數(shù)據(jù)，將氣動測頭的壓差信號，經信號調理電箱濾波放大后傳輸給工控機，參與數(shù)據(jù)處理。采用閉環(huán)反饋系統(tǒng)，工控機通過PCI總線模式發(fā)出指令信號給運動控制卡和電機驅動器，運動控制卡和電機驅動器通過信號處理和響應，將數(shù)字量信號發(fā)送至端子板，進而控制伺服電機與氣缸等運動，實現(xiàn)氣動測頭直線運動機構和圓周回轉機構的運動控制，完成自動化測量過程，同時，圓周回轉機構的實時位置信號由圓光柵進行反饋，控制伺服電機的啟停。

3 系統(tǒng)誤差分析

本文研制的孔徑在線測量儀面向零件自動化生產線，生產一線存在振動、溫度漂移、灰塵油污等多種因素影響測量準確度，同時測量系統(tǒng)機械結構與裝配精度也不可避免地給系統(tǒng)引入誤差。

3.1 結構誤差

理想狀態(tài)下，測量時氣動測頭軸線和被測孔軸線完全重合，而當測頭存在安裝誤差或機構運動產生誤差時，氣動測頭軸線較理想軸線位置產生平移或傾斜，使氣動測頭噴嘴與被測孔壁間隙發(fā)生變化，因此引入測量誤差。當氣動測頭軸線較理想軸線位置產生平移時，氣動測頭與被測孔壁之間的間隙在徑向呈不均等分布，如圖13為軸線發(fā)生最大位移S時，此時產生的測量誤差最大。

圖13 氣動測頭平移狀態(tài)

由于實際測量軸線與理想軸線平行，上下兩截面產生的測量誤差相同，僅需對單截面測量誤差進行分析，根據(jù)氣動測頭單截面噴嘴布置方案，氣動測頭存在兩極限位置，如圖14、圖15所示。

圖14 氣動測頭平移位置Ⅰ

圖15 氣動測頭平移位置Ⅱ

視單截面對徑兩噴嘴連線方向的孔壁距離為實際測量值，當氣動測頭處于位置Ⅰ時，噴嘴1、2測量值為D，噴嘴3、4測量值為 A1B1，此時得到的測量值為：

當氣動測頭軸線較理想軸線位置產生傾斜時，測頭與被測孔壁之間的間隙在徑向和軸向呈不均等分布，如圖16為軸線發(fā)生傾斜 θ時測頭位置。

圖16 氣動測頭傾斜狀態(tài)

同樣視單截面對徑兩噴嘴連線方向的孔壁距離為實際測量值，當傾角 θ最大時，單截面對徑噴嘴測量值相同，因此產生的測量誤差δ3為：

由于θ極小，測量誤差δ3可簡化為：

行星架孔深H為98.3 mm，取行星架上極限尺寸58.004 mm和氣動測頭下極限尺寸57.981 mm差值作為氣動測頭與被測孔間隙，求得氣動測頭測量軸線傾斜時所產生的最大誤差為δ3=0.156 μm。

3.2 環(huán)境溫度影響

孔型零件受熱變形量取決于零件的材料、幾何尺寸、受外力情況以及所處的溫度場。本測量方案為靜態(tài)測量，排除受外力的情況，傳統(tǒng)的孔型零件內徑的受熱變形量的計算方法通常是利用一個線性公式[11]，即 D1=D0（1+αΔT）。針對行星架較復雜的實際外形尺寸，為簡化處理，只考慮圓周3個均布孔的熱變形情況，設其初始內徑、外徑分別為d0、D0，則零件在溫度變化前體積為：

當溫度變化后，孔形零件的兒何尺寸發(fā)生改變，其內徑、外徑分別為d1、D1，且D1=D0（1+αΔT），溫度改變后孔的體積為：

行星架外圓直徑尺寸D0約為Φ200 mm，軸承安裝孔的內徑為Φ58 mm。其材質為GCr15，其在20～100 ℃范圍內的熱膨脹系數(shù)約為1.4×10–5/℃[12-14]。假設零件均處于穩(wěn)態(tài)均勻溫度場中，可計算得：當溫度變化量ΔT為1℃時，軸承安裝孔內徑尺寸變化量約為0.39 μm。

4 測量試驗研究

4.1 溯源驗證試驗

在實際測量之前，需驗證測量系統(tǒng)的測量準確度，經機械工業(yè)洛陽計測中心進行溯源，采用標準尺寸為58.002 0 mm的2等標準環(huán)規(guī)對氣動測量儀進行校準，得到10組校準試驗數(shù)據(jù)，如圖17所示，得到示值誤差小于0.5 μm，說明氣動測頭測量準確度滿足要求。

圖17 校準實驗數(shù)據(jù)

4.2 孔徑測量試驗

孔徑測量試驗環(huán)境為行星架生產線恒溫車間，車間溫度恒定在（20±1）℃范圍內，相對濕度為61%，測量現(xiàn)場提供0.7 MPa的工業(yè)穩(wěn)壓氣源。在測量之前對氣動測頭進行標定，同一批次零件測量時只需標定一次，標定完成后進行測量試驗。單個零件測量節(jié)拍控制在30 s內，可實現(xiàn)對行星架圓周等分孔孔徑在線快速測量，測量流程如圖18所示。

圖18 孔徑測量流程

在相同的試驗條件下，對編號1809122的行星架零件進行重復測量試驗，對測量系統(tǒng)的準確度和重復性進行驗證。根據(jù)測量要求，本試驗每個零件每輪進行30次重復測量，由于行星架屬于上下深孔設計結構，測量時利用雙截面八噴嘴氣動測頭，可同時獲得上孔、下孔的孔徑。并使用Leitz Infinity 15.9.7/B4s三坐標測量機對被測件進行測量，獲得圓周Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔三坐標機測量值，其在100 mm×100 mm×100 mm空間范圍內的任何位置測量誤差值可達到（0.3+L/1 000）μm，視三坐標機測量值為參考值，見表1，計算得到測量誤差。行星架孔徑測量標定與測量過程如圖19所示。

圖19 行星架測量過程

表1 行星架孔徑試驗結果分析 mm

將行星架的上孔、下孔的測量數(shù)據(jù)分別繪成折線圖，如圖20、圖21所示。從圖可以看出：測量數(shù)據(jù)均較穩(wěn)定；圓周Ⅰ孔、Ⅱ孔、Ⅲ孔的上孔、下孔孔徑測量值的走勢相同，說明雙截面八碰嘴氣動測頭具有良好的線性特性。

圖20 行星架上孔孔徑測量結果

圖21 行星架下孔孔徑測量結果

試驗結果見表1，行星架上孔孔徑測得值極差小于 0.7 μm，重復性標準差小于 0.15 μm，誤差小于 1.3 μm；下孔孔徑測得值極差小于 0.8 μm，重復性標準差小于0.22 μm，誤差小于0.8 μm；綜合分析，孔徑測量部上測量截面穩(wěn)定性較好，下測量截面測量準確度較好，整體誤差小于1.3 μm，具有較高的準確度和良好重復性。

4.3 測量結果不確定度評定

根據(jù)JJF 1059—2012《測量不確定度評定與表示》中的不確定度的定義及評定要求，對測量結果進行不確定度評定，不確定度來源如表2所示。

表2 不確定度來源

各不確定度分量不相關，因此合成標準不確定度為

5 結束語

本文針對在線測量RV減速器精密零件行星架的圓周等分孔孔徑，設計了基于氣動原理的孔徑在線自動測量方案，并研制出孔徑在線測量儀，通過實驗驗證和不確定度評定，得出以下結論：

1）研制出一種基于差壓式氣動測量的孔徑在線自動測量儀，操作簡便，單個零件測量節(jié)拍小于30 s，適合生產線上的測量要求。

2）測量實驗結果表明重復測量條件下，孔徑在線自動測量儀重復性標準差小于0.22 μm，測量誤差小于1.3 μm，測量結果不確定度0.8 μm，具有較高準確性和良好的重復性。