錐孔不同截面直徑測量裝置

李運升

沈陽度維科技開發有限公司 遼寧沈陽 110078

1 序言

長錐孔類零件錐孔規格多，深度0.5～2m不等，為了檢測錐度，每個錐孔都有相應的錐度規，但是錐度規即便做成空心，也存在質量大的問題，測量時需要借助天吊，多人同時操作，但是測量時錐度規或者錐孔有異物容易劃傷錐孔，而且目前錐度規的制作價格昂貴，還不易找到產品質量過硬的制造商，有些規格的錐孔零件只生產幾件，就需要單獨制作對應的錐度規，單次檢測成本非常高，而且錐度規的制作周期長，嚴重影響生產進度及產品交付。由于錐度規檢測沒有數據，在生產過程中不易控制機床的調整，總是每次進刀一點，進行測量，再進刀一點，再測量，如此反復多次，效率極低，所以亟需一種操作簡便、適用范圍廣且能夠讀取數據的測量裝置。

2 測量裝置

2.1 總體結構

測量裝置主要由定心機構、測量機構和定位機構3部分組成，如圖1所示。前后兩個定心機構可以找到錐孔的理論軸線，測量機構安裝在中間位置，可以使兩個測點的連線與錐孔軸線垂直，此時兩測點間的距離即為當前截面的直徑[1]，定位機構上有游標刻線，碳纖維推桿上有深度刻線，二者構成了游標卡尺讀數的原理，可以精準知道測點相對端面的深度，整套測量設備采用比較測量的原理，測量之前用千分尺或環規對系統進行清零[2]，顯示器具有顯示和運算功能[3]，可以將兩個測點對應的位移傳感器做和差運算[4]，最后顯示當前的測量值，此時旋轉推桿，測量機構可以在此截面旋轉一周，測得該截面的不圓度[5]。

圖1 測量裝置

2.2 定心機構

通過兩個定心機構找到錐孔的理論軸線，此時錐孔理論軸線與定心機構理論軸線重合，將測量機構安裝到定心機構上，此時測量機構兩測點連線就會與定心機構軸線垂直，即與錐孔理論軸線垂直，此時測量的才是錐孔當前截面的直徑。兩個定心機構的定心精度和測量機構測點與定心機構軸線的垂直度是影響測量精度的兩個關鍵點，都會影響測點與孔母線的垂直度，進而影響測量精度，測量原理如圖2所示。

圖2 測量原理

測點與孔母線垂直時，真實直徑為D，當測點產生擺角α時，測量出的直徑為D1，由此產生的誤差Δ1＝D1-D，其中D1＝D/cosα，即Δ1＝D（1/cosα-1），擺角α是由定心機構的定心擺角所帶來，1∶1帶入測量誤差，而且孔徑越大，同樣的擺角α帶來的誤差越大。

為保證測量精度，定心機構采用圖3所示結構，而且定心機構和測量機構所有零件的設計基準都是采用定心機構中的基準軸理論軸線，同一基準就可大大提高整套設備的測量精度。

圖3 定心機構

定心機構采用三點定心原理，圓周方向均布3個脹爪，通過齒輪齒條結構實現3個脹爪同時伸縮，而且裝配時調整3個脹爪頂端到齒條滑套軸線距離一致性≤0.005mm，這樣定心穩定且精度高，為了增加定心穩定性，將兩套同樣的定心機構連接起來。自然狀態時，彈簧推動齒條滑套使脹爪張開到最大，當把整套機構放入錐孔中，脹爪與孔壁接觸，齒輪齒條機構使齒條套壓縮彈簧，彈簧力是整體自重的5倍，保證定心可靠性。

2.3 測量機構

測量機構采用比較測量原理，兩個測點通過和差運算得出被測直徑，而且通過這種方式還可以增大測量范圍，解決錐孔測量需要大測量范圍的難點，整體結構如圖4所示。

圖4 測量機構

壓緊套在彈簧的作用下壓住鋼珠，使之與定心機構連接可靠，基準軸與定心機構的基準軸精密配合，保證裝配后軸線重合，而且裝配后整個測量機構可以圓周方向旋轉；測頭的測點與基準軸軸線垂直，而且測頭的長短可以根據被測錐孔大小進行更換，滿足不同尺寸錐孔的測量需求；90°杠桿將軸向數值變化1∶1傳遞給傳感器，因杠桿的傳遞精度對測量精度有較大影響[6]，所以在裝配后需進行精密的調整與測試；端蓋連接碳纖維推桿，傳感器線從推桿內穿過。

3 誤差分析

綜合誤差Δ＝（Δ12＋Δ22＋Δ32）1/2，其中Δ1是定心機構軸線與孔理論軸線夾角帶來的誤差，Δ2是90°杠桿精度傳遞帶來的誤差，Δ3是位移傳感器帶來的誤差。

Δ3一般是定值，選用光柵傳感器，誤差在0.001mm，Δ2可以調整到0.005mm以內，根據1/10原則，本測量裝置的最大誤差不應超過工件公差的1/10。以最大孔徑（100±0.05）mm為例，本測量裝置最大誤差不應超過0.01mm，帶入上述公式為0.01＝（Δ12＋0.0012＋0.0052）1/2，由此計算出Δ1≈0.008mm，再根據公式Δ1＝D（1/cosα-1）計算出定心機構與孔軸線最大夾角α≈0.5°，以此來調整定心機構的定心精度，保證本測量裝置最大誤差滿足測量要求。

4 應用驗證

在生產實踐中驗證了產品的使用效果，首先是產品機械加工過程中，當進入半精加工工序時，用此測量裝置測量2～3個截面的直徑數據，調整機床的進刀量，然后再進行2～3個截面的直徑測量，驗證效果非常好，可以有效指導機床調整，實現在機快速精準檢測。其次是在產品終檢時，由檢查員使用另一套測量裝置檢測多個截面的直徑及不圓度，以此來評定產品是否合格，實踐證明了此測量裝置的穩定性及測量精度非常好，兩套不同測量設備的測量結果基本一致，而且用此方法檢測的合格品和不合格品用現有的通止規檢測驗證無誤。為了保證產品質量，同時做3套量具，操作人員、工序間檢查員、終檢檢查員各1套，各自只能用自己的測量設備檢測，產品加工完成后，操作人員在機自檢3個截面直徑，記錄檢測結果，產品下機床后，序間檢查員檢測5個截面（包含有操作人員的3個截面）直徑，產品入庫前，終檢檢查員檢測5個以上截面（包含有序間檢查員的5個截面）直徑及不圓度，終檢檢查員對比重合的檢測截面直徑差值不超過此處公差的1/5，產品方可入庫，否則需要重新檢測，找出問題所在。

5 結束語

本測量裝置解決了錐孔生產加工過程的檢測難題，尤其是對于小批量產品的檢測，做出了巨大貢獻，節省了錐度規的制作及時間成本，而且提升了檢測精度及檢測效率，產品質量得到巨大提升。產品得到了用戶的認可，為公司帶來了顯著的經濟效益。

公司有時也會生產如長液壓缸、長氣缸等深孔類零件，將該測量裝置應用在深孔直徑檢測中，不僅可以適用粗加工到精加工的工序間檢測，而且可以作為終檢使用，解決了深孔直徑測量難題，在實際應用中也取得了很好的效果。