內(nèi)環(huán)槽復(fù)合測量尺的設(shè)計與使用

何震江，馬文峰，衛(wèi) 弢

（陜西寶成航空儀表有限責任公司，陜西 寶雞 721006）

0 引 言

在機械加工領(lǐng)域，往往因結(jié)構(gòu)要求，需在內(nèi)孔壁上加工環(huán)形槽。該環(huán)形槽直徑、寬度均無法采用通用量具直接測量，難以達到產(chǎn)品質(zhì)量控制要求。特別是內(nèi)環(huán)槽處于孔內(nèi)較深部位時，無法解決測量問題。

當前，各行各業(yè)都在設(shè)法提高企業(yè)產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量，競相開展質(zhì)量認證。在質(zhì)量管控體系中，明確要求提供零組件加工過程的質(zhì)量受控依據(jù)，這使得內(nèi)環(huán)槽結(jié)構(gòu)尺寸直接精確測量就很有必要。

目前，內(nèi)環(huán)槽的直徑和寬度分別依靠機床刻度、刀具的寬度保證。這兩個尺寸均不能直接測量，加工精度不能保證。市場上還沒有能夠直接同時測量內(nèi)環(huán)槽直徑及寬度的一體式通用量具或?qū)Ｓ昧烤摺１疚脑O(shè)計的內(nèi)環(huán)槽復(fù)合測量尺填補了這項空白。

1 內(nèi)環(huán)槽結(jié)構(gòu)尺寸測量方案

1.1 直徑測量方案

為解決質(zhì)量管控要求與現(xiàn)狀之間的矛盾，設(shè)想通過一組可徑向伸縮的測量頭來實現(xiàn)內(nèi)環(huán)槽直徑測量。首先，測量頭縮回到一定位置，以便能夠伸入到內(nèi)環(huán)槽部位，再使測量頭伸出，直至測量頭頂部與內(nèi)環(huán)槽柱面接觸，達到測量直徑的目的。兩個對稱的接觸點連線應(yīng)通過中心，以保證對其直徑進行精確測量，如圖1所示。

1.2 寬度測量方案

設(shè)想通過兩組可徑向伸縮、可軸向相對移動的測量頭實現(xiàn)內(nèi)環(huán)槽寬度測量。如前所述，兩組測量頭可伸縮是為保證測量頭能夠進入待測量部位。軸向相對移動，使兩組測量頭側(cè)面與環(huán)槽兩側(cè)面接觸，達到對內(nèi)環(huán)槽寬度測量的目的。如圖2所示，A、B為測量頭。

圖1 內(nèi)環(huán)槽直徑測量方案圖

圖2 內(nèi)環(huán)槽寬度測量方案圖

2 內(nèi)環(huán)槽復(fù)合測量尺的結(jié)構(gòu)及原理

基于上述設(shè)想，設(shè)計了可直接測量內(nèi)環(huán)槽結(jié)構(gòu)尺寸的齒輪齒條復(fù)合測量尺。該復(fù)合測量尺，其結(jié)構(gòu)見圖3～圖5。

復(fù)合測量尺可根據(jù)內(nèi)環(huán)槽所處的內(nèi)孔直徑大小分成若干組，根據(jù)需要設(shè)計成不同規(guī)格和精度的系列產(chǎn)品。在這里只介紹其通用的結(jié)構(gòu)和測量原理。

2.1 結(jié)構(gòu)

如圖3所示，該測量尺由測量部件（件34～件40）、傳動操作部件（件 31、件 12～件 15、件 20～件 22、件 24～件28等）、主尺部件（件2、件32等）、直徑尺寸零位校準部件（件3～件10）及刻度盤部件（件16～件19等）共計5大部件40項零件組成。

測量頭（件35、件36）是測量部件的核心，其上設(shè)計的齒條結(jié)構(gòu)與主傳動軸（件31）上設(shè)計的軸齒輪嚙合，能將主傳動軸圓周方向的轉(zhuǎn)動角度轉(zhuǎn)換為測量頭直線位移。測量頭（件36）軸向固定于導(dǎo)向套（件34），測量頭（件35）軸向固定于主傳動軸。傳動操作部件的核心是齒輪、齒輪軸、手柄等。齒輪與齒輪軸組成3級齒輪傳動機構(gòu)。齒輪軸（件20）與手柄（件 21）通過固定銷（件 22）固定，齒輪（件 26）與主傳動軸（件31）通過螺釘（件28）固定。手柄與主傳動軸可以按一定傳動比保持聯(lián)動。這樣，手柄的轉(zhuǎn)動角度與測量頭的位移形成固定的對應(yīng)關(guān)系。齒輪架與主傳動軸通過止動螺釘（件30）保證它們軸向固定聯(lián)動。

圖3 齒輪齒條結(jié)構(gòu)復(fù)合測量尺裝配總圖

圖4 齒輪機構(gòu)嚙合簡圖及齒輪齒條（測量頭）嚙合圖

圖5 B-B局部剖視圖

主尺部件的核心是主尺（件2），它空套在主轉(zhuǎn)動軸上，可相對轉(zhuǎn)動，可相對移動。其一端通過固定套（件32）與測量部件連接，另一端通過齒輪架與傳動操作部件連接。直徑尺寸零位校準部件通過螺釘（件29）固定于主尺上?？潭缺P部件固定于手柄上，可隨手柄一起轉(zhuǎn)動。傳動操作部件的齒輪架一端空套于主尺上。固定于主尺上的防轉(zhuǎn)銷（件11）通過齒輪架上設(shè)計的條形孔保證主尺與齒輪架周向固定，軸向可以相對移動。

2.2 工作原理

該測量尺的基本原理是：通過齒輪（齒輪軸）傳動，經(jīng)主傳動軸（件31）與測量頭上設(shè)計的齒條結(jié)構(gòu)嚙合，將手柄（件21）圓周方向旋轉(zhuǎn)刻度與測量頭徑向伸縮尺寸相聯(lián)系。讀取圓周方向的刻度，得到測量頭徑向伸縮后的尺寸，便可獲得內(nèi)環(huán)槽直徑的精確尺寸。

一組測量頭（件36）隨導(dǎo)向套（件34）與主尺（件2）軸向固定，另一組測量頭（件35）與主傳動軸（件31）軸向固定（見圖5）。通過齒輪架拉動具有游標功能的主傳動軸（其上刻有游標刻度，作為軸向尺寸游標尺），使之相對于主尺移動，兩組測量頭就同步軸向相對移動。主傳動軸相對于主尺移動的尺寸與兩組測量頭相對移動的尺寸相等。通過主尺上的主刻度和主傳動軸上的游標刻度，讀取主傳動軸相對于主尺移動的尺寸值，即可測得兩組測量頭相對移動的尺寸，獲得內(nèi)環(huán)槽寬度的精確尺寸，達到測量內(nèi)環(huán)槽寬度的目的。

3 內(nèi)環(huán)槽復(fù)合測量尺使用方法簡介

如圖1和圖2所示，該復(fù)合測量尺采用可徑向伸縮、軸向可相對移動的兩組測量頭實現(xiàn)內(nèi)環(huán)槽結(jié)構(gòu)尺寸的測量。先將測量頭調(diào)到其徑向尺寸小于零件內(nèi)孔直徑D0，將測量頭軸向伸入孔內(nèi)的內(nèi)環(huán)槽位置，旋轉(zhuǎn)手柄測量內(nèi)環(huán)槽直徑尺寸。拉動具有游標功能的主傳動軸（件31）使兩組測量頭軸向移動，測量內(nèi)環(huán)槽的寬度尺寸。下面做具體介紹。

測量內(nèi)環(huán)槽直徑前，采用千分尺校準測量頭測量點之間的尺寸為某一整數(shù)值。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤（件5），使指針（件3）對準主傳動軸上圓周方向0刻度線。轉(zhuǎn)動刻度盤（件16）使其0刻度線對準齒輪架（件27）上的0刻度指示線。測量時，逆時針轉(zhuǎn)動手柄（件21）使測量頭縮回，進而將其伸入至內(nèi)環(huán)槽部位。如圖1所示，再順時針方向轉(zhuǎn)動手柄，直至測量頭接觸槽頂，輕輕晃動并調(diào)至測量頭伸出最長。讀取指針（件3）所指的主刻度整數(shù)部分值，十分位和百分位數(shù)值則在刻度盤（件16）的刻度上讀取，達到精確測量內(nèi)環(huán)槽直徑的目的。

測量內(nèi)環(huán)槽寬度時，拉動齒輪架（件27），并帶動主傳動軸（件31）相對于導(dǎo)向套（件34）移動。如圖2、圖5所示，一組測量頭（件36）與導(dǎo)向套（件34）軸向位置相對靜止，而在主傳動軸（件31）上可軸向滑動。另一組測量頭（件35）與主傳動軸（件31）相對靜止，可隨主傳動軸軸向移動，兩組測量頭軸向相對移動，測量頭側(cè)面與內(nèi)環(huán)槽兩側(cè)面接觸。讀取主尺（件2）上的主刻度和及主傳動軸（件31）上的游標刻度，即精確測得內(nèi)環(huán)槽寬度尺寸值。

4 主參數(shù)設(shè)計及精度分析

4.1 主參數(shù)設(shè)計

為了使該測量尺盡可能靈巧，傳動齒輪模數(shù)應(yīng)盡可能小一些。根據(jù)初算，傳動齒輪模數(shù)選0.2。齒輪傳動箱設(shè)計6個齒輪（齒輪軸），其齒數(shù)分別為Z1=20，Z2=60，Z3=36，Z4=60，Z5=18，Z6=72。與測量頭齒條嚙合的齒輪齒數(shù)Z=16?？潭缺P圓周均勻刻制刻線50格。

4.2 精度分析

齒輪箱總傳動比

主傳動軸上齒輪模數(shù)若取m=0.2，則有

ΔL=πmZ=π×0.2×16=10.05mm

ΔD=2ΔL=20.1mm

改變相關(guān)參數(shù)，使

ΔD=20mm

這樣

式中：ΔL——主傳動軸轉(zhuǎn)動一周，與其嚙合的齒條即測量頭35、36的伸縮量；

ΔD——主傳動軸轉(zhuǎn)動一周，測量頭（件號35、36）所測直徑變動量；

ΔD′——刻度盤轉(zhuǎn)動1格時測量頭（件號35、36）所測直徑變動量。

可見，直徑測量準確度達到0.02mm。

寬度測量精度，其原理與游標卡尺類似，這里不予贅述。

5 結(jié)束語

經(jīng)對內(nèi)環(huán)槽復(fù)合測量尺樣品測量驗證，達到了設(shè)計要求。該產(chǎn)品應(yīng)用于機械加工領(lǐng)域，有效解決內(nèi)環(huán)槽寬度測量問題，并使內(nèi)環(huán)槽直徑、寬度尺寸用一把量具完成測量工作，滿足結(jié)構(gòu)件零組件產(chǎn)品質(zhì)量控制需求，為結(jié)構(gòu)件零組件產(chǎn)品質(zhì)量管控提供依據(jù)，對于量具產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計具有參考價值?？梢栽O(shè)想，通過將測量頭做成紅外測頭，加裝傳感器進行系列改進，可以提高測量精度，為需要設(shè)計高精度內(nèi)環(huán)槽的產(chǎn)品加工提供量具保障。

[1]黃錫愷，鄭文緯.機械原理[M].北京：高等教育出版社，1981：27-136.

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