薄壁筒形零件徑向尺寸自動測量方法研究

郝金超 楊 波 曾志強 王 凡 李紅剛 肖 雄

(①中北大學機械工程與自動化學院，山西太原 030051;②太原科技大學，山西太原 030051)

對于小壁厚筒形零件的壁厚測量，目前國內比較常用的方法是手持量具或手動方式來進行抽樣測量:如采用三坐標測量儀進行壁厚檢測，這種檢測方法需要有經(jīng)驗的工人進行精細操作;也有用雙探針來進行壁厚測量，這種方式所采用的探針架在測量小壁厚零件時由于環(huán)境限制，一般制造較細，這樣就容易發(fā)生彈性變形，造成額外的測量誤差，此外這種檢測方式只能檢測軸向方向的尺寸，如果是徑向非勻質制件則不能進行檢測。隨著零件的加工精度要求越來越高，對某些關鍵產品的檢測要求越來越嚴格，而且通常要求100%檢測，以避免不合格零件導致災難性后果。該產品生產批量大，毛坯是經(jīng)多次沖壓成型后經(jīng)專用車床車制而成，壁厚的均勻度直接影響炮彈發(fā)射彈著點的準確性，但是該尺寸不能由沖壓工藝完全保證，因此對該尺寸的檢測十分必要。目前基本采用人工抽檢的方式來測量壁厚，這種測量方式存在效率低，測量點少，精度差，易因主觀因素造成測量誤差，導致誤測。因此設計一種新的壁厚測量方法，來提高藥筒壁厚的檢測效率和檢測精度十分必要。本文根據(jù)藥筒的壁厚測量要求，設計了一種薄壁筒形零件通用檢測設備，并給出了測量原理、設計結構、誤差分析、實驗過程及結論。

1 被檢測對象及測量原理

圖1為某炮彈的藥筒部分簡圖，炮彈發(fā)射是通過藥筒底火點火，引燃藥桶內的火藥，瞬時燃燒產生巨大的氣體和熱量，從而將彈體從炮口高速推射出去。目前藥筒通常采用多次沖壓成型的方式，雖然成本較低，加工效率高，但不可避免的會造成筒壁厚度的不均，如果差距較大，會影響彈體的裝配和發(fā)射精度。因此，需要對藥筒的筒壁厚度進行測量，以獲得工件壁厚值，來評定工件是否合格。

由于該型產品藥筒直徑小，內外徑的圓弧曲率大，精度要求較高，不宜采用電渦流等常見的壁厚測量方法，因此采用直接在藥筒輪廓面徑向方向進行測量的方案，如圖2所示。保證測量傳感器的接觸點與定位滾輪接觸點的連線始終處于被測點的法線方向。為了減小測量誤差的影響，采用對藥筒輪廓面同一圓周厚度值的多次測量方法進行測量，然后按照誤差評定理論進行數(shù)據(jù)處理，最終得到符合精度要求的測量結果。

采用接觸式測量方法，主要采用位移傳感器對藥筒的壁厚進行接觸式測量。在無工件時，傳感器探頭下行與定位輥子接觸，傳感器測頭壓縮一初始量，標定厚度為0。當加裝工件后，傳感器探頭收縮量增加一個壁厚δ，對應的位移傳感器電壓信號通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示在計算機上，通過傳感器的標定數(shù)值可求出該處的壁厚值。

2 藥筒壁厚測量系統(tǒng)

2.1 機械系統(tǒng)部分

如圖3，測量機構采用位移傳感器對壁厚進行測量。通過上料機構將工件推入定位輥子2，并將工件固定在定位輥子上，然后升降氣缸5收縮，升降臺1下降，高精度滾輪8壓緊工件，傳感器探頭與工件接觸，傳感器探頭收縮，傳感器探頭收縮量即為該點的壁厚值。然后高精度滾輪8由后方電動機驅動，帶動工件7旋轉，控制程序按照預先設置的采樣頻率對工件一周的壁厚值進行數(shù)據(jù)采集。

2.2 計算機系統(tǒng)及處理系統(tǒng)設計

(1)信號處理

在機械系統(tǒng)提供的測量系統(tǒng)滿足要求后，就可進行信號測量，信號處理的流程如圖4，其中放大電路的精度要與傳感器精度保持一致。模擬濾波電路是必需的，其頻率要與后而的采樣頻率一致，防止數(shù)字采樣時發(fā)生混頻現(xiàn)象。采樣A/D的位數(shù)精度也應和傳感器精度一致。信號采樣頻率根據(jù)工件測量速度要求進行合理選擇。后期數(shù)據(jù)處理及輸出由計算機完成，并依據(jù)用戶要求顯示、輸出、存儲測量數(shù)據(jù)的分析結果。

(2)軟件系統(tǒng)

藥筒檢測設備主要由操作界面、測量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊3大部分組成，各模塊由相應的小模塊組成，如圖5所示。

測量軟件的功能主要是實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的選擇性采集、存儲和瀏覽顯示，利用誤差評定理論對原始數(shù)據(jù)進行處理，并將最終處理結果進行顯示和存儲。

根據(jù)軟件所要實現(xiàn)的功能選擇既有良好的圖形界面編輯功能又通俗易懂的VISUALBASIC6.0語言進行編寫。由于本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)類型單一，采集數(shù)據(jù)較少，所以選用ACCESS數(shù)據(jù)庫已經(jīng)完全能滿足要求。

表1

在軟件設計中，測量模塊主要涉及3部分:通信部分，數(shù)據(jù)采集處理部分，顯示部分。分別利用MSComm控件來實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的采集;利用Timer控件來實現(xiàn)定時采集與數(shù)據(jù)處理，具體流程如圖6;利用MSchart控件來調用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)繪制數(shù)據(jù)圖形來顯示數(shù)據(jù)分布關系及檢驗合格率。

(3)數(shù)據(jù)處理

由于采集數(shù)據(jù)個數(shù)較多，對采集的數(shù)據(jù)首先進行與壁厚上限值的數(shù)據(jù)比較剔除粗大誤差，然后通過五點三次平滑法對數(shù)據(jù)進行平滑處理，處理后的數(shù)據(jù)較未處理數(shù)據(jù)的曲線更加平滑，精度更高，如圖7。最后求算術平均值與最大最小值，最終得到測量結果。

3 實驗及誤差分析

3.1 對比試驗

使用三坐標測量儀對工件一周進行內外徑測量，并根據(jù)測量結果計算出壁厚尺寸，并和測厚儀測得的實際尺寸進行比較。

從實驗數(shù)據(jù)圖8中可以看出，采用壁厚測量儀得出的測量結果比三坐標測量儀測得結果波動量不大，最大誤差為15 μm左右，但操作簡便，耗時短(2 s)，便于用于大規(guī)模檢測。

3.2 測量系統(tǒng)重復性精度分析

選擇一個藥筒工件在筒形小壁厚自動檢測設備上進行多次重復性檢測，測量結果見表1。

從數(shù)據(jù)中可以看出，多次測量結果之間的最大誤差在10 μm左右，重復滿足設計要求。

該測厚儀的誤差主要來自以下幾個方面:輥子誤差、傳感器誤差、機械制造誤差、定位誤差等。

4 結語

本控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對藥筒壁厚參數(shù)精確、快速、經(jīng)濟的測量，其厚度實際測量誤差在20 μm以內，完全能夠滿足對藥筒檢測的精度要求，經(jīng)某些部件改進還可用于不同尺寸薄壁件的壁厚檢測。此外，本系統(tǒng)成本造價低廉，結構簡單，操作方便，效率高，測量范圍較廣，利于控制和掌握，適于大面積推廣和應用。

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