基于PSD 深孔鉆削孔軸線在線檢測方案探討*

寧 磊，于大國，2，孟曉華

(1.中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，太原 030051;2.山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，太原030051)

0 引言

深孔軸線檢測是深孔類零件加工過程中的一個重要組成部分，是對深孔零件進(jìn)行質(zhì)量控制和管理的重要手段［1］。如果能夠及時檢測出鉆削過程中產(chǎn)生的偏斜，并對其采取相應(yīng)的措施會降低零件誤差或減小報廢的現(xiàn)象。然而影響孔軸線偏斜的因素有許多，比如:加工方式的不同、導(dǎo)向套的偏心、工件端面的偏斜、鉆桿的剛度和材質(zhì)硬度不均勻、機(jī)床振動和外部振動的干擾等［2］。只有從根本上了解影響孔軸線偏斜的因素，提出切實可行的方案解決問題，才能夠保證加工質(zhì)量提高加工效率。

在國外，如日本的Akio Katsuki 等人開發(fā)使用高性能的激光制導(dǎo)深孔鏜刀，能夠預(yù)防鉆孔偏斜［3］;瑞典Sandvik Coromant 公司和德國的Guhring 公司也相繼投入了大量的人力和財力進(jìn)行孔軸線偏斜研究［4］，最終也只是提出了一些減小孔軸線偏斜的途徑;C.H. Gao［5］從切屑變形和切削力的角度對BTA 深孔鉆削加工過程進(jìn)行了研究分析，通過實驗數(shù)據(jù)建立了軸向力、側(cè)向力的經(jīng)驗公式，為研究深孔偏斜提供了理論成果;Y.S Liu［6］設(shè)計了深孔直線度測量的自動控制系統(tǒng)，通過配套軟件的使用，使直線度誤差控制在0.366 范圍內(nèi)。

在國內(nèi)，西安工業(yè)大學(xué)的白萬民根據(jù)彈性力學(xué)原理并利用有限元法，推導(dǎo)了深孔鉆削時孔中心線偏移量的計算公式，并提出了減小孔中心線偏移量的措施;西安理工大學(xué)的孔令飛等人將穩(wěn)健設(shè)計理論應(yīng)用于深孔加工孔軸線偏斜問題研究中;中北大學(xué)機(jī)械制造工藝研究所于2009 年5 月研究成功了超聲波深孔加工測厚儀使解決孔軸線偏斜問題向前邁進(jìn)了一大步，為實現(xiàn)在線糾偏提供了支持［7］。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，深孔鉆削的檢測技術(shù)也隨之得到了發(fā)展。采用電感、電子、激光等先進(jìn)檢測技術(shù)，并用計算機(jī)采集、處理、存儲、檢測數(shù)據(jù)［8］，在很大程度上保證了孔的軸線不偏斜。深孔加工又是一種封閉式或半封閉式加工方式，操作人員無法直接觀察到刀具切削情況，只能依靠聽聲音、看切屑、油壓、觀察機(jī)床負(fù)荷等判斷切削中的加工情況，在多數(shù)情況下，深孔加工只能跟著感覺走，造成加工質(zhì)量不穩(wěn)定［9］。因此，對鉆頭走向的實時監(jiān)測，應(yīng)作為深孔加工控制技術(shù)中優(yōu)先的課題加以研究和解決。

2 PSD 的結(jié)構(gòu)和工作原理

PSD 是一種新型橫向光電效應(yīng)器件，與光導(dǎo)攝像管及固體攝像器元件相比，有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，具有不存在測量死區(qū)、分辨率高、響應(yīng)速度快、外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。在位移位置檢測、精密尺寸測量、三維空間位、高能物理等技術(shù)領(lǐng)域具有獨(dú)到之處和廣泛應(yīng)用［10］。PSD 可分為一維和二維兩種，這里主要介紹二維PSD 結(jié)構(gòu)和工作原理。

二維PSD 可以用來測量兩個方向的位置坐標(biāo)，原理圖及等效電路圖如圖1 所示。

圖1 二維PSD 原理圖及等效電路圖

PSD 的工作原理是基于橫向光電效應(yīng)，當(dāng)入射光照射到光敏面上某一點(diǎn)后，光生載流子在薄層中流動，可用兩個正交分量表示:平行于x 軸方向的分量Iy和平行于y 軸方向的分量Iy，且Ix+Iy=I0，I0為光生總電流。根據(jù)載流子的移動按照歐姆定律分配的規(guī)律，得到每個電極上的電流表達(dá)式:

其中:Ix1，Ix2，Iy1，Iy2分別為各個電極上的電流。

當(dāng)電阻層均勻時有

聯(lián)立式(1)—(6)可求出光點(diǎn)在PSD 光敏面上的位置坐標(biāo)的表達(dá)式

其中:L 為PSD 光敏面的寬度。

由式(7)和(8)可知只要檢測出4 個電極上電流的大小，即可計算出坐標(biāo)x 和y 的值。

3 在線檢測系統(tǒng)方案構(gòu)思

3.1 檢測系統(tǒng)裝置組成

檢測系統(tǒng)裝置主要由激光器、反射鏡、立方角錐棱鏡、檢測鉆頭傾角(位置)PSD、信號處理儀、A/D 轉(zhuǎn)換、計算機(jī)等組成，裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖2。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)簡圖

為了保證反射光束能夠照射在外固定架內(nèi)的PSD上，裝置中用于檢測鉆頭傾角PSD 和鉆頭位置PSD 的高度應(yīng)在反射光束的照射范圍內(nèi)。同時外固定架安裝在機(jī)床上，鉆削開始前調(diào)整外固定架位置使發(fā)射激光束照在PSD 的坐標(biāo)原點(diǎn)，位置調(diào)整后將固定架固定住。為了便于理解，用于測量傾角的入射光束和反射光束用兩條線表示。

3.2 檢測系統(tǒng)工作原理

調(diào)整外固定架位置，使反射光束正好照射在PSD 的坐標(biāo)原點(diǎn)，將外固定架固定在機(jī)床上。固定在外固定架的兩個激光器分別發(fā)出脈沖光束，光束平行于鉆桿初始軸線穿過鉆桿的過光孔到達(dá)反射鏡或立方角錐棱鏡。其中一條光束射向相對于鉆頭固定的立方角錐棱鏡，由于該棱鏡的特點(diǎn)，光束通過立方體角錐棱鏡后，會以平行于入射光束返回到檢測鉆頭位置PSD。檢測鉆頭位置PSD 會以光電流的形式輸出四個極其微弱的信號，連接PSD 的信號處理儀會對四路光電流進(jìn)行放大處理并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，模擬電壓信號再由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)單片機(jī)處理后經(jīng)接口電路將單片機(jī)輸出的TTL 電平，轉(zhuǎn)換為供計算機(jī)串口讀取的電平，經(jīng)計算機(jī)處理計算最終得出鉆頭位置的變化，亦即鉆頭在其軸線法面內(nèi)的位置變化。另一條光束也平行于鉆頭初始軸線，穿過檢測鉆頭傾角PSD 上開設(shè)的微孔，射向反射鏡，由反射鏡返回到檢測鉆頭傾角PSD，信號最終由計算機(jī)處理可以得到鉆頭傾角的變化。通過所測得的鉆頭位置、姿態(tài)數(shù)值，間接反映了孔的精度，實現(xiàn)了對孔的間接的在線檢測。檢測系統(tǒng)工作原理圖如圖3。

圖3 檢測系統(tǒng)工作原理圖

3.3 激光器和鉆頭的設(shè)計

激光器的設(shè)計:半導(dǎo)體激光頭發(fā)出波長為635nm 的脈沖激光束，經(jīng)過位于焦平面上的物鏡匯聚后發(fā)出平行光束，通過相當(dāng)于倒置的望遠(yuǎn)鏡的透鏡系統(tǒng)將激光光束壓縮成直徑為1 mm 的激光束，然后通過光闌調(diào)節(jié)，最后出射的光束為直徑小于0.5mm 的平行激光束［11］。這樣設(shè)計激光器的目的是保證發(fā)出激光束直徑小且平行，減少對測量誤差的影響，激光器簡圖如圖4。

圖4 激光器簡圖

鉆頭的設(shè)計:鉆頭經(jīng)過改造采用的是小直徑段，小直徑段不僅提供了安裝光學(xué)鏡的空間，更重要的是，小直徑段的存在，使得調(diào)整鉆頭姿態(tài)(即角度)變成可能，鉆頭結(jié)構(gòu)簡圖如圖5。

4 檢測情況分析

當(dāng)鉆頭鉆削工件時大致會出現(xiàn)四種情況:鉆削正常、鉆頭繞x 軸偏斜、鉆頭沿y 軸平移、鉆頭繞x 軸偏斜和沿y軸平移。

(1)鉆削正常

當(dāng)鉆頭鉆削正常時，固定在鉆頭的反射鏡和立方角錐棱鏡位置都不會變化，測量系統(tǒng)示意圖如圖6。從示意圖中我們可以看出激光發(fā)射器發(fā)出的光束經(jīng)過反射鏡或立方角錐棱鏡，反射光束都照在PSD 的坐標(biāo)原點(diǎn)O1和O2。由于在檢測鉆頭傾角的PSD 中心O1開一個微小孔，因此當(dāng)反射光束照射在O1點(diǎn)時PSD不會有電流產(chǎn)生也就不會有坐標(biāo)變化，但是此時可視坐標(biāo)為(0，0);與O1不同O2處會有光電流產(chǎn)生，依據(jù)公式(7)和(8)同樣可以得到O2坐標(biāo)為(0，0)。

圖6 鉆削正常示意圖

(2)鉆頭繞x 軸偏斜

(3)鉆頭沿y 軸平移

假設(shè)當(dāng)鉆頭沿y 軸向上平移時，示意圖如圖9，其它情況類似。因為外固定架不會移動，所以安裝在固定架里的激光器位置不變。激光器發(fā)出的光束會經(jīng)反射鏡原路返回，照在點(diǎn)O1。而立方角錐棱鏡的入射光束和反射光束是平行的，當(dāng)鉆頭向上平移h 時，可以參考文獻(xiàn)［12］中的角錐棱鏡的位移與光束移動的關(guān)系得出O2B 的大小為2h。很直觀的看出測量結(jié)果比實際偏移大一倍，因而測量的靈敏度也相應(yīng)提高了一倍。

圖9 鉆頭沿軸上平移示意圖

(4)鉆頭繞x 軸偏斜和沿y 軸平移

當(dāng)鉆頭繞x 軸左偏斜和沿y 軸上平移，示意圖如圖10，其它情況類似。我們依然采用(2)(3)的假設(shè)，因為偏角θ比較的小，所以立方角錐棱鏡的位置幾乎不變只是平移了h。這種情況就是(2)和(3)情況的結(jié)合，因此我們可以通過粗略計算得到。

圖10 繞左偏斜和沿上平移示意圖

5 結(jié)束語

通過以上的分析我們可以得到:假如A 和B 的坐標(biāo)都是(0，0)，得知鉆頭處于正常情況下;假如B 點(diǎn)坐標(biāo)幾乎接近坐標(biāo)原點(diǎn)，而A 點(diǎn)離得較遠(yuǎn)時，鉆頭處于繞軸偏斜情況下;假如A 點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0)B 點(diǎn)為(0，2h)時，鉆頭向上平移了h;當(dāng)A 和B 坐標(biāo)都離坐標(biāo)原點(diǎn)較遠(yuǎn)，鉆頭既偏斜又平移。A 點(diǎn)和B 點(diǎn)的坐標(biāo)可以根據(jù)公式(7)和(8)計算出，由計算機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終算出鉆頭偏斜的角度和位置的變化。

要提高加工孔的質(zhì)量，從影響孔軸線偏斜的因素進(jìn)行分析，并借助于現(xiàn)有的技術(shù)提出切實可行的方案。深孔軸線在線檢測系統(tǒng)將光的反射原理以及PSD 技術(shù)結(jié)合起來，雖然技術(shù)不是很成熟并且有一定的局限性，但是可以給深孔鉆削加工中孔軸線檢測提供了一定的參考，因此該課題的研究必將是長期的。

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