油管接箍內(nèi)螺紋在線測量裝置測針接觸力研究

周　強(qiáng)　張秋爽

(北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

0　引言

油管接箍在線測量裝置用于錐形內(nèi)螺紋的在線測量。該裝置通過被動(dòng)接觸法進(jìn)行測量來獲取內(nèi)螺紋表面二維輪廓離散數(shù)據(jù)。在被動(dòng)接觸法測量時(shí)，通常選用彈簧作為被動(dòng)接觸力維持裝置。但是在油管接箍在線測量裝置中，如果利用彈簧維持測針被動(dòng)接觸力，彈簧彈力隨測針徑向伸縮量的變化而變動(dòng)，導(dǎo)致被動(dòng)接觸力隨之變動(dòng)，會(huì)造成以下不利影響：

1)測針與內(nèi)螺紋表面形成擠壓，內(nèi)螺紋表面發(fā)生形變，影響測量精度；

2)劃傷內(nèi)螺紋表面，導(dǎo)致內(nèi)螺紋失效；

3)被動(dòng)接觸力變動(dòng)較大，影響測量速率的進(jìn)一步提高。

為克服上述缺陷，在線測量裝置利用微型氣缸代替彈簧維持測針與內(nèi)螺紋表面的被動(dòng)接觸力。根據(jù)氣體分子動(dòng)理論，在內(nèi)部空氣體積發(fā)生變化時(shí)，氣缸內(nèi)氣體壓力可以保持不變。這樣，既滿足了測針伸縮運(yùn)動(dòng)的要求，又可以維持測針與內(nèi)螺紋的被動(dòng)接觸力基本恒定，從而提高測量精度和速度。

1　在線測量裝置原理

油管接箍在線測量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，測量裝置采用機(jī)械接觸式測量結(jié)構(gòu)，測針相當(dāng)于一個(gè)微型輪廓儀。測量時(shí)，首先使測針伸出并由被動(dòng)接觸力維持裝置維持其緊貼在油管接箍內(nèi)螺紋內(nèi)壁上；之后，計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)測針沿油管接箍軸向運(yùn)動(dòng)并記錄運(yùn)動(dòng)軌跡xi；測針沿軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，內(nèi)螺紋軸向截面齒形輪廓線推動(dòng)測針作徑向運(yùn)動(dòng)，徑向安裝有高密度位移傳感器，可檢測出徑向相對位移yi。這樣，隨著測量的進(jìn)行，即可獲得一系列二維數(shù)據(jù)(xi,yi)(i=1,2…n)。之后通過算法程序計(jì)算基本參數(shù)、導(dǎo)出參數(shù)并保存。至此，一個(gè)測量周期結(jié)束。

圖1　測量裝置機(jī)構(gòu)簡圖

2　被動(dòng)接觸力的維持方法及原理分析

從上述測量過程可以看出，接觸力的變化會(huì)導(dǎo)致測量精度與速度降低、劃傷內(nèi)螺紋等問題，因此測針與內(nèi)螺紋截面齒形的接觸力最好為恒力。但是對于內(nèi)螺紋這樣復(fù)雜的曲線，維持接觸力始終恒定非常困難。通過數(shù)據(jù)處理算法中的截面齒形建模不難看出，被測的內(nèi)螺紋截面齒形可以分為直線段和曲線段部分，而直線段部分?jǐn)?shù)據(jù)采集的精度對特性參數(shù)估算非常重要，在直線段部分使測針的接觸力保持恒定具有重要意義。

2.1　彈簧維持裝置原理分析

利用彈簧維持測針被動(dòng)接觸力原理如圖2所示。

圖2　彈簧維持裝置原理圖

彈簧的作用是維持測針與內(nèi)螺紋表面接觸，因此，彈簧在整個(gè)測量過程中始終處于壓縮狀態(tài)。

設(shè)在x2位置時(shí)，彈簧壓縮量為Δy，那么在x1位置壓縮量為Δy+Δy1，在x3位置壓縮量為Δy+Δy3，測針與內(nèi)螺紋表面的法向接觸力:

Fn2=k×Δy×sinΦ

(1)

Fn3=k×(Δy+Δy3)×sinΦ

(2)

式中，k為彈簧彈性系數(shù)；Φ為內(nèi)螺紋直線段與豎直方向夾角。

如果Fn2處于直線段頂端，而Fn3處于直線段底端，那么在直線段測量過程中，測針與內(nèi)螺紋法向接觸力變化的最大差值為：

ΔFnmax=Fn3-Fn2=k×Δy3×sinΦ

(3)

顯然，在直線段測量中，利用彈簧維持被動(dòng)接觸力時(shí)，法向被動(dòng)接觸力變動(dòng)較大。

2.2　微型氣缸維持裝置原理分析

微型氣缸維持裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3　微型氣缸維持裝置機(jī)構(gòu)圖

感應(yīng)板和測針以及兩個(gè)微型氣缸固連在一起。測量時(shí)，測針在頂桿帶動(dòng)下沿Y軸方向伸出，使測針緊密貼合在油管接箍內(nèi)螺紋齒形上，并保持一定的接觸力。不測量時(shí)，測針可以在微型氣缸的作用下縮回，避免與油管接箍內(nèi)螺紋齒形接觸。

微型氣缸作用下被動(dòng)接觸力如圖4所示。

圖4　被動(dòng)接觸力示意圖

根據(jù)氣體的壓強(qiáng)公式：

(4)

Fn=F×sinΦ

(5)

內(nèi)螺紋直線段傾角Φ為常量，因此，法向接觸力也保持恒定。

3　被動(dòng)接觸力仿真分析

油管接箍內(nèi)螺紋一個(gè)周期齒形如圖5所示。

圖5　內(nèi)螺紋截面齒形建模

通過對油管接箍內(nèi)螺紋進(jìn)行理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得出內(nèi)螺紋截面齒形的數(shù)學(xué)模型：

1)0≤x≤0.4

(6)

2)0.4≤x≤0.8

(7)

3)0.8≤x≤2

(8)

4)2≤x≤2.8

(9)

5)2.8≤x≤3.2

(10)

3.1　彈簧維持裝置仿真分析

步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)測針運(yùn)動(dòng)的過程中，彈簧力要維持測針始終與內(nèi)螺紋表面接觸。這樣，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)測針運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)(如圖5，內(nèi)螺紋最高點(diǎn))，彈簧的理想狀態(tài)是處于原長，這樣在一個(gè)內(nèi)螺紋周期內(nèi)的其它任何一點(diǎn)，彈簧壓縮量=A點(diǎn)縱坐標(biāo)-該點(diǎn)縱坐標(biāo)。根據(jù)相關(guān)參數(shù)可得：

(11)

在任意一點(diǎn)，測針與內(nèi)螺紋在豎直方向的接觸力:

Fy=k×Δx

(12)

各點(diǎn)的法向接觸力：

1)0≤x≤0.4

(13)

2)0.4≤x≤0.8

(14)

3)0.8≤x≤2

(15)

4)2≤x≤2.8

(16)

5)2.8≤x≤3.2

(17)

據(jù)此，可繪制出彈簧維持裝置作用下，測針與內(nèi)螺紋表面接觸力沿軸向變化曲線，如圖6所示。

利用彈簧維持裝置，在測針沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，被動(dòng)接觸力變動(dòng)較大，且彈簧彈性系數(shù)取不同值時(shí)，接觸力變動(dòng)也不同：彈性系數(shù)越小，接觸力變動(dòng)越小。但是彈性系數(shù)過小的話，由于彈簧力不足，會(huì)導(dǎo)致測量時(shí)測針與內(nèi)螺紋脫離，造成較大測量誤差。

圖6　彈簧作用下接觸力變化曲線

3.2　微型氣缸維持裝置仿真分析

采用微型氣缸維持裝置，理論分析及實(shí)踐表明，測針與內(nèi)螺紋表面的接觸力是一個(gè)微恒力。在仿真實(shí)驗(yàn)中，直線段接觸力為恒力，圓弧段接觸力呈微小的正弦波動(dòng)，如圖7所示。

圖7　微型氣缸作用下接觸力變化曲線

因此，微型氣缸維持測針與內(nèi)螺紋表面接觸，既保證了足夠小的接觸力，又可以提高測量速度和精度。

4　被動(dòng)接觸力控制實(shí)驗(yàn)

原理分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明被動(dòng)接觸力的微型氣缸維持裝置優(yōu)于彈簧維持裝置。為進(jìn)一步驗(yàn)證被動(dòng)接觸力氣缸維持方法的可行性和效果，在現(xiàn)場進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)測量裝置的測量結(jié)果及精度。

4.1　重復(fù)測量實(shí)驗(yàn)

將某一油管接箍手工安裝在測量裝置的裝卡位置上并卡好，利用微型氣缸維持被動(dòng)接觸力，進(jìn)行連續(xù)、重復(fù)的128次測量。

重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。可以看出，微型氣缸維持下各項(xiàng)參數(shù)重復(fù)測量值的標(biāo)準(zhǔn)差都很小，證明了測試系統(tǒng)的重復(fù)精度很高。

表1　一次裝卡主要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)　(單位：mm)

4.2　手工檢測量規(guī)對比實(shí)驗(yàn)

在某個(gè)油管接箍的特定位置采用檢測量規(guī)進(jìn)行測量，在同樣的位置，在被動(dòng)力的氣缸維持方式下進(jìn)行測量。將手工檢測量規(guī)測量結(jié)果與氣缸維持方式下的測量結(jié)果相比較，判斷被動(dòng)力的氣缸法維持方法的測量效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出氣缸維持方式下螺距和齒高的離散性可以達(dá)到檢測量規(guī)的測量精度，但錐度的離散性偏大。

表2　測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果對照表　(單位：mm)

5　結(jié)論

理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)表明，氣缸維持測針與內(nèi)螺紋表面接觸力可以使測針與內(nèi)螺紋截面齒形輪廓直線段的法向和切向接觸力保持恒定不變，與傳統(tǒng)的彈簧維持裝置相比，具有接觸力小、接觸力變動(dòng)小、不易劃傷內(nèi)螺紋的優(yōu)點(diǎn)，且可以在步進(jìn)電機(jī)快速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下仍保持較高的測量精度。

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