一種新型軸類零件檢測儀設(shè)計(jì)

鐘國堅(jiān)，豐飛

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，福建龍巖 364021)

隨著形位公差國家標(biāo)準(zhǔn)的貫徹與實(shí)施，機(jī)械零件的精度檢測技術(shù)顯得尤為重要，而軸類零件檢測又是其中的一大難題。眾所周知，軸類零件在機(jī)械傳動方面地位顯著，其精度直接關(guān)系到傳動的精度和效率。偉大的化學(xué)家、計(jì)量學(xué)家門德列耶夫所說過，“科學(xué)是從測量開始的，沒有測量就沒有科學(xué)，至少沒有精確的科學(xué)，真正的科學(xué)”［1］。精確的尺寸要求精細(xì)的檢查技術(shù)來保證，新一代的檢測儀器必須集機(jī)械控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理為一體［2］。結(jié)合具體零件，提出一種新型軸類零件檢測儀的設(shè)計(jì)方案。

1 被測零件分析

被測零件的形狀、尺寸精度要求及形位公差要求如圖1所示，零件為同心軸類零件，直徑一般小于150 mm，長度一般小于400 mm，尺寸檢測的項(xiàng)目主要有直徑、長度、錐度和圓弧，公差一般為7～8級，大于0.02 mm;形位誤差檢測項(xiàng)目主要有圓度、圓柱度、同軸度、徑向跳動等，公差一般也大于0.02 mm。

圖1 被測零件

2 現(xiàn)有的檢測方法

對于此類零件，現(xiàn)有的檢測方法主要是:

加工時，調(diào)頭裝夾前，用百分表找正，保證同軸度;加工結(jié)束后，將零件從機(jī)床卸下，用兩個V型塊進(jìn)行定位:

(1)使用千分尺測量各處直徑 (X軸方向);

(2)使用深度游標(biāo)尺檢測各種長度 (Z軸方向);

(3)使用螺紋環(huán)規(guī)檢測螺紋。

這種檢測方法是人工逐項(xiàng)檢測，檢測結(jié)果需人工逐項(xiàng)記錄，并匯總統(tǒng)計(jì)方可得到綜合檢測結(jié)果，勞動強(qiáng)度大，檢測效率低，人為誤判、誤記的可能性大;受傳動檢測儀精度的限制，檢測精度低，而且有些項(xiàng)目如零件的圓度、圓柱度、同軸度、圓跳動等無法檢測。

3 新型檢測儀設(shè)計(jì)方案

3.1 新型檢測儀的技術(shù)要求

(1)檢測儀的檢測精度達(dá)0.005 mm，系統(tǒng)構(gòu)件的分辨率達(dá)0.001 mm;

(2)具有多參數(shù)綜合檢測功能，能進(jìn)行各類尺寸的檢測，滿足一般機(jī)械加工車間的檢測需求;

(3)能對零件各參數(shù)的檢測結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化顯示，并自動顯示該參數(shù)是否合格;

(4)具有良好的穩(wěn)定性和較高的可靠性，操作簡單，軟件界面友好，易于擴(kuò)展;

(5)成本低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 新型檢測儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測儀的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測儀結(jié)構(gòu)圖

3.3 檢測過程分析

檢測儀采用機(jī)、電、光結(jié)合的方案，采用機(jī)械技術(shù)完成儀器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，采用光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)Z向、X向距離及繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度的檢測，采用電子技術(shù)完成儀器的控制和數(shù)據(jù)采集，采用虛擬儀器技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，并以友好的界面顯示檢測結(jié)果［1］。

3.3.1 檢測定位裝置

工件采用兩頂尖定位，安裝時必須保證兩頂尖的中心點(diǎn)在同一水平線上，在最大滑動范圍內(nèi)，保證其誤差小于0.001 5 mm。左側(cè)尾座固定，右側(cè)尾座可沿導(dǎo)軌滑動，這樣可以實(shí)現(xiàn)不同長度零件的定位。

3.3.2 工件的旋轉(zhuǎn)及圓周分度控制

工件檢測時需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，為實(shí)現(xiàn)這一功能，對左側(cè)尾座進(jìn)行改進(jìn):將尾座中心孔鏜大，并進(jìn)行磨削加工，使其誤差控制在0.001 mm以內(nèi);在孔內(nèi)安裝兩個精密軸承，保證安裝誤差在0.001 5 mm以內(nèi);再將頂尖裝入軸承內(nèi)，通過電機(jī)帶動，可實(shí)現(xiàn)頂尖的旋轉(zhuǎn);采用端面固定傳動頂尖，其刀口可以緊密貼合在工件的左端面上，形成良好的抓合力，就可帶動工件隨頂尖一起旋轉(zhuǎn)。在頂尖的左端面安裝圓編碼盤，實(shí)現(xiàn)圓周分度，每相隔一定的角度發(fā)出一個信號，進(jìn)行一次X向數(shù)據(jù)采集。按照測量的封閉性原則，對每一軸段都進(jìn)行整個圓周的分度采集，以減小采集誤差。

3.3.3Z軸方向運(yùn)動控制及光柵尺安裝

沿Z軸方向平行布置兩根精密導(dǎo)軌，安裝時保證在最大行程范圍內(nèi)兩導(dǎo)軌的平行度誤差小于0.001 5 mm。導(dǎo)軌中間安裝滾珠絲杠副，并與導(dǎo)軌滑塊相連，通過電機(jī)帶動滾珠絲杠，從而帶動導(dǎo)軌滑塊左右移動。根據(jù)測量的阿貝原則，在靠近探測頭中心正下方的位置安裝一把與導(dǎo)軌平行的光柵尺，并使其標(biāo)尺與導(dǎo)軌滑塊相連，則可以測出探測頭Z方向的移動距離，實(shí)現(xiàn)Z向檢測。

3.3.4X方向運(yùn)動控制及光柵尺安裝

在Z向精密導(dǎo)軌的上方垂直布置兩根X向的精密導(dǎo)軌，安裝時首先要保證在最大行程范圍內(nèi)兩導(dǎo)軌的平行度誤差小于0.001 5 mm，其次要保證上下兩對導(dǎo)軌的垂直度誤差小于0.001 5 mm。導(dǎo)軌滑塊上方安裝探測頭，使探測頭中心與兩頂尖中心連線等高，兩者安裝的高度誤差應(yīng)小于0.001 5 mm。根據(jù)阿貝原則，在兩根導(dǎo)軌的中間安裝一把光柵尺，使其標(biāo)尺與導(dǎo)軌滑塊相連，可測出X向的移動距離，實(shí)現(xiàn)X向檢測。檢測時，在X方向必須使探測頭與工件母線接觸，可設(shè)計(jì)一組定滑輪，懸掛重物，帶動探測頭緊密貼在工件的表面上。由于重力的大小是恒定的，可保證檢測時探測頭與工件的接觸力基本保持恒定，提高檢測精度［1］。

檢測時，零件以兩頂尖進(jìn)行定位后，X方向使用重力裝置，使探測頭以恒定的接觸力貼在工件的母線上，Z方向使用滾珠絲杠副帶動探測頭做軸向移動，每相隔一定的距離探測頭停止Z向移動，工件旋轉(zhuǎn)一周，采用SDC-5數(shù)據(jù)采集卡每相隔一定的角度進(jìn)行一次X向的數(shù)據(jù)采集，這樣可采集到X向 (半徑R)、圓周方向 (角度θ)和Z向 (距離Z)3個數(shù)據(jù)Pij(Rij，θij，zj)(其中i表示角度分度，i=1，2，3，…，n;j表示Z向檢測位置數(shù)，j=1，2，3，…，N)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，用虛擬儀器LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理即可得到檢測結(jié)果，并以友好的界面顯示［1］。

3.3.5 檢測儀的精度分析

被測零件的尺寸和形位公差一般均大于0.02 mm，按照檢測原理，設(shè)計(jì)檢測儀的檢測精度為0.005 mm，選用的構(gòu)件分辨率為0.001 mm。檢測儀的精度主要取決于3個方面:(1)導(dǎo)軌的精度，(2)傳感器的精度，(3)安裝制造精度。導(dǎo)軌選擇臺灣上銀精密線性滑軌，移動精度為0.001 mm，傳感器選擇臺灣生產(chǎn)的信和光柵尺，精度為±1 μm，分辨率為0.001 mm，這兩種硬件的精度足夠滿足檢測儀的要求。對精度影響最大的是檢測儀安裝制造精度，精密的硬件如果安裝不好，其精度再高也沒有意義。對檢測儀精度影響最大的部分主要有:兩定位頂尖安裝的同心度，線性滑軌安裝的水平度和平行度，光柵尺安裝的平行度和垂直度。一方面要使用精密的儀器進(jìn)行反復(fù)安裝調(diào)試，使各硬件安裝符合精度要求;另一方面，通過系統(tǒng)軟件進(jìn)行誤差補(bǔ)償，盡量減少或消除檢測誤差。

4 設(shè)計(jì)成果

該設(shè)計(jì)方案已經(jīng)轉(zhuǎn)變實(shí)際教學(xué)儀器，在兩所高校教學(xué)中使用，并逐步推向各個高校和企業(yè)。該設(shè)計(jì)已經(jīng)在2012年11月獲得國家實(shí)用新型專利。

5 總結(jié)

本檢測儀可以實(shí)現(xiàn)典型軸類零件高效、快速的自動化檢測，對于提高檢測的效率和精度有著重要意義，具有較好的可操作性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，能滿足一般機(jī)械加工車間的檢測需要，且成本低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

【1】豐飛.基于LabVIEW的軸類零件綜合檢測儀設(shè)計(jì)［D］.福州:福州大學(xué)，2012.

【2】施文康，余曉芬.檢測技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

【3】馮德富.工廠實(shí)用在線檢測技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

【4】左延紅.軸類零件自動檢測系統(tǒng)研究［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2006.

【5】林玉池，劉治軍，吳敬國.軸類零件參數(shù)綜合檢測［J］.中國機(jī)械工程，2000(3):295－297.

【6】林雨偉.大尺寸軸類零件智能量儀的系統(tǒng)研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2003.