簡(jiǎn)易式形位誤差測(cè)量?jī)x的研制

章璐， 張棉好， 鄧震宇， 陳光輝， 王曉煒， 嚴(yán)曉夢(mèng)

（浙江師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，浙江 金華321019）

0 引言

目前市場(chǎng)上的形位公差測(cè)量?jī)x器大多為比較精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，功能上以滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用和研究型實(shí)驗(yàn)需求為主，一般價(jià)格昂貴，操作環(huán)境要求嚴(yán)格，用于頻繁測(cè)量一般精度的零件并不經(jīng)濟(jì)，所以市場(chǎng)上有一些經(jīng)濟(jì)型的專用形位公差測(cè)量?jī)x器，但測(cè)量功能單一，在實(shí)踐中已證實(shí)有很大的局限性。

綜上，提出了設(shè)計(jì)本臺(tái)簡(jiǎn)易式形位誤差測(cè)量?jī)x的構(gòu)想。設(shè)備測(cè)量種類多可測(cè)量直線度、圓度、圓柱度、平面度、平行度、同軸度、跳動(dòng)公差等，并且將機(jī)械和軟件技術(shù)結(jié)合，以簡(jiǎn)潔、適用的機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將設(shè)備改變傳統(tǒng)測(cè)量過(guò)程操作復(fù)雜、數(shù)據(jù)結(jié)果處理繁瑣的弊端。文中首先確定了測(cè)量?jī)x總體方案；其次是系統(tǒng)機(jī)械部分和控制部分設(shè)計(jì)；最后是簡(jiǎn)單的實(shí)際操作步驟。

1 測(cè)量?jī)x總體方案設(shè)計(jì)

為滿足工件形位誤差的測(cè)量，需要測(cè)量頭進(jìn)行多個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，并由測(cè)量頭所測(cè)誤差值與計(jì)算機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為此，總體方案如圖1所示。

圖1 測(cè)量?jī)x總體方案

2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)工件形位公差項(xiàng)目的測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)坐標(biāo)方向上獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。為了確定設(shè)備機(jī)械部分應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，需選擇能保證精度和經(jīng)濟(jì)相平衡的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)選擇合適的關(guān)鍵部件以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的靈活性和準(zhǔn)確性。

2.1 結(jié)構(gòu)方案確定

傳統(tǒng)上能實(shí)現(xiàn)三個(gè)坐標(biāo)方向上運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)主要包括：移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)、儀器臺(tái)式結(jié)構(gòu)、懸臂式結(jié)構(gòu)。

圖2為移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)，測(cè)量時(shí)工件置于工作臺(tái)，測(cè)量表頭安裝在主軸上，通過(guò)橋架、滑架和主軸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。

圖2 移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為儀器臺(tái)式結(jié)構(gòu)，測(cè)量表和主軸組件安裝在滑架上，測(cè)量時(shí)通過(guò)移動(dòng)立柱、滑架和工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。

圖4為懸臂式結(jié)構(gòu)，也稱單立柱結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)與基座為一體，測(cè)量表置于水平懸臂梁末端。通過(guò)立柱、滑架和水平懸臂的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量表在X、Y、Z三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。

圖3 儀器臺(tái)式結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 懸臂式結(jié)構(gòu)示意圖

儀器臺(tái)式結(jié)構(gòu)由于工作臺(tái)尺寸受限，制造成本和后期維護(hù)成本高。移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)采用平行導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，加工裝配精度要求高，導(dǎo)致成本也高。懸臂梁結(jié)構(gòu)受結(jié)構(gòu)限制會(huì)產(chǎn)生不同的變形。

結(jié)合上述的分析和實(shí)際使用的情況，本課題中進(jìn)行了優(yōu)化，采用移動(dòng)橋式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖5）。此外，因在進(jìn)行測(cè)量時(shí)Y方向的移動(dòng)不頻繁，故Y方向采用橋架底部直接在工作臺(tái)面上移動(dòng)的設(shè)計(jì)，并在工作臺(tái)的一側(cè)設(shè)置一限位塊，使橋架保持平行移動(dòng)。

圖5 儀器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 本測(cè)量?jī)x具體結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精度和重復(fù)定位精度高。Z向絲桿滑臺(tái)機(jī)構(gòu)安裝在橋架立柱上，X向絲桿滑臺(tái)機(jī)構(gòu)安裝在兩側(cè)Z向滑臺(tái)上，在X向滑臺(tái)上裝有百分表表座，數(shù)字顯示式百分表則安裝在表座內(nèi)。

如圖7所示，橋架立柱安裝在Y向滑臺(tái)上，在工作平臺(tái)上設(shè)置一個(gè)限位塊，限位塊的長(zhǎng)度方向與Y向滑臺(tái)的方向平行，從而保證橋架與前面有一定的平行度。

圖6 總體結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制部分原理如圖8所示。

1）測(cè)量表頭的選用。數(shù)字顯示式百分表相比較傳統(tǒng)指針式百分表可以直接顯示被測(cè)值，有利于數(shù)據(jù)的傳輸和自動(dòng)化處理。

2）控制器的選用。采用單軸步進(jìn)電機(jī)脈沖發(fā)生控制器，此控制器可簡(jiǎn)單編程，能方便、簡(jiǎn)單控制步進(jìn)電機(jī)步長(zhǎng)和速度。

圖7 限位塊位置示意圖

4 形位公差測(cè)量示例

下面以測(cè)量圓柱的直線度誤差為例。具體測(cè)量步驟如下：

1）將被測(cè)工件兩頭的圓柱放置在V形塊上，使其中的一個(gè)V形塊的外側(cè)與限位塊靠齊。

2）如圖9所示，打開(kāi)電源設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)和速度。將開(kāi)關(guān)撥到Z位置，按控制器上的“-”按鈕，使測(cè)量表快速沿著Z方向向下運(yùn)動(dòng)接近被測(cè)工件。當(dāng)測(cè)量表表頭快接近工件時(shí)將開(kāi)關(guān)撥至X位置，按下控制器上的“-”按鈕，使百分表向X方向其中一個(gè)被測(cè)表面的端面移動(dòng)。

圖8 控制系統(tǒng)原理圖

圖9 控制臺(tái)

然后，手推Y向滑塊使表頭位于被測(cè)表面最高處的正上方。將開(kāi)關(guān)撥至Z位置，按下控制器的“-”按鈕，使測(cè)量表向下移動(dòng)并使百分表保持一定的預(yù)緊力。最后使用相同的方法使百分表在X方向移動(dòng)，靠近被測(cè)表面的另一端。

圖10 數(shù)據(jù)處理界面

（3）在測(cè)量過(guò)程中，百分表將測(cè)得的誤差數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中，電腦將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，計(jì)算機(jī)自動(dòng)得出形位誤差值（如圖10）。

5 結(jié) 語(yǔ)

形位誤差測(cè)量?jī)x在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)層出不窮，但考慮到制作的成本和應(yīng)用范圍上的限制不能大范圍推廣。本課題參考并借鑒了其他同類產(chǎn)品，使設(shè)備主要側(cè)重于精度和成本上的平衡。設(shè)備能減輕中小企業(yè)工作人員的工作強(qiáng)度并能在學(xué)校中作為教學(xué)器材。

［1］ 李建明.淺談形位公差帶的方向與方位［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2004（1）：36－37，40.

［2］ 黃云清.公差配合與測(cè)量技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.