半球動(dòng)壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子端面垂直度檢測(cè)裝置

段　榮，薛鳳舉，董君華

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

半球動(dòng)壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子端面垂直度檢測(cè)裝置

段榮，薛鳳舉，董君華

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

在半球動(dòng)壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子端面垂直度的工序中，檢測(cè)一直是影響生產(chǎn)效率的重要瓶頸問題，因沒有理想的檢測(cè)手段，目前只能依賴三坐標(biāo)儀進(jìn)行檢測(cè)。因檢測(cè)頻繁、測(cè)點(diǎn)多、耗時(shí)長(zhǎng)，極大地影響了生產(chǎn)效率。介紹了一種基于光學(xué)檢測(cè)原理研制的端面垂直度檢測(cè)裝置，工程實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，它具有檢測(cè)精度高、操作簡(jiǎn)便、時(shí)間短的特點(diǎn)，極大地提高了檢測(cè)效率，在提高生產(chǎn)效率方面具有重大的實(shí)際意義。

半球動(dòng)壓馬達(dá)；雙球碗；球心連線；端面垂直度

0　引言

半球動(dòng)壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子具有對(duì)頂雙球碗結(jié)構(gòu)，其端面對(duì)兩球碗球心連線的高精度垂直度在工序中的檢測(cè)一直是個(gè)難題，原因是凹球球心是虛擬球心，常規(guī)計(jì)量手段無法直接確定和測(cè)量。目前行業(yè)上有電感旁向測(cè)頭法和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x兩種測(cè)量方法。圖1所示為電感旁向測(cè)頭法的基本原理，將被測(cè)零件的被測(cè)端面放置在平板上，用兩個(gè)已固定在平板上的鋼球?qū)⒈粶y(cè)零件定位，將電感旁向測(cè)頭接觸到上端球碗的上邊緣，讀取電感儀讀數(shù)，松開零件，并將零件旋轉(zhuǎn)一定角度，重復(fù)上述計(jì)量，記錄讀數(shù)，如此測(cè)量一周，其數(shù)據(jù)最大差值的一半即為垂直度數(shù)值。該方法檢測(cè)精度低，穩(wěn)定性差（與操作者的經(jīng)驗(yàn)和水平有關(guān)），耗時(shí)長(zhǎng)，操作繁瑣，易傷手指。圖2所示為三坐標(biāo)儀測(cè)量法，利用三坐標(biāo)儀的球形測(cè)頭分別在兩個(gè)凹球球面的多個(gè)截面上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量（通常在單個(gè)球面上取3個(gè)截面Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ，每個(gè)截面取4個(gè)點(diǎn)P1、P2、P3及P4，兩凹球共計(jì)24個(gè)點(diǎn)），經(jīng)電腦擬合計(jì)算得出兩球心的空間位置，進(jìn)而確定其連線作為基準(zhǔn)軸線，再對(duì)零件被測(cè)端面N進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量（通常取4個(gè)點(diǎn)），最后經(jīng)電腦數(shù)據(jù)處理得出端面與基準(zhǔn)軸線的垂直度數(shù)值。此法有三點(diǎn)不足：

圖1　電感旁向測(cè)頭法Fig.1　Inductance probe method

圖2　三坐標(biāo)儀檢測(cè)法Fig.2　The measurement method by using three coordinate instrument

1）測(cè)點(diǎn)多，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，每次需檢測(cè)28個(gè)點(diǎn)，用時(shí)至少20min。

2）生產(chǎn)效率低，工序中垂直度的頻繁檢測(cè)均需送至三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x處進(jìn)行，額外增加了很多運(yùn)送和等待時(shí)間，極大地影響了生產(chǎn)效率。

3）依賴高精度三坐標(biāo)儀和專業(yè)技能人員。

上述不足成為影響生產(chǎn)效率的重要瓶頸。因此，尋求新途徑，實(shí)現(xiàn)工序中的垂直度快速檢測(cè)一直是提高生產(chǎn)效率方面亟待解決的重要問題。

1　垂直度光學(xué)測(cè)量裝置

1.1原理與構(gòu)成

垂直度光學(xué)檢測(cè)裝置是利用光學(xué)方法直接測(cè)量被測(cè)零件端面法向角度偏差，進(jìn)而得到相應(yīng)的垂直度數(shù)值。圖3所示為該垂直度光學(xué)檢測(cè)裝置的構(gòu)成示意圖，圖4是檢測(cè)裝置主體的水平中心截面剖視圖，現(xiàn)結(jié)合兩圖對(duì)該裝置進(jìn)行介紹。

圖3　垂直度光學(xué)檢測(cè)裝置的構(gòu)成Fig.3　The constitute of optical device for perpendicularity measurement

圖4　裝置主體剖面圖Fig.4　The section view of the main device

1是整個(gè)裝置的底座；2是平板，安裝在底座1上；3是滑塊，可在平板2上滑動(dòng)；4是兩個(gè)相隔而置的側(cè)定位擋塊，固定在平板2上面，與平板2構(gòu)成一個(gè)高精度的基準(zhǔn)二面體體系；滑塊3的前端固定有動(dòng)基準(zhǔn)球頭5，可隨滑塊3作精準(zhǔn)的直線滑動(dòng)，與其相對(duì)處有一個(gè)定基準(zhǔn)球頭6，它通過定基準(zhǔn)球頭座7固定在平板2上，動(dòng)基準(zhǔn)球頭5和定基準(zhǔn)球頭6的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成了一個(gè)頂持機(jī)構(gòu)，可將被測(cè)零件9夾持定位；一個(gè)U形高平行度的平行反光鏡8跨在定基準(zhǔn)球頭6上方，并與被測(cè)零件9的待測(cè)端面貼合，其作用是將面積很小的零件環(huán)形被測(cè)端面放大為能夠被自準(zhǔn)直儀檢測(cè)的有效反射面，平行反光鏡8的法向即為被測(cè)零件端面的法向，通過自準(zhǔn)直儀11檢測(cè)平行反光鏡8法線角度偏差便可測(cè)出被測(cè)端面的垂直度偏差。平行反光鏡8與被測(cè)零件9待測(cè)端面的貼合壓力由兩側(cè)固定在平板2上的兩個(gè)磁鐵10的磁力提供。

因被測(cè)零件兩凹球球心距較短，端面垂直度對(duì)代表基準(zhǔn)軸線的兩個(gè)基準(zhǔn)球球心，尤其是動(dòng)基準(zhǔn)球5球心的位置精度極為敏感，微小的誤差都將成為基準(zhǔn)偏差而導(dǎo)致測(cè)量誤差。所以，保證動(dòng)基準(zhǔn)球5滑動(dòng)時(shí)的重復(fù)定位精度是本裝置的關(guān)鍵。為此，在滑塊3的另一側(cè)有兩個(gè)杠桿壓緊機(jī)構(gòu)12，可分別繞其軸13轉(zhuǎn)動(dòng)，壓緊機(jī)構(gòu)的另一端各自有一個(gè)軸承14，分別頂壓在滑塊3前后兩端的側(cè)壁上，保證了滑塊3在滑動(dòng)時(shí)始終貼合在側(cè)定位擋塊4上，壓力由彈簧15提供；同理，滑塊3的上方也由兩個(gè)杠桿壓緊機(jī)構(gòu)16對(duì)其進(jìn)行施壓，兩個(gè)杠桿可分別繞其軸17旋轉(zhuǎn)，杠桿的一端頂住壓縮彈簧19，另一端是延伸至上端的軸承18，壓在滑塊3的頂面上，實(shí)現(xiàn)了滑板3移動(dòng)時(shí)底面始終與平板2貼合。至此，滑塊3在水平和垂直兩個(gè)方向均被限制，保證了其直線滑動(dòng)時(shí)的高精度，亦即動(dòng)基準(zhǔn)球5球心具有很高的重復(fù)定位精度。

平行反光鏡8在垂直方向的支撐是通過磁懸浮的方式實(shí)現(xiàn)的，也即在平行反光鏡8的底部安裝有磁鐵（圖3中未顯示），與其對(duì)應(yīng)的下方平板2上也安裝有兩個(gè)磁鐵20，上下兩磁鐵同極性相對(duì)安裝，磁懸浮力平衡了平行反光鏡8自身的重力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平行反光鏡8在垂直方向的支撐。

滑塊3的尾端由復(fù)位彈簧21頂住，復(fù)位壓力的調(diào)節(jié)由螺釘22調(diào)節(jié)復(fù)位彈簧的壓緊程度實(shí)現(xiàn)。23是滑塊3上的推鈕，24是與平板3固連的把手。

1.2垂直度光學(xué)測(cè)量裝置的操作使用

使用時(shí)，兩手指同時(shí)捏動(dòng)推鈕23和把手24，將滑塊3移向右端，動(dòng)基準(zhǔn)球頭5遠(yuǎn)離定基準(zhǔn)球頭6，將標(biāo)準(zhǔn)零件（即零垂直度誤差零件）作為被測(cè)零件9置于定、動(dòng)基準(zhǔn)球頭之間，松開推鈕23，動(dòng)基準(zhǔn)球頭5在復(fù)位彈簧21回復(fù)推力的作用下向左端移動(dòng)，將標(biāo)準(zhǔn)零件頂持在定、動(dòng)基準(zhǔn)球頭之間，再將平行反光鏡8貼合在標(biāo)準(zhǔn)零件的端面上，用自準(zhǔn)直儀11對(duì)準(zhǔn)平行反光鏡8的另一側(cè)反光面，調(diào)整自準(zhǔn)直儀11，直至其反射光標(biāo)與自身的十字線中心重合，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)零件的標(biāo)準(zhǔn)端面法線（即零誤差端面法向）方向被確定，取下標(biāo)準(zhǔn)零件，取而代之以實(shí)際被測(cè)零件9，按同樣方法讀取自準(zhǔn)直儀11中返回光標(biāo)的偏差值，此偏差值即為被測(cè)零件的垂直度角度誤差，偏差方向即為端面法線的方位角。這種使用標(biāo)準(zhǔn)零件標(biāo)定法線后再檢測(cè)其他被檢測(cè)件的方法較為直觀、快速、方便，但須經(jīng)常進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)法線的標(biāo)定。

實(shí)際檢測(cè)中也可以免去上述先用標(biāo)準(zhǔn)零件標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)法線方向的過程，簡(jiǎn)化為對(duì)被測(cè)零件的直接檢測(cè)，即所謂“對(duì)稱法”，其原理如圖5所示，被測(cè)零件沿標(biāo)準(zhǔn)軸線OO'旋轉(zhuǎn)時(shí)，相隔180°的兩個(gè)光標(biāo)A與A'必落于標(biāo)準(zhǔn)軸線OO'的對(duì)稱位置，A與A'的間距即為垂直度角度偏差值的2倍，由此同樣可以得出其端面垂直度偏差和方位角。具體做法如圖6所示：先記錄第一次光標(biāo)位置A，再將被測(cè)零件繞軸線旋轉(zhuǎn)180°得另一光標(biāo)位置A'，A與A'的間距的一半即為垂直度角度偏差值，A與A'的矢量方向可確定端面法線的方向角α。

圖5　對(duì)稱法測(cè)偏角Fig.5　Measuring deflection angle by using symmetry method

最后通過借助于圖像處理軟件，電腦可直接顯示出垂直度的數(shù)據(jù)值及端面的法向方位角度α。

2　結(jié)論

上述檢測(cè)裝置充分利用了光學(xué)檢測(cè)精度高、速度快、方便直接的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)端面垂直度的檢測(cè)。工程應(yīng)用的實(shí)際結(jié)果表明，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）檢測(cè)精度高，可實(shí)現(xiàn)角秒級(jí)檢測(cè)，精度甚至高于三坐標(biāo)儀。

2）用時(shí)短，效率高，檢測(cè)時(shí)間不足1min，是使用三坐標(biāo)儀的幾十分之一。

3）體積小，造價(jià)低，使用方便，既可用于工序中檢測(cè)，又可用于最終檢測(cè)。

4）對(duì)使用者技能要求低，因擺脫了三坐標(biāo)儀，無需專業(yè)技能人員操作。

因此，該裝置解決了影響生產(chǎn)效率方面的重大瓶頸問題，在工程實(shí)際應(yīng)用上具有重要的意義。

圖6　兩光標(biāo)點(diǎn)確定偏差角及法向方位角Fig.6　Measuring deflection angle and normal angle by two cursor spots

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The Device for Perpendicularity Measurement of End Surface of Rotor for Hemisphere Dynamic Pressure Motor

DUAN Rong，XUE Feng-ju，DONG Jun-hua
（Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

The in-process perpendicularity measurement of end surface of rotor for hemisphere dynamic pressure motor has been a main bottleneck affecting production efficiency because we have no ideal measurement method so far. Currently，we have to rely on the three-coordinates measuring instrument for the measurement.The production efficiency is badly affected due to frequent measurement，multi points measurement and time consuming.The perpendicularity measurement device is introduced in this paper，which is developed based on the principle of optical detection.The results of practical engineering application shows that this device features simple operation，high precision and fast，greatly increased the measurement efficiency.It has great practical significance in improving production efficiency.

hemisphere dynamic pressure motor；dual bowl；ball center line；perpendicularity of end surface

U666.1

A

1674-5558（2016）05-01090

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.017

2015-03-17

段榮，男，機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閼T導(dǎo)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。