數(shù)控車床上軸類零件圓柱度誤差的快速測(cè)量方法研究

俞凌

摘 要：本文以圓柱度誤差測(cè)量方法為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)有的數(shù)控車床加工的零件圓柱度誤差進(jìn)行測(cè)量分析，提出通過(guò)位移傳感器的方法進(jìn)行圓柱度誤差測(cè)量。通過(guò)該方法的使用，可以實(shí)現(xiàn)零件加工過(guò)程中，不需要取下零件，直接在車床上進(jìn)行圓柱度誤差的測(cè)量，有效的提高了數(shù)控車床零件表面圓柱度測(cè)量的精度和效率。

關(guān)鍵詞：圓柱度、測(cè)量、數(shù)控車床、位移傳感器

中圖分類號(hào)： Tg519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）10 （C）-0000-00

0 導(dǎo)言

零件在生產(chǎn)加工過(guò)程中，其精度是決定產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。軸類零件在數(shù)控車床上生產(chǎn)和加工過(guò)程中，其表面精度控制主要體現(xiàn)在表面粗糙度，圓柱度，直線度等，而又以圓柱度的控制為表面精度控制的難點(diǎn)。一般現(xiàn)有的加工軸類零件中，往往在圓柱度誤差上存在較大的矯正難點(diǎn)。圓柱度的誤差也往往會(huì)影響到表面的配合性質(zhì)，定位精度，從而也直接或間接地影響到了設(shè)備的回轉(zhuǎn)精度、零件的振動(dòng)、噪聲、密封性等[1]?。

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的測(cè)量方法的綜述和分析，總結(jié)不足，提出通過(guò)位移傳感器的方法進(jìn)行圓柱度誤差測(cè)量。通過(guò)該方法的使用，可以實(shí)現(xiàn)零件加工過(guò)程中，不需要取下零件，直接在車床上進(jìn)行圓柱度誤差的測(cè)量，有效的提高了數(shù)控車床零件表面圓柱度測(cè)量的精度和效率。

1 常見(jiàn)測(cè)量方法

目前常見(jiàn)的測(cè)量方法有半徑測(cè)量法，三坐標(biāo)測(cè)量法，兩點(diǎn)法，三點(diǎn)法等測(cè)量方法，其特點(diǎn)均需要將零件取下車床進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，進(jìn)而確定圓柱度誤差。

（1）半徑測(cè)量法；半徑測(cè)量法在測(cè)量過(guò)程中，以側(cè)頭相對(duì)于被測(cè)圓柱面移動(dòng)的軌跡，模擬理想圓柱面。半徑變化量即為實(shí)際圓柱面上采樣點(diǎn)相對(duì)于理想圓柱面的偏離量。（2）三坐標(biāo)測(cè)量法；通常是在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上按要求測(cè)量被測(cè)零件各個(gè)截面輪廓點(diǎn)的坐標(biāo)值，再利用計(jì)算機(jī)計(jì)算圓柱度誤差。（3）兩點(diǎn)法；通常利用檔鐵依靠被測(cè)零件，百分表側(cè)頭緊貼零件表面，在給定截面上回轉(zhuǎn)零件，測(cè)得該截面內(nèi)百分表的最大值和最小值，通過(guò)做差法計(jì)算零件的圓柱度誤差值。（4）三點(diǎn)法；通常利用V型塊固定零件，百分表側(cè)頭百分表側(cè)頭緊貼零件表面，在給定截面上回轉(zhuǎn)零件，測(cè)得該截面內(nèi)百分表的最大值和最小值，通過(guò)做差法計(jì)算零件的圓柱度誤差值。該方法和兩點(diǎn)法的區(qū)別在于固定零件的方式上。

目前，在在位測(cè)量上，國(guó)內(nèi)外技術(shù)相對(duì)比較成熟，同時(shí)也有相應(yīng)的案例。比如使用V型塊法測(cè)量大型軸類零件的圓柱度，該方法需要V型塊對(duì)零件進(jìn)行接觸，存在對(duì)零件表面的細(xì)微磨損，同時(shí)也存在導(dǎo)軌的直線度誤差、導(dǎo)軌對(duì)于被測(cè)工件主軸的平行度誤差等缺陷[2]。

2 位移傳感器法的原理

本文提出一種簡(jiǎn)易的測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)在車床上加工軸類零件過(guò)程中，不需要卸下零件，直接通過(guò)設(shè)置于機(jī)床刀架上的一組相對(duì)設(shè)置的位移傳感器，在主軸慢轉(zhuǎn)的條件下，感應(yīng)零件表面的細(xì)小變化。該方法可以實(shí)現(xiàn)精度達(dá)到10-100μm左右精度，滿足現(xiàn)有大部分零件精度要求。

如圖1所示，傳感器為位移傳感器，定距離相對(duì)180度設(shè)置兩個(gè)，距離為L(zhǎng)0。該組傳感器利用傳感器基座進(jìn)行固定，為便于移動(dòng)測(cè)量不同截面圓柱度誤差，改組傳感器基座可通過(guò)磁鐵吸附于機(jī)床刀架，確保了直線位移的精確性。

以位置X1為例，當(dāng)測(cè)量該截面時(shí)，傳感器通過(guò)刀架位移至位置1，同時(shí)主軸可用S50的速度旋轉(zhuǎn)。位移傳感器1檢測(cè)改點(diǎn)與零件表面的數(shù)據(jù)集合L1，位移傳感器2檢測(cè)改點(diǎn)與零件表面的數(shù)據(jù)集合L2，可計(jì)算出該截面的直徑集合L：

L=L0-L1-L2

該結(jié)果通過(guò)計(jì)算可以得到實(shí)際零件表面在該截面上的圓柱度誤差制值。

假設(shè)機(jī)床機(jī)床中心軸和零件中心軸為重合的。要計(jì)算零件表面到零件中心軸Z之間的半徑R，應(yīng)該考慮傳感器中心位置Z0與零件中心軸Z之間的水平偏差Ea，以及兩個(gè)傳感器中心位置Z0與零件中心軸Z之間的垂直偏差Ev。

對(duì)于水平偏差Ea，因?yàn)樗鶞y(cè)零件為軸類零件，直徑處即為量數(shù)值最大處，故可以通過(guò)在測(cè)量之前手工調(diào)整的方式進(jìn)行找正。具體方式為使用手輪控制刀架機(jī)床X軸方向移動(dòng)，時(shí)事關(guān)注L量的變化，最大處即為直徑處（Ea量控制到接近0）。

因?yàn)榇怪狈较蚱繜o(wú)法通過(guò)手動(dòng)找正，但為恒定量。同時(shí)考慮到傳感器1和傳感器2之間是呈180度相對(duì)設(shè)置的，故在計(jì)算過(guò)程中可將兩組數(shù)據(jù)L1和L2作差，得出的結(jié)果存在一個(gè)恒定的偏量Ev，該偏量即為傳感器中心位置Z0和Z之間的垂直方向偏差，在計(jì)算圓柱度誤差過(guò)程中，該偏量Ev對(duì)誤差值不受影響，如果需要確定實(shí)際半徑R的時(shí)候可以通過(guò)減去Ev量進(jìn)行校正。

最終取該截面零件實(shí)際半徑R值集合為：

R=L/2

取改組數(shù)據(jù)中最大與最小值差值可得到該截面圓度誤差：

Ci=Rmax-Rmin=（Lmax-Lmin）/2

取多組數(shù)據(jù)（一般取4-8組）半徑集合R，可測(cè)得該零件的圓柱度誤差CY，即為Ci中最大值。

CY=Cimax

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程即數(shù)據(jù)處理

通過(guò)對(duì)位移傳感器法測(cè)量軸類零件的圓柱度方式的原理分析，以實(shí)際加工零件一組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本次采用的零件為Φ150-Φ100*200臺(tái)階圓軸。使用的機(jī)床為CK6140發(fā)耐克數(shù)控系統(tǒng)車床，進(jìn)給量0.04-2.16mm。同時(shí)，考慮到測(cè)量溫度對(duì)零件膨脹的影響，在接近20 ℃，零件線膨脹量最?。ń^對(duì)值）[3]。本次實(shí)驗(yàn)室車間室內(nèi)溫度為20℃。

如圖所示，分別在Φ150和Φ100圓柱外表面選取四個(gè)測(cè)量截面直徑（L），通過(guò)Ci=Rmax-Rmin=（Lmax-Lmin）/2

計(jì)算得到該截面圓度Ci，數(shù)據(jù)如表1及表2。

此處圓度Ci取0.057。所以該表面的圓柱度為CY=0.057mm=57μm。

同時(shí)，該零件Φ150和Φ100兩處圓柱表面用專業(yè)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)得圓柱度值為68μm和64μm?？梢?jiàn)該方法測(cè)量圓柱度是可靠的。

4 誤差分析

運(yùn)用位移傳感器法測(cè)量軸類零件的圓柱度主要誤差來(lái)源包括位移傳感器固定基座在刀架移動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)等因素均可引起圓柱度測(cè)量誤差。其主要誤差來(lái)源和解決方法如下：

（1）基座在跟隨刀架移動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)引起的誤差，可通過(guò)減小刀架進(jìn)給量來(lái)減小。

（2）水平方向偏差找正過(guò)程中人工讀數(shù)存在的誤差，該誤差可通過(guò)多次往復(fù)找正實(shí)現(xiàn)誤差最小化。

（3）機(jī)床導(dǎo)軌等機(jī)械設(shè)備的誤差，偶然誤差的存在，該誤差為必然存在的誤差，可通過(guò)多次測(cè)量實(shí)現(xiàn)誤差最小化。

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用位移傳感器法測(cè)量軸類零件的圓柱度可以有效得到可靠的圓柱度誤差數(shù)據(jù)，與現(xiàn)有的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x得出的結(jié)論精度相近。同時(shí)該方法可以實(shí)現(xiàn)零件在數(shù)控車床上在位測(cè)量，減小了零件拆裝對(duì)誤差測(cè)量的影響，可實(shí)現(xiàn)即測(cè)即加工，實(shí)現(xiàn)在車床加工過(guò)程中快速測(cè)量零件圓柱度的效果。

參考文獻(xiàn)：

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