一種基于千分表的大孔徑精密檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

吳光輝

(婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000)

0 引言

某廠生產(chǎn)的一批高精度大孔徑系列零件，孔徑范圍在Φ500～1000H7，精度比較高，目前常用的接桿式內(nèi)徑千分尺如圖1所示，是在普通內(nèi)徑千分尺的基礎(chǔ)上，通過(guò)一根加長(zhǎng)的連接桿來(lái)實(shí)現(xiàn)大尺寸內(nèi)徑的測(cè)量，存在測(cè)量力不恒定、準(zhǔn)確性和效率都比較低等不足，為提高檢測(cè)效率和檢測(cè)可靠性，需設(shè)計(jì)一款高精度、易操作的檢測(cè)裝置，用于該系列零件的檢測(cè)。

圖1 接桿式內(nèi)徑千分尺

1 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)的主體是一個(gè)具有可伸縮結(jié)構(gòu)的桿形支座，兩測(cè)頭位于支座的兩端，其中包括一個(gè)彈性測(cè)頭，同時(shí)設(shè)計(jì)有把手、千分表座等滿(mǎn)足功能和使用的結(jié)構(gòu)。測(cè)量時(shí)，先根據(jù)被測(cè)對(duì)象調(diào)整桿形支座的伸縮桿，將測(cè)量裝置的整體長(zhǎng)度調(diào)整至略長(zhǎng)于被測(cè)內(nèi)徑并鎖緊，記錄下此時(shí)測(cè)量裝置的自然長(zhǎng)度L，然后壓縮彈性測(cè)頭將測(cè)量裝置卡入被測(cè)內(nèi)徑，彈性測(cè)頭將帶動(dòng)千分表壓縮，壓縮量為Δ，則被測(cè)內(nèi)徑D=L-Δ，該測(cè)量裝置的原理如圖2所示。

圖2 測(cè)量裝置原理

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量桿設(shè)計(jì)

測(cè)量桿是該測(cè)量裝置的主體，整體長(zhǎng)度與檢測(cè)對(duì)象相對(duì)應(yīng)，檢測(cè)對(duì)象基本尺寸越大，則測(cè)量桿長(zhǎng)度也越長(zhǎng)。內(nèi)部為中空設(shè)計(jì)，可以容納彈性裝置等其他零部件。為滿(mǎn)足裝配的方便性和零件的加工工藝要求，將測(cè)量桿分解成三段長(zhǎng)度接近的套筒，用連接柱將三段套筒連成一體，并在外部中間段的外部設(shè)計(jì)了具有防滑效果的橡膠套，便于抓握使用。因測(cè)量桿彈性測(cè)頭一側(cè)的內(nèi)部設(shè)計(jì)有彈性結(jié)構(gòu)，故還設(shè)計(jì)了一個(gè)帶螺紋的堵蓋，測(cè)量桿的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)量裝置主體裝配圖

2.2 活動(dòng)測(cè)頭及組件設(shè)計(jì)

活動(dòng)測(cè)頭及其附件是由活動(dòng)測(cè)頭、活動(dòng)測(cè)頭座和彈簧組成的一個(gè)可以伸縮的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，活動(dòng)測(cè)頭與活動(dòng)測(cè)頭座通過(guò)一個(gè)M10的螺紋連成一體，在堵蓋的作用下對(duì)彈簧進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲嚎s。當(dāng)測(cè)量時(shí)，活動(dòng)測(cè)頭1接觸到被測(cè)對(duì)象并收到測(cè)量對(duì)象的反作用力，反作用力帶動(dòng)活動(dòng)測(cè)頭座向右移動(dòng)，壓縮彈簧發(fā)生形變，彈簧彈力的大小便是該測(cè)量裝置測(cè)量力的大小，有研究表明，測(cè)量力與測(cè)量精度存在直接的關(guān)系[1]。由該測(cè)量裝置的原理可知，每次測(cè)量時(shí)，活動(dòng)測(cè)頭的壓縮量非常小，所以，該測(cè)量裝置的測(cè)量力基本恒定，可最大限度的消除由測(cè)量力波動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

圖4 測(cè)量裝置原理

2.3 固定測(cè)頭及組件設(shè)計(jì)

固定測(cè)頭及其組件如圖5所示，固定測(cè)頭的結(jié)構(gòu)與活動(dòng)測(cè)頭完全一致，這樣有利于測(cè)量裝置后期的維護(hù)和零件更換。固定測(cè)頭座通過(guò)兩個(gè)螺釘與固定測(cè)頭套筒聯(lián)接，通過(guò)改變固定套筒座的位置可以調(diào)節(jié)固定套筒座伸出的長(zhǎng)度，從而調(diào)節(jié)整個(gè)測(cè)量裝置的初始長(zhǎng)度，本設(shè)計(jì)針對(duì)檢測(cè)對(duì)象基本尺寸為500 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，其初始長(zhǎng)度范圍為495～525 mm。測(cè)量裝置的調(diào)節(jié)范圍由固定測(cè)頭座上的鍵槽控制。

圖5 測(cè)量裝置原理

2.4 表架及附件設(shè)計(jì)

表架及附件包括表架、觸頭和觸頭座，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6所示，表架的作用是將千分表可靠的固定于測(cè)量裝置上，千分表與表架的鎖緊及表架與測(cè)量裝置的鎖緊均采用最簡(jiǎn)單的螺紋連接，觸頭座通過(guò)過(guò)盈配合固定于活動(dòng)測(cè)頭座上，觸頭座與千分表之間又設(shè)置了一個(gè)觸頭，以保證千分表的測(cè)頭與觸頭座充分接觸。表架及其附件的裝配需確保千分表與觸頭接觸并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮量，這是測(cè)量裝置準(zhǔn)確測(cè)量的重要因素，預(yù)壓縮量的設(shè)置與表的結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)于大指針轉(zhuǎn)一周為1 mm的，預(yù)壓縮8～25個(gè)分度，對(duì)于大指針轉(zhuǎn)一周為0.5 mm的，預(yù)壓縮4～12個(gè)分度[2]。

圖6 測(cè)量裝置原理

2.5 測(cè)量裝置整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)設(shè)計(jì)在UG軟件中進(jìn)行，零件設(shè)計(jì)完成后，在UG的裝配環(huán)境下完成裝置的三維總裝并導(dǎo)出二維總裝圖，如圖7所示。圖示檢測(cè)裝置的檢測(cè)范圍為495～525 mm，而檢測(cè)對(duì)象的系列尺寸跨度范圍為500～1000 mm，更換長(zhǎng)度合適的固定測(cè)頭套筒15和固定測(cè)頭座16，便可獲得相應(yīng)的檢測(cè)范圍。

圖7 測(cè)量裝置三維總裝圖

3 儀表的選用

該測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)中，儀表的正確選用是保證測(cè)量精度的基礎(chǔ)。該測(cè)量裝置將用于Φ500～Φ1000 mm內(nèi)孔直徑的檢測(cè)，尺寸精度為IT7級(jí)。為了確保檢測(cè)儀檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)對(duì)三個(gè)范圍的內(nèi)孔直徑尺寸進(jìn)行計(jì)算，并查出相應(yīng)范圍的公差值，見(jiàn)表1所示。

表1 檢測(cè)尺寸范圍與公差值

根據(jù)互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[4]中量具設(shè)計(jì)相關(guān)理論，儀表的確定需根據(jù)被測(cè)工件情況和相關(guān)表格，確定工件安全裕度A、測(cè)量器具不確定度允許值u1和儀表的不確定度值u1’。其中安全裕度A和測(cè)量器具不確定度允許值u1可以通過(guò)工件公差值查得，儀表的不確定度值u1’可根據(jù)工件的基本尺寸查得，在查取u1’時(shí)，需結(jié)合本測(cè)量裝置的原理綜合考慮。本設(shè)計(jì)中，雖然被測(cè)工件的基本尺寸為500～1000 mm，而實(shí)際使用時(shí)，測(cè)量裝置的主體長(zhǎng)度會(huì)調(diào)整至略大于被測(cè)內(nèi)徑，千分表的實(shí)際測(cè)量是很小的，所以基本尺寸應(yīng)按指示表不確定度表中的第一檔0～25 mm所在行查取且滿(mǎn)足式(1)，A、u1和u1’的值列于表2。

表2 A、u1和u1’的值

u1’

(1)

綜上，本設(shè)計(jì)可選擇的儀表，分度值為0.001 mm或0.002 mm，分度值為0.001 mm的0級(jí)千分表，在全程范圍內(nèi)滿(mǎn)足檢測(cè)要求，1級(jí)千分表在0.2 mm范圍內(nèi)滿(mǎn)足檢測(cè)要求；分度值為0.002 mm的千分表，在1圈范圍內(nèi)滿(mǎn)足檢測(cè)要求。

4 結(jié)論

該測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本低，測(cè)量精度高，測(cè)量力由內(nèi)置彈簧決定，不拘泥于操作者的技術(shù)水平，減少了人工因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

該測(cè)量裝置靈活性好，只需改變固定測(cè)頭套筒，便可對(duì)測(cè)量范圍進(jìn)行較大幅度的調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系列孔徑Φ500～1000H7的檢測(cè)。

該檢測(cè)裝置能對(duì)1000 mm以?xún)?nèi)不高于IT7級(jí)精度要求的大孔徑或槽進(jìn)行驗(yàn)證性檢測(cè)，因受限于測(cè)量裝置主體自重和剛性，不宜再擴(kuò)大檢測(cè)量程和提高精度。

在執(zhí)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的基本尺寸，計(jì)算出驗(yàn)收極限，并根據(jù)驗(yàn)收極限對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)收，而并非直接根據(jù)公差值驗(yàn)收。