秦海波，吳玉國(guó)，時(shí)禮平，王小芍

一種接觸式圓柱體直徑測(cè)量方法及裝置研究

*秦海波，吳玉國(guó)，時(shí)禮平，王小芍

（安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽，馬鞍山 243002）

針對(duì)目前接觸式圓柱體直徑測(cè)量方法的缺陷，提出一種新型的接觸式圓柱體直徑測(cè)量方法，分析了該方法的原理，并對(duì)裝置的總體方案、控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，測(cè)量時(shí)能夠快速準(zhǔn)確地完成圓柱體直徑的測(cè)量，并可為其他回轉(zhuǎn)體零件直徑測(cè)量提供技術(shù)借鑒。

接觸式；圓柱體直徑；測(cè)量方法；裝置

0 引言

圓柱體零件是機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛的一類零件，在制造過程中，受加工設(shè)備精度所限，以及工件在裝夾、調(diào)整過程中存在誤差，使零件產(chǎn)生加工誤差[1]。目前，圓柱體直徑測(cè)量方法有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。其中，接觸法測(cè)量主要有坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量法、電接觸法、尺寸規(guī)劃法等[2-3]，它們的缺點(diǎn)是接觸力的存在會(huì)引起測(cè)桿和測(cè)頭的機(jī)械變形，容易造成較大的誤差；非接觸法主要有光學(xué)測(cè)量法和氣動(dòng)測(cè)量方法等[4-5],但缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴，維修成本較高[6]。本文提出一種圓柱體在兩平行板間轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直徑測(cè)量的方法，該方法具有成本低、效率高、測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

1 測(cè)量原理

測(cè)量原理如圖1所示：

（a）測(cè)量初始位置 （b）某一點(diǎn)的測(cè)量位置

2 測(cè)量裝置

2.1 測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)

1-靜擋板，2-圓柱體工件，3-動(dòng)擋板，4-側(cè)支架，5-連接架，6-線性滑塊，7-上工作臺(tái)，8-X-Y工作臺(tái)，9-燕尾槽導(dǎo)軌，10-彈簧尾架，11-固定支架，12-光柵尺讀數(shù)頭，13-光柵尺主尺，14-主支架

測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其機(jī)械結(jié)構(gòu)由上下兩層組合而成，兩層的結(jié)構(gòu)基本相同，均由滾珠絲杠副與直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副組成。運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器傳給絲杠，使與滾珠螺母相聯(lián)接的滑板沿導(dǎo)軌的承導(dǎo)件移動(dòng)。上層導(dǎo)軌的底板與下層導(dǎo)軌的滑座聯(lián)接在一起，使上層導(dǎo)軌可隨下層導(dǎo)軌的滑座一起移動(dòng)，上層導(dǎo)軌的滑座還可沿其本身的導(dǎo)軌移動(dòng)，從而使與該滑座相聯(lián)接的測(cè)量部分實(shí)現(xiàn)二維運(yùn)動(dòng)。

為了保證導(dǎo)軌具有較高的導(dǎo)向準(zhǔn)確度，每層導(dǎo)軌采用雙導(dǎo)軌導(dǎo)向，滾珠絲杠布置在兩導(dǎo)軌的中間，并使其軸線處于導(dǎo)軌的導(dǎo)向平面內(nèi)，從而消除滑座移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，使滑臺(tái)移動(dòng)平穩(wěn)而靈活。

為了提高滾珠絲杠副的定位準(zhǔn)確度，在每層導(dǎo)軌的軸承座旁安裝了電感傳感器，滑座上安裝了調(diào)節(jié)螺桿，滑座每次退回的精確位置由傳感器測(cè)出，保證了滾珠絲杠的零位準(zhǔn)確，有利于減小累積誤差的影響。

滾珠絲杠的兩端由滾動(dòng)軸承支承，軸承座上還裝有行程開關(guān)，將滑座的行程控制在一定的范圍內(nèi)[7]。

2.2 測(cè)量的工作過程

測(cè)量裝置的工作過程是：通過單片機(jī)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)分別在X和Y方向移動(dòng)，調(diào)節(jié)動(dòng)擋板的位置，使其與靜擋板之間和圓柱體工件剛性接觸，保持靜擋板不動(dòng)，動(dòng)擋板通過摩擦力帶動(dòng)圓柱體工件緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，圓柱體由于制造過程中精度問題會(huì)產(chǎn)生圓柱度誤差，在圓柱體工件移動(dòng)過程中連接動(dòng)擋板的主支架會(huì)帶動(dòng)線性滑塊在X方向有一個(gè)很小的線性位移，由于線性滑塊的尾端安裝有彈簧，從而可以保證兩平行擋板和圓柱體工件之間緊密接觸，同時(shí)安裝在測(cè)量裝置上的光柵尺可以記錄下來該過程中的移動(dòng)距離。而從測(cè)量動(dòng)擋板初始位置到剛接觸圓柱體工件這個(gè)位置的距離我們可以通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)得到，用光柵尺的移動(dòng)距離再加上動(dòng)靜擋板之間的距離即可得出圓柱體工件具體的直徑。

2.3 被測(cè)工件的受力分析

圖3 被測(cè)工件受力分析圖A

則：

由于圓柱體工件在輸送帶上旋轉(zhuǎn)時(shí)，接觸面也將產(chǎn)生摩擦力。摩擦力對(duì)圓柱體軸線之矩即為摩擦力。如圖4所示：

已知圓柱體的尺寸和密度，則圓柱體質(zhì)量為：

圓柱體下底面的總摩擦力矩：

3 結(jié)論

1 本文研究的是一種接觸式圓柱體直徑測(cè)量方法及裝置研究，該測(cè)量裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)本裝置采用X-Y工作臺(tái)，利用單片機(jī)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，速度和效率可以得到有效控制；

2)通過動(dòng)靜兩個(gè)平行擋板直接接觸圓柱體工件，并利用摩擦帶動(dòng)圓柱體工件轉(zhuǎn)動(dòng)，可以方便的測(cè)出圓柱體的最大直徑處的數(shù)值；

3)通過在線性滑塊的尾端安裝一個(gè)彈簧，可以有效的保證動(dòng)擋板與靜擋板可以和圓柱體工件之間緊密接觸。

2 該裝置機(jī)械部分結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，所用傳感器成本低，所以整個(gè)設(shè)備成本較低。本裝置適合于大批量圓柱體零件直徑的檢測(cè)。

[1] 謝鐵邦,李柱,席宏卓.互換性與技術(shù)測(cè)量[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1998.

[2] Bar Shay A. Measuring Cylindrical Concave Surfaces with Large Central Angle by means of a Portable Device[J].Precision Engineering,1990(12):172-178.

[3] 張?jiān)?李智祥,翁顯耀.測(cè)量回轉(zhuǎn)窯輪帶和托盤外徑的新型儀器[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000(4):49-51.

[4] Cordell J L.In-line Inspection:what Technology is Best[J]. Pipe Line Industry,1991(7): 47-58.

[5] 高愛華,田愛玲,趙貴波.基于線陣CCD的尺寸測(cè)量裝置[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2003 (3): 189-190.

[6] 郭飛飛,王寶光.高精度外徑激光自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2010(3):50-53.

[7] 黃其圣,劉善林,馮奇斌.滾珠絲杠與直線滾動(dòng)導(dǎo)軌在測(cè)量中的應(yīng)用[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù),2000(2):22-23.

RESEARCH ON THE METHOD OF MEASUREMENT AND THE MECHANISM OF CONTACT MEASUREMENT FOR THE CYLINDER DIAMETER

*QIN Hai-bo, WU Yu-guo, SHI Li-ping, WANG Xiao-shao

(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Technology, Ma anshan, Anhu 243002, China)

In view of the defect of contact measurement methods of cylinder diameters, a new method was proposed. The principle of the method was analyzed. Furthermore, the overall scheme of the device and the hardware of control system were designed. It can be measured quickly and accurately complete measurement of cylinder diameter and may provide technical reference for other rotating parts diameter measurement.

contact; cylinder diameter; method of measurement; mechanism

TH-39

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.03.016

1674-8085(2013)03-0066-03

2012-12-10；

2013-01-12

*秦海波(1985-)，男，安徽舒城人，碩士生，主要從事機(jī)電一體化方向研究(E-mail: qhb1985@163.com);

吳玉國(guó)(1961-)，男，安徽安慶人，教授，碩士，主要從事機(jī)電一體化系統(tǒng)的研究和開發(fā)(E-mail: ygwu@ahut.edu.cn);

時(shí)禮平(1983-)，男，安徽樅陽人，講師，碩士，主要從事復(fù)合材料及表面工程技術(shù)研究，(E-mail: xiaopingguoshi@163.com);

王小芍(1987-)，女，山東菏澤人，碩士生，主要從事機(jī)電一體化方向研究(E-mail:wangxiaoshao@126.com).