周　強　張秋爽

(北京航空航天大學，北京 100191)

0　引言

油管接箍在線測量裝置用于錐形內螺紋的在線測量。該裝置通過被動接觸法進行測量來獲取內螺紋表面二維輪廓離散數(shù)據(jù)。在被動接觸法測量時，通常選用彈簧作為被動接觸力維持裝置。但是在油管接箍在線測量裝置中，如果利用彈簧維持測針被動接觸力，彈簧彈力隨測針徑向伸縮量的變化而變動，導致被動接觸力隨之變動，會造成以下不利影響：

1)測針與內螺紋表面形成擠壓，內螺紋表面發(fā)生形變，影響測量精度；

2)劃傷內螺紋表面，導致內螺紋失效；

3)被動接觸力變動較大，影響測量速率的進一步提高。

為克服上述缺陷，在線測量裝置利用微型氣缸代替彈簧維持測針與內螺紋表面的被動接觸力。根據(jù)氣體分子動理論，在內部空氣體積發(fā)生變化時，氣缸內氣體壓力可以保持不變。這樣，既滿足了測針伸縮運動的要求，又可以維持測針與內螺紋的被動接觸力基本恒定，從而提高測量精度和速度。

1　在線測量裝置原理

油管接箍在線測量裝置機械結構如圖1所示，測量裝置采用機械接觸式測量結構，測針相當于一個微型輪廓儀。測量時，首先使測針伸出并由被動接觸力維持裝置維持其緊貼在油管接箍內螺紋內壁上；之后，計算機控制步進電機帶動測針沿油管接箍軸向運動并記錄運動軌跡xi；測針沿軸向運動的同時，內螺紋軸向截面齒形輪廓線推動測針作徑向運動，徑向安裝有高密度位移傳感器，可檢測出徑向相對位移yi。這樣，隨著測量的進行，即可獲得一系列二維數(shù)據(jù)(xi,yi)(i=1,2…n)。之后通過算法程序計算基本參數(shù)、導出參數(shù)并保存。至此，一個測量周期結束。

圖1　測量裝置機構簡圖

2　被動接觸力的維持方法及原理分析

從上述測量過程可以看出，接觸力的變化會導致測量精度與速度降低、劃傷內螺紋等問題，因此測針與內螺紋截面齒形的接觸力最好為恒力。但是對于內螺紋這樣復雜的曲線，維持接觸力始終恒定非常困難。通過數(shù)據(jù)處理算法中的截面齒形建模不難看出，被測的內螺紋截面齒形可以分為直線段和曲線段部分，而直線段部分數(shù)據(jù)采集的精度對特性參數(shù)估算非常重要，在直線段部分使測針的接觸力保持恒定具有重要意義。

2.1　彈簧維持裝置原理分析

利用彈簧維持測針被動接觸力原理如圖2所示。

圖2　彈簧維持裝置原理圖

彈簧的作用是維持測針與內螺紋表面接觸，因此，彈簧在整個測量過程中始終處于壓縮狀態(tài)。

設在x2位置時，彈簧壓縮量為Δy，那么在x1位置壓縮量為Δy+Δy1，在x3位置壓縮量為Δy+Δy3，測針與內螺紋表面的法向接觸力:

Fn2=k×Δy×sinΦ

(1)

Fn3=k×(Δy+Δy3)×sinΦ

(2)

式中，k為彈簧彈性系數(shù)；Φ為內螺紋直線段與豎直方向夾角。

如果Fn2處于直線段頂端，而Fn3處于直線段底端，那么在直線段測量過程中，測針與內螺紋法向接觸力變化的最大差值為：

ΔFnmax=Fn3-Fn2=k×Δy3×sinΦ

(3)

顯然，在直線段測量中，利用彈簧維持被動接觸力時，法向被動接觸力變動較大。

2.2　微型氣缸維持裝置原理分析

微型氣缸維持裝置機械結構簡圖如圖3所示。

圖3　微型氣缸維持裝置機構圖

感應板和測針以及兩個微型氣缸固連在一起。測量時，測針在頂桿帶動下沿Y軸方向伸出，使測針緊密貼合在油管接箍內螺紋齒形上，并保持一定的接觸力。不測量時，測針可以在微型氣缸的作用下縮回，避免與油管接箍內螺紋齒形接觸。

微型氣缸作用下被動接觸力如圖4所示。

圖4　被動接觸力示意圖

根據(jù)氣體的壓強公式：

(4)

Fn=F×sinΦ

(5)

內螺紋直線段傾角Φ為常量，因此，法向接觸力也保持恒定。

3　被動接觸力仿真分析

油管接箍內螺紋一個周期齒形如圖5所示。

圖5　內螺紋截面齒形建模

通過對油管接箍內螺紋進行理論分析和數(shù)學推導，可以得出內螺紋截面齒形的數(shù)學模型：

1)0≤x≤0.4

(6)

2)0.4≤x≤0.8

(7)

3)0.8≤x≤2

(8)

4)2≤x≤2.8

(9)

5)2.8≤x≤3.2

(10)

3.1　彈簧維持裝置仿真分析

步進電機帶動測針運動的過程中，彈簧力要維持測針始終與內螺紋表面接觸。這樣，當步進電機帶動測針運動到A點(如圖5，內螺紋最高點)，彈簧的理想狀態(tài)是處于原長，這樣在一個內螺紋周期內的其它任何一點，彈簧壓縮量=A點縱坐標-該點縱坐標。根據(jù)相關參數(shù)可得：

(11)

在任意一點，測針與內螺紋在豎直方向的接觸力:

Fy=k×Δx

(12)

各點的法向接觸力：

1)0≤x≤0.4

(13)

2)0.4≤x≤0.8

(14)

3)0.8≤x≤2

(15)

4)2≤x≤2.8

(16)

5)2.8≤x≤3.2

(17)

據(jù)此，可繪制出彈簧維持裝置作用下，測針與內螺紋表面接觸力沿軸向變化曲線，如圖6所示。

利用彈簧維持裝置，在測針沿軸向運動時，被動接觸力變動較大，且彈簧彈性系數(shù)取不同值時，接觸力變動也不同：彈性系數(shù)越小，接觸力變動越小。但是彈性系數(shù)過小的話，由于彈簧力不足，會導致測量時測針與內螺紋脫離，造成較大測量誤差。

圖6　彈簧作用下接觸力變化曲線

3.2　微型氣缸維持裝置仿真分析

采用微型氣缸維持裝置，理論分析及實踐表明，測針與內螺紋表面的接觸力是一個微恒力。在仿真實驗中，直線段接觸力為恒力，圓弧段接觸力呈微小的正弦波動，如圖7所示。

圖7　微型氣缸作用下接觸力變化曲線

因此，微型氣缸維持測針與內螺紋表面接觸，既保證了足夠小的接觸力，又可以提高測量速度和精度。

4　被動接觸力控制實驗

原理分析和仿真實驗表明被動接觸力的微型氣缸維持裝置優(yōu)于彈簧維持裝置。為進一步驗證被動接觸力氣缸維持方法的可行性和效果，在現(xiàn)場進行下列實驗以檢驗測量裝置的測量結果及精度。

4.1　重復測量實驗

將某一油管接箍手工安裝在測量裝置的裝卡位置上并卡好，利用微型氣缸維持被動接觸力，進行連續(xù)、重復的128次測量。

重復實驗數(shù)據(jù)如表1所示。可以看出，微型氣缸維持下各項參數(shù)重復測量值的標準差都很小，證明了測試系統(tǒng)的重復精度很高。

表1　一次裝卡主要實驗數(shù)據(jù)　(單位：mm)

4.2　手工檢測量規(guī)對比實驗

在某個油管接箍的特定位置采用檢測量規(guī)進行測量，在同樣的位置，在被動力的氣缸維持方式下進行測量。將手工檢測量規(guī)測量結果與氣缸維持方式下的測量結果相比較，判斷被動力的氣缸法維持方法的測量效果。實驗結果如表2所示。從實驗結果可以看出氣缸維持方式下螺距和齒高的離散性可以達到檢測量規(guī)的測量精度，但錐度的離散性偏大。

表2　測量實驗結果對照表　(單位：mm)

5　結論

理論分析、仿真和實驗表明，氣缸維持測針與內螺紋表面接觸力可以使測針與內螺紋截面齒形輪廓直線段的法向和切向接觸力保持恒定不變，與傳統(tǒng)的彈簧維持裝置相比，具有接觸力小、接觸力變動小、不易劃傷內螺紋的優(yōu)點，且可以在步進電機快速運轉情況下仍保持較高的測量精度。

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