張波 曾燕華 張文建 唐冬梅 / 上海市計量測試技術研究院

渦輪部件及螺柱標準件同軸度測量系統(tǒng)

張波 曾燕華 張文建 唐冬梅 / 上海市計量測試技術研究院

根據(jù)渦輪部件及螺柱標準件的同軸度測量需求，研制了一套測量渦輪部件及螺柱標準件同軸度的檢具，并創(chuàng)建了基于LabVIEW的測量軟件。對渦輪部件及螺柱標準件的同軸度進行了實際測量，并進行了測量不確定度評定。研究結論表明，同軸度的測量結果達到預定的技術要求，所研制的同軸度測量系統(tǒng)適用于渦輪部件及螺柱標準件的同軸度測量。

同軸度測量；渦輪部件；螺柱標準件；LabVIEW；不確定度

0 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結構轉型，以及機械制造業(yè)發(fā)展速度的日益加快，各機械產(chǎn)品制造廠商和客戶對機械產(chǎn)品的加工質(zhì)量、裝配精度的要求越來越高。渦輪增壓器與變速箱在機械行業(yè)中應用非常廣泛，而螺柱標準件在渦輪增壓器和變速箱中的應用又十分普遍，因此，為保證渦輪增壓器和變速箱的裝配精度就必須先保證渦輪部件及螺柱標準件的尺寸準確度，其中同軸度是衡量其尺寸準確度的一個重要參數(shù)。

本課題主要針對沒有頂尖孔的渦輪部件和螺柱標準件同軸度的測量技術空白，提出了一種渦輪部件及螺柱標準件同軸度的測量方法，并設計相應的檢具以及用虛擬儀器的方法達到測量同軸度的目的。課題研制的同軸度測量檢具可以很好地完成對螺紋同軸度的測量，解決機械行業(yè)中重要部件的量值溯源工作。

1 檢具硬件設計

本課題設計的渦輪部件及螺柱標準件同軸度測量檢具由底座、V形夾緊機構、導軌測量機構和電感測頭四部分組成。

底座是整個檢具的基礎，V形夾緊機構和導軌測量裝置都固定在底座上，兩個電感測頭固定在與被測螺柱標準件等高的位置上，檢具總體結構如圖1所示。在用檢具測量被測標準件同軸度時，被測標準件的圓柱部分被壓緊在V形架上，滾動軸承帶動被測標準件沿圓周旋轉的過程中，測針在螺紋的帶動下沿標準件軸線的方向以一個周期一個螺距的速度移動。螺柱標準件具有不同的規(guī)格，所以本文根據(jù)螺紋規(guī)格設計了幾種最佳三針直徑的測頭，以滿足螺柱標準件同軸度的測量需求。

圖1 同軸度測量檢具

本課題選擇差動電感式位移傳感器，并選用了三門峽中原量儀股份有限公司生產(chǎn)的型號為DG03的電感測頭，其分辨力0.1 μm，量程±1.0 mm，輸出電壓的靈敏度70 mV/mm。此電感測頭測力較小，在0.55 ～ 0.75 N之間，這有利于減小測力引起的測量變形。檢具中兩個電感測頭固定在與被測標準件等高、且與被測標準件軸線垂直的位置上。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機軟件三部分組成。

傳感器的靈敏度為70 mV/mm，被測標準件的同軸度在幾微米，所以傳感器輸出的電壓信號只有零點幾毫伏，不能直接被數(shù)據(jù)采集卡讀取，從而需要設計信號調(diào)理電路對傳感器的輸出信號進行調(diào)理，以對傳感器輸出信號進行放大。本文采用高精度運算放大器來對其進行放大處理，選用AD620儀表放大器，并通過兩級運放來得到所需的放大倍數(shù)。

經(jīng)放大電路放大之后的信號可以被數(shù)據(jù)采集卡讀取。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用USB5935數(shù)據(jù)采集卡，它基于USB總線，可直接插在計算機的USB接口上，將數(shù)據(jù)輸入計算機即可進行分析和處理。

從數(shù)據(jù)采集卡輸出的信號到達計算機后通過LabVIEW軟件來顯示。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用LabVIEW設計了圖形化顯示界面來顯示同軸度測量變化曲線，并將兩個曲線對應點相減之后絕對值的最大值，即被測標準件的同軸度值顯示出來。本系統(tǒng)采用了LabVIEW程序設計中的生產(chǎn)者/消費者模式。生產(chǎn)者循環(huán)即數(shù)據(jù)產(chǎn)生/采集端產(chǎn)生數(shù)據(jù)后先放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當消費者循環(huán)即數(shù)據(jù)顯示/分析需要使用數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析時，則從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)即可。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集設置和數(shù)據(jù)采集與結果顯示兩個模塊。數(shù)據(jù)采集設置模塊主要有通道設置、定時設置和記錄設置等。數(shù)據(jù)采集設置主要是對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道、接線端配置以及最大/最小電壓進行設置。定時設置主要是對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣時鐘源、采樣數(shù)、采樣模式、采樣率等進行設置。而記錄設置則主要是對采集系統(tǒng)的記錄模式進行設置，以及指定用于記錄數(shù)據(jù)的TDMS文件的路徑。數(shù)據(jù)采集設置前面板和數(shù)據(jù)采集結果顯示面板分別如圖2和圖3所示。

3 測量實驗與分析

本次實驗主要對螺柱標準件M12進行測量。測量在溫度（20±0.3）℃、濕度53% RH的實驗室進行。在實際測量時，根據(jù)被測標準件的螺紋規(guī)格選擇相應直徑的測針，并把它固定在導軌測量裝置上。調(diào)整垂直于被測標準件軸線方向的導軌，使得測量時測針有合適的測量力。用一根圓柱度小于0.5 μm的小圓棒固定在V形架上，并把測針壓緊在小圓棒上，調(diào)整導軌的方向，使左右兩根導軌在20 mm行程中LabVIEW界面顯示的最大值變化小于1 μm，這就可以使測量檢具中由于導軌和螺柱標準件的基準軸線不平行而帶入的同軸度測量誤差小于1 μm。接著把被測螺柱標準件M12的圓柱部分壓緊在V形架上，把測針放入螺紋中，將讀數(shù)清零。驅動滾動軸承，使被測標準件均勻旋轉，左右兩邊電感測微儀示值之差t中的最大值（絕對值）t（max）作為該被測標準件的同軸度誤差。然后重復測量多次，并求其平均值作為同軸度測量結果。

圖2 數(shù)據(jù)采集設置前面板

圖3 數(shù)據(jù)采集結果顯示前面板

對螺柱標準件M12進行了四次測量，實驗結果如圖4 ～圖7所示。圖中的縱坐標為左右兩邊電感測微儀示值之差t。

圖4 第一次測量數(shù)據(jù)

圖5 第二次測量數(shù)據(jù)

圖6 第三次測量數(shù)據(jù)

圖7 第四次測量數(shù)據(jù)

由圖4 ～ 圖7的實驗數(shù)據(jù)可以看出，四次測量得到的t（max）在6.3 ～ 6.5 μm范圍內(nèi)。實驗結果表明，該同軸度測量檢具在相同的實驗條件下對同軸度的測量具有良好的重復性。

4 測量不確定度評定

測量模型：

t=|Ma- Mb|

式中：Ma— 左邊電感測微儀的示值；

Mb— 右邊電感測微儀的示值

輸入量t的測量不確定度來源主要有：

1）渦輪部件及螺柱標準件同軸度測量檢具測量同軸度時測量重復性引起的標準不確定度u（|Ma-Mb|）；

2）電感測頭的分辨力引起的標準不確定度u（ δ|Ma- Mb|）；

3）電感測頭的示值誤差引起的標準不確定度u（ Δ|Ma- Mb|）；

4）由膨脹系數(shù)差引起的標準不確定度u（δα）；

5）由溫差引起的標準不確定度u（δt）；

6）由電感測頭的測力引起的標準不確定度u（ F|Ma- Mb|）；

7）由三針的形狀誤差引起的標準不確定度u（ x|Ma- Mb|）；

8）由于導軌和螺柱標準件的基準軸線不平行引起的標準不確定度u（ΔP）；

9）由于電感測頭和螺柱標準件的基準軸線不垂直引起的標準不確定度u（ΔS）；

10）由于測量時平行四邊形機構上下有微量移動，由測量接觸面的平面度引起的標準不確定度u（ΔC）；

11）由于測量時平行四邊形機構上下有微量移動，測量值和實際值的偏差引起的不確定度u（ΔD）。

表1 主要測量不確定度來源及計算結果匯總表

以上各標準不確定度分量相互獨立。合成不確定度：

擴展不確定度（取k= 2）：

主要測量不確定度來源及計算結果匯總見表1。

5 結語

本文以渦輪部件及螺柱標準件同軸度測量方法為研究對象，完成了渦輪部件及螺柱標準件同軸度測量檢具的機械設計和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設計，然后通過實驗對所設計的渦輪部件及螺柱標準件同軸度測量檢具的測量結果進行驗證。實驗和測量不確定度評定結果表明，同軸度測量結果的不確定度為3 μm，達到預期目標。

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Coaxiality measurement system of turbine components and stud standard parts

Zhang Bo， Zeng Yanhua， Zhang Wenjian，
Tang Dongmei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

According to the demands of coaxiality measurement for turbine components and stud standard parts， a set of checking fixture is developed in this paper， and a software based on LabVIEW is built for the measurement.The experimental investigation for coaxiality measurement of turbine components and stud standard parts is conducted， and the measurement uncertainty is evaluated.The research conclusions show that the results of coaxiality measurement reaches the technical requirement，and the developed measurement system is appropriate for coaxiality measurement of turbine components and stud standard parts.

coaxiality measurement； turbine component； stud standard part； LabVIEW； uncertainty