一种接触式圆柱体直径测量方法及装置研究

秦海波，吴玉国，时礼平，王小芍

一种接触式圆柱体直径测量方法及装置研究

*秦海波，吴玉国，时礼平，王小芍

（安徽工业大学机械工程学院，安徽，马鞍山 243002）

针对目前接触式圆柱体直径测量方法的缺陷，提出一种新型的接触式圆柱体直径测量方法，分析了该方法的原理，并对装置的总体方案、控制系统的硬件进行了设计，测量时能够快速准确地完成圆柱体直径的测量，并可为其他回转体零件直径测量提供技术借鉴。

接触式；圆柱体直径；测量方法；装置

0 引言

圆柱体零件是机械行业中应用非常广泛的一类零件，在制造过程中，受加工设备精度所限，以及工件在装夹、调整过程中存在误差，使零件产生加工误差[1]。目前，圆柱体直径测量方法有接触式测量和非接触式测量两种。其中，接触法测量主要有坐标测量机测量法、电接触法、尺寸规划法等[2-3]，它们的缺点是接触力的存在会引起测杆和测头的机械变形，容易造成较大的误差；非接触法主要有光学测量法和气动测量方法等[4-5],但缺点是造价昂贵，维修成本较高[6]。本文提出一种圆柱体在两平行板间转动实现直径测量的方法，该方法具有成本低、效率高、测量装置结构简单等特点。

1 测量原理

测量原理如图1所示：

（a）测量初始位置 （b）某一点的测量位置

2 测量装置

2.1 测量装置的结构

1-静挡板，2-圆柱体工件，3-动挡板，4-侧支架，5-连接架，6-线性滑块，7-上工作台，8-X-Y工作台，9-燕尾槽导轨，10-弹簧尾架，11-固定支架，12-光栅尺读数头，13-光栅尺主尺，14-主支架

测量装置的结构如图2所示，其机械结构由上下两层组合而成，两层的结构基本相同，均由滚珠丝杠副与直线滚动导轨副组成。运动由伺服电机经联轴器传给丝杠，使与滚珠螺母相联接的滑板沿导轨的承导件移动。上层导轨的底板与下层导轨的滑座联接在一起，使上层导轨可随下层导轨的滑座一起移动，上层导轨的滑座还可沿其本身的导轨移动，从而使与该滑座相联接的测量部分实现二维运动。

为了保证导轨具有较高的导向准确度，每层导轨采用双导轨导向，滚珠丝杠布置在两导轨的中间，并使其轴线处于导轨的导向平面内，从而消除滑座移动时产生转动的趋势，使滑台移动平稳而灵活。

为了提高滚珠丝杠副的定位准确度，在每层导轨的轴承座旁安装了电感传感器，滑座上安装了调节螺杆，滑座每次退回的精确位置由传感器测出，保证了滚珠丝杠的零位准确，有利于减小累积误差的影响。

滚珠丝杠的两端由滚动轴承支承，轴承座上还装有行程开关，将滑座的行程控制在一定的范围内[7]。

2.2 测量的工作过程

测量装置的工作过程是：通过单片机控制伺服电机驱动，经传动机构带动工作台分别在X和Y方向移动，调节动挡板的位置，使其与静挡板之间和圆柱体工件刚性接触，保持静挡板不动，动挡板通过摩擦力带动圆柱体工件缓慢转动，圆柱体由于制造过程中精度问题会产生圆柱度误差，在圆柱体工件移动过程中连接动挡板的主支架会带动线性滑块在X方向有一个很小的线性位移，由于线性滑块的尾端安装有弹簧，从而可以保证两平行挡板和圆柱体工件之间紧密接触，同时安装在测量装置上的光栅尺可以记录下来该过程中的移动距离。而从测量动挡板初始位置到刚接触圆柱体工件这个位置的距离我们可以通过控制伺服电机的转动得到，用光栅尺的移动距离再加上动静挡板之间的距离即可得出圆柱体工件具体的直径。

2.3 被测工件的受力分析

图3 被测工件受力分析图A

则：

由于圆柱体工件在输送带上旋转时，接触面也将产生摩擦力。摩擦力对圆柱体轴线之矩即为摩擦力。如图4所示：

已知圆柱体的尺寸和密度，则圆柱体质量为：

圆柱体下底面的总摩擦力矩：

3 结论

1 本文研究的是一种接触式圆柱体直径测量方法及装置研究，该测量装置具有如下优点：

1)本装置采用X-Y工作台，利用单片机控制伺服电机驱动，经传动机构带动工作台运动，速度和效率可以得到有效控制；

2)通过动静两个平行挡板直接接触圆柱体工件，并利用摩擦带动圆柱体工件转动，可以方便的测出圆柱体的最大直径处的数值；

3)通过在线性滑块的尾端安装一个弹簧，可以有效的保证动挡板与静挡板可以和圆柱体工件之间紧密接触。

2 该装置机械部分结构相对简单，所用传感器成本低，所以整个设备成本较低。本装置适合于大批量圆柱体零件直径的检测。

[1] 谢铁邦,李柱,席宏卓.互换性与技术测量[M].武汉:华中理工大学出版社,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] 张云,李智祥,翁显耀.测量回转窑轮带和托盘外径的新型仪器[J].武汉工业大学学报,2000(4):49-51.

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[6] 郭飞飞,王宝光.高精度外径激光自动测量系统的研究[J].传感器与微系统,2010(3):50-53.

[7] 黄其圣,刘善林,冯奇斌.滚珠丝杠与直线滚动导轨在测量中的应用[J].宇航计测技术,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，硕士生，主要从事机电一体化方向研究(E-mail: qhb1985@163.com);

吴玉国(1961-)，男，安徽安庆人，教授，硕士，主要从事机电一体化系统的研究和开发(E-mail: ygwu@ahut.edu.cn);

时礼平(1983-)，男，安徽枞阳人，讲师，硕士，主要从事复合材料及表面工程技术研究，(E-mail: xiaopingguoshi@163.com);

王小芍(1987-)，女，山东菏泽人，硕士生，主要从事机电一体化方向研究(E-mail:wangxiaoshao@126.com).