一种新型的圆弧直径测量装置

彭熙熙 张波 罗飞侠

摘要：机械零件中关于圆弧段、球面尺寸的检测一般是通过样板工装检验，不同零件需制作大量专用样板，且样板检测无法显示具体尺寸，且工装精度及加工直接影响到产品生产。文章介绍一种简易的圆弧直径测量装置，基于三点式接触计算原理，可以得出工件圆弧或球面的具体尺寸，同时也可检测其型线的变化情况，适用场合广，实用性较强。

Abstract： The detection of arc segments and spherical dimensions in mechanical parts is generally tested by sample tooling. A large number of special samples need to be made for different parts， and the sample test can not display the specific size， and the tooling precision and processing directly affect the product production. The article introduces a simple arc diameter measuring device. Based on the three-point contact calculation principle， the specific size of the arc or spherical surface of the workpiece can be obtained. At the same time， the variation of the profile can be detected. It is suitable for a wide range of applications and has strong practicability.

關键词：圆弧测量;型线检测;三点式接触;计算方法

Key words： arc measurement;profile detection;three-point contact;calculation method

中图分类号：TG81                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）31-0149-02

0  引言

一般情况下，工件圆弧和球面尺寸的检测是用专用样板比对，观察其是否漏光来判断圆弧面尺寸精度，虽然操作简单，但这种检测方法无法给出工件实测尺寸的具体数值，且在零件结构尺寸复杂多样的情况下，需定制的样板工装繁杂，增加生产和管理成本[1]。

1  三点式接触测量原理介绍

如图1所示，在同一平面内，不在同一条直线上且不重合的任意三点A、B、C可以确定一个圆，圆心O即在任意两两点连线的中垂线的交点上。利用这一特征，若得图示已知量a、b、c、d，再通过ΔOAB、ΔOBC、ΔABC之间的几何关系，可以得到关于待测圆弧半径值r的一个关系式：

其中：p=，q=，m=，均为已知量，通过对关系式（1）的求解，可得待测圆弧半径尺寸r。

下面我们讨论一种较为特殊的情况，当图1所示中B点分别与A点和C点的距离相等，即满足a=b时，可知c=d，见图2，此时，关于未知量r的关系式可简化为：

可得圆弧直径。

因此，我们可以设计一种装置，让其接触待测圆弧上的三点A、B、C，读取a、b、c、d的值，即可得所测圆弧径向尺寸。

2  新型圆弧直径测量装置

2.1 结构说明

如图3所示，此装置基于特殊三点式接触测量计算原理（图2），利用较为简单的部件组合，包括两端测头（微分头）、中间点测头（千分尺）、联接杆（滑动标尺）及辅助测量部件（基准块、把持单元等）几个部分组成。

2.2 结构优化

此装置可以有多种结构设计，但基本原理是一致的。为提高最终所测圆弧直径尺寸精度，可以从以下几个方面进行优化设计：

①对于回转类圆柱面径向尺寸的测量，为防止把持测量的人为抖动影响，保证所测三点所在圆弧截面的位置精度，可以根据实测工件结构特征设计此装置轴向定位基准，保证测量时三点在过圆弧直径截面上;对于球面特征的检测，可以设计径向定位基准，以同时检测待测球面的尺寸及位置精度[2]。

②为避免专用检测工装的制造误差及后期使用带来的测头磨损等因素的影响，可以将三个测头与连接杆设计为可调结构，测量前校准以下几点：保证三个测头所跨弧长范围尽量接近工件实际圆弧弧长特征;保证三个测头在同一直线上;保证三个测头与连接杆的垂直度;保证中间测头在两端测头连线的中点部位。这样，可以大幅度提高待测圆弧尺寸的测量精度。

③对于要求测量精度更为精密的场合，还需考虑温度、振动、液体腐蚀等因素的影响，优化考虑装置的绝热性、刚性及密封性等。

④对于测量空间较窄的内弧面、凹形面等特征，可针对性的设计测头结构，测量原理相同。

⑤此装置可以通过测量后读取已知量a、c（图3），利用作图法或计算法（关系式2）求得待测圆弧或球面的径向尺寸;亦可通过设计带有固定计算公式的电路，利用数显装置直接得到所需尺寸，这样可以大大提高测量精度和效率。

2.3 使用说明

①使用前，根据工件待测圆弧弧长特征调整连接杆上三个测头的位置，并保证中间点测头在两端测头的中间点，在水平工作台上校准三个测头在同一直线上，然后紧固三个测头与连接杆的相对位置。

②测量时，根据待测工件圆弧或球面特征选择定位基准，以装置基准面定位，保证待测工件表面干净及测头的稳定性，多次测量并读取数值，通过作图法、计算或装置数显得出最终检测尺寸。

2.4 前景

随着电子电路及光栅尺技术的快速发展，三点式接触测量装置结构可以不断进行优化和改进，可以应用到更多的场合，测量的精度和效率也会大大提高。图4为预想的光栅尺测量单元的示意图，通过内置光栅尺对三个测头相对位置关系的识别，结合集成计算公式的电子电路，即可快速准确的得到待测圆弧尺寸。

3  结语

此文介绍了一种新型的圆弧直径测量装置，此装置结构简单，应用场合较广，可根据实测工件特征及精度要求合理设计装置的细节结构，可改进原有样板检测方式，更为科学的用数据记录控制生产过程，有助于提高产品质量和生产效率，减低生产成本。

参考文献：

[1]闫政桓，曲贵龙.间接测量大圆弧直径的几种方法[J].机械制造，2001，39（11）：45-47.

[2]程湘红，蓝玲.短圆弧的中心测量方法研究[J].工程技术研究，2018（1）：85-87.

[3]傅建俊.塔式起重机垂直度测量仪技术研究[J].价值工程，2018，37（33）：219-221.