锥孔不同截面直径测量装置

李运升

沈阳度维科技开发有限公司 辽宁沈阳 110078

1 序言

长锥孔类零件锥孔规格多，深度0.5～2m不等，为了检测锥度，每个锥孔都有相应的锥度规，但是锥度规即便做成空心，也存在质量大的问题，测量时需要借助天吊，多人同时操作，但是测量时锥度规或者锥孔有异物容易划伤锥孔，而且目前锥度规的制作价格昂贵，还不易找到产品质量过硬的制造商，有些规格的锥孔零件只生产几件，就需要单独制作对应的锥度规，单次检测成本非常高，而且锥度规的制作周期长，严重影响生产进度及产品交付。由于锥度规检测没有数据，在生产过程中不易控制机床的调整，总是每次进刀一点，进行测量，再进刀一点，再测量，如此反复多次，效率极低，所以亟需一种操作简便、适用范围广且能够读取数据的测量装置。

2 测量装置

2.1 总体结构

测量装置主要由定心机构、测量机构和定位机构3部分组成，如图1所示。前后两个定心机构可以找到锥孔的理论轴线，测量机构安装在中间位置，可以使两个测点的连线与锥孔轴线垂直，此时两测点间的距离即为当前截面的直径[1]，定位机构上有游标刻线，碳纤维推杆上有深度刻线，二者构成了游标卡尺读数的原理，可以精准知道测点相对端面的深度，整套测量设备采用比较测量的原理，测量之前用千分尺或环规对系统进行清零[2]，显示器具有显示和运算功能[3]，可以将两个测点对应的位移传感器做和差运算[4]，最后显示当前的测量值，此时旋转推杆，测量机构可以在此截面旋转一周，测得该截面的不圆度[5]。

图1 测量装置

2.2 定心机构

通过两个定心机构找到锥孔的理论轴线，此时锥孔理论轴线与定心机构理论轴线重合，将测量机构安装到定心机构上，此时测量机构两测点连线就会与定心机构轴线垂直，即与锥孔理论轴线垂直，此时测量的才是锥孔当前截面的直径。两个定心机构的定心精度和测量机构测点与定心机构轴线的垂直度是影响测量精度的两个关键点，都会影响测点与孔母线的垂直度，进而影响测量精度，测量原理如图2所示。

图2 测量原理

测点与孔母线垂直时，真实直径为D，当测点产生摆角α时，测量出的直径为D1，由此产生的误差Δ1＝D1-D，其中D1＝D/cosα，即Δ1＝D（1/cosα-1），摆角α是由定心机构的定心摆角所带来，1∶1带入测量误差，而且孔径越大，同样的摆角α带来的误差越大。

为保证测量精度，定心机构采用图3所示结构，而且定心机构和测量机构所有零件的设计基准都是采用定心机构中的基准轴理论轴线，同一基准就可大大提高整套设备的测量精度。

图3 定心机构

定心机构采用三点定心原理，圆周方向均布3个胀爪，通过齿轮齿条结构实现3个胀爪同时伸缩，而且装配时调整3个胀爪顶端到齿条滑套轴线距离一致性≤0.005mm，这样定心稳定且精度高，为了增加定心稳定性，将两套同样的定心机构连接起来。自然状态时，弹簧推动齿条滑套使胀爪张开到最大，当把整套机构放入锥孔中，胀爪与孔壁接触，齿轮齿条机构使齿条套压缩弹簧，弹簧力是整体自重的5倍，保证定心可靠性。

2.3 测量机构

测量机构采用比较测量原理，两个测点通过和差运算得出被测直径，而且通过这种方式还可以增大测量范围，解决锥孔测量需要大测量范围的难点，整体结构如图4所示。

图4 测量机构

压紧套在弹簧的作用下压住钢珠，使之与定心机构连接可靠，基准轴与定心机构的基准轴精密配合，保证装配后轴线重合，而且装配后整个测量机构可以圆周方向旋转；测头的测点与基准轴轴线垂直，而且测头的长短可以根据被测锥孔大小进行更换，满足不同尺寸锥孔的测量需求；90°杠杆将轴向数值变化1∶1传递给传感器，因杠杆的传递精度对测量精度有较大影响[6]，所以在装配后需进行精密的调整与测试；端盖连接碳纤维推杆，传感器线从推杆内穿过。

3 误差分析

综合误差Δ＝（Δ12＋Δ22＋Δ32）1/2，其中Δ1是定心机构轴线与孔理论轴线夹角带来的误差，Δ2是90°杠杆精度传递带来的误差，Δ3是位移传感器带来的误差。

Δ3一般是定值，选用光栅传感器，误差在0.001mm，Δ2可以调整到0.005mm以内，根据1/10原则，本测量装置的最大误差不应超过工件公差的1/10。以最大孔径（100±0.05）mm为例，本测量装置最大误差不应超过0.01mm，带入上述公式为0.01＝（Δ12＋0.0012＋0.0052）1/2，由此计算出Δ1≈0.008mm，再根据公式Δ1＝D（1/cosα-1）计算出定心机构与孔轴线最大夹角α≈0.5°，以此来调整定心机构的定心精度，保证本测量装置最大误差满足测量要求。

4 应用验证

在生产实践中验证了产品的使用效果，首先是产品机械加工过程中，当进入半精加工工序时，用此测量装置测量2～3个截面的直径数据，调整机床的进刀量，然后再进行2～3个截面的直径测量，验证效果非常好，可以有效指导机床调整，实现在机快速精准检测。其次是在产品终检时，由检查员使用另一套测量装置检测多个截面的直径及不圆度，以此来评定产品是否合格，实践证明了此测量装置的稳定性及测量精度非常好，两套不同测量设备的测量结果基本一致，而且用此方法检测的合格品和不合格品用现有的通止规检测验证无误。为了保证产品质量，同时做3套量具，操作人员、工序间检查员、终检检查员各1套，各自只能用自己的测量设备检测，产品加工完成后，操作人员在机自检3个截面直径，记录检测结果，产品下机床后，序间检查员检测5个截面（包含有操作人员的3个截面）直径，产品入库前，终检检查员检测5个以上截面（包含有序间检查员的5个截面）直径及不圆度，终检检查员对比重合的检测截面直径差值不超过此处公差的1/5，产品方可入库，否则需要重新检测，找出问题所在。

5 结束语

本测量装置解决了锥孔生产加工过程的检测难题，尤其是对于小批量产品的检测，做出了巨大贡献，节省了锥度规的制作及时间成本，而且提升了检测精度及检测效率，产品质量得到巨大提升。产品得到了用户的认可，为公司带来了显著的经济效益。

公司有时也会生产如长液压缸、长气缸等深孔类零件，将该测量装置应用在深孔直径检测中，不仅可以适用粗加工到精加工的工序间检测，而且可以作为终检使用，解决了深孔直径测量难题，在实际应用中也取得了很好的效果。