（精密仪器及机械专业论文）滚轮测量头结构设计及滚轮变形误差修正研究.pdf

滚轮测量头结构设计及滚轮变形误差修正研究 摘要 本论文中应用精密机械设计、数据处理与误差修正等知识， 介绍了大直径多滚压轮测量系统的测量头结构设计和滚轮变形与 测量力之间数学模型的拟合方法。论文中详细叙述了测量头结构 的零部件设计，并对一些直接影响测量结果的主要零件进行了精 度分析和计算，给出了具体的精度值。同时，论文中还叙述了滚 轮变形标定实验方案的确定、实验装置的设计和主要测量仪器的 选择，并对实验数据和结果进行了详细的处理和比较，得出了一 些重要的实验结论，有利于准确、可靠的建立滚轮变形与测量力 之间的最终数学模型。 关键词：大轴直径测量、滚轮法、防滑结构、变形误差修正 ， fi t h ef r a m e w o r kd e s i g no fm e a s u r i n g h e a di n r o l l i n g w h e e lm e t h o d a n dt h er e s e a r c ho fe r r o r c o r r e c t i o nc a u s e db yr o l l i n g w h e e ld e f o r m a t i o n a b s t r a c t i nt h isp a p e r ，t h ef r a m e w o r ko fm e a s u r i n gh e a do fl a r g ed i a m e t e r m e a s u r e m e n ts y s t e mi nm u l t i - r o l l i n g r w h e e lm e t h o d is d e s i g n e db y u s i n gt h ed e s i g n i n gk n o w l e d g e o f p r e c i s em e c h a n i c ，t h ek n o w l e d g eo f d a t a p r o c e s s i n g a n de r r o rc o r r e c t i o na n dt h em e t h o d o ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e l f i t t i n g a b o u t m e a s u r i n g f o r c ea n dw h e e l d e f o r m a t i o ni sd e s c r i b e d t h ep a p e rd e s c r i b e sd e t a i l e dd e s i g no fa l l c o m p o n e n t s o f m e a s u r i n g h e a da n d t h r o u g hp r e c i s i o na n a l y s i s e x p o u n d sr e q u i r e dp r e c i s i o nt o s o m ei m p o r t a n tc o m p o n e n t s ，w h i c h a f f e c tt h es y s t e m sm e a s u r e m e n t p r e c i s i o nd i r e c t l y a tt h es a m et i m e ， t h ep a p e ra l s od e s c r i b e st h ec o n f i r m a t i o no fe x p e r i m e n t sp r o j e c t ，t h e d e s i g no fe x p e r i m e n t si n s t a l l a t i o n ，t h ec h o i c eo fs o m em e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t s a f t e r f i n i s h i n g t h e e x p e r i m e n t s ，s o m ei m p o r t a n t c o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d ，w h i c ha r eb e n e f i c i a lt os e t u p t h e m a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tm e a s u r i n gf o r c ea n dw h e e ld e f o r m a t i o n a c c u r a t e l ya n dr e l i a b l y k e yw o r d s ：t h e d i a m e t e rm e a s u r e m e n to f l a r g es h a f t ， r o l l i n g w h e e l m e t h o d ，a v o i d i n g s l i p p i n g f r a m e w o r k d e f o r m a t i o ne r r o rc o r r e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果a 据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金妲王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名 年獗 签字日期叼年臼。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒墼工、业盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留势 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合肥 王些盔芏可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：如口j 年 湃 月 日 学位论文作者毕业届去= | 句 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：厉年多月 电话 邮编 1、f 、秀 致谢 本论文是在余晓芬教授的悉心指导下完成的。在研究生学习期间， 余老师虽然公务繁忙，但不论是在生活上，还是在学习上都给了我极 大的关心和教导，特别是在论文完成阶段，更倾注了余老师的许多心 血。同时，余老师渊博的知识、严谨的治学态度、为人师表的学者风 范都给我留下了深刻的印象。我坚信，余老师的谆谆教诲对我的一生 一定会产生极大的影响，将激励我在人生的道路上奋发图强、努力拚 搏。在此，谨向余老师表示衷心的感谢! 另外，在此感谢多年来一直关心和爱护我的人们! 作者：许彦鑫 2 0 0 3 年6 月 第一章绪论 1 1 研究的意义 随着机械加工技术的发展，可加工的大型零部件的空间尺寸从几 米已扩展到几十米、几百米、甚至上千米，其所能达到的尺寸、形状 和安装精度也越来越高，因此对测量技术也提出越来越高的要求。核 工业、航空航天制造业、造船等军工及大型机电设备加工业中，经常 碰到大尺寸轴径需要高精度测量的难题，如大型火箭发动机、测量飞 行器等的外型尺寸精度以及三峡工程所用的发电机组的安装定位精 度，均与大直径测量的不确定度密切相关。如何利用现有的机床加工 设备，采用高精度的在线检测技术来保证大型轴、孔类零件的尺寸精 度是我国大型机电设备加工业、航空航天制造业、造船业及军工等行 业面临的一个技术难题，也是我国大中型企业许多重大技术装备制造 中普遍提出又急需要解决的共性技术测量问题。 目前国内外大直径测量技术发展十分缓慢。这是因为，大型工件 内外径的精密测量相对于中小尺寸的精密测量存在以下几个特点和难 点： 1 被测大轴的体积大、重量重、加工周期长、加工成本高，理论 上不能出废品。因此不仅要求测量的可靠性高，而且测量只能在加工 现场进行，因而测量的条件差，温度无法控制； 2 大型工件直径测量的采样点很难用常规的瞄准方法进行瞄准和 定位； 3 大型工件的热容量很大，加工中的工件很难恒温到等温状态， 测量时工件为非等温体，难以用常用的温度修正方法对温度引起的测 量误差进行修正，所以温度引起的测量误差影响非常大。 长期以来，国内外学者对大直径测量进行了大量的研究，但是始 终没有理想的方法和仪器出现，使其成为重大装备制造精度提高的瓶 颈。目前的测量方法中，大型量具测量法、j t 尺测量法、弓高弦长法 以及经纬仪测量法等实施简便，测量效率高，但测量不确定度达不到 要求：超声波法、激光瞄准定位块法等测量方法可达很高的准确度， 但这些方法实施困难，测量效率底，难以在生产实践中推广应用；大 型坐标机测量法虽然测量范围大，测量精度高，但其价格十分昂贵， 且不方便在线测量。 相比较而言，滚轮法是一种应用较广、技术上较成熟的方法。该 方法装置装调简便，测量数据自动处理，测量效率很高，这也是几十 年来始终未被人们放弃的原因所在。但滚轮法易受打滑、滚轮受压变 形以及温度误差的影响，测量达不到高精度的水平。如果能避免或减 小打滑、滚轮变形以及温度等诸因素对“滚轮法”测量结果的影响， 提高其测量精度，则该方法将有很好的发展前景，也为许多重大技术 装备制造中存在的高精度大直径测量问题，找到了一种新的解决办法。 1 2 国内外的研究现状 在解决大直径高精度测量问题上，国内外学者作了大量的研究， 尝试的测量方法不下十几种。如国内有学者进行了高精度大孔轴直径 自动测量系统的研究，研制成高精度机械测杆式大内径自动测量系统 和高精度双频激光大外径自动测量系统，该系统在一定程度上提高了 测量精度，但却无法实现在线测量”1 。也有研究机构研制成已获国家专 利号的大直径测量仪，该仪器利用“标识法”测量原理，实现了大型 工件直径的非接触测量，但测量精度只达到o 0 3 m m m ”。 滚轮法作为一种应用广泛的大直径测量方法，长期以来，国内外 学者对此作了大量的研究和尝试。如前苏联测试科学研究院研制成滚 压轮式大直径测量仪，该仪器由滚压轮、零件转数传感器( 计数器) 的 调整器和微处理机部件构成，仪器中滚压轮直径为中8 5 m m ，测量范围 可达5 0 19 9 9 9 m m ，但测量不确定度仅0 0 2 + 1 5x1 0 。d ( m m ) ”“。在 国内，北京量具刃具厂生产出基于滚轮法测量原理的光栅数显式大直 径测量仪，该仪器在测量直径为1 m 的工件时，精度为1 0 a m 左右”“。 为求进一步提高滚轮法的测量精度，天津大学有学者提出在原测 量轮的基础上，增加一个中间轮和一个支撑轮。测量轮和支撑轮在一 定测量压力下紧压在工件上，工件转动一周，与测量轮同轴的圆光栅 采集测量信号，经过数据补偿处理( 对打滑误差、测量轮直径误差等进 行补偿) 可获得被测工件的周长值。中间轮与长光栅相连，工件转动时， 通过采集长光栅信号，可得到中间轮相对于测量轮和支撑轮的径向变 化。这两路信号经计算机数据处理，可求得工件的最小二乘圆直径或 最小外接圆直径，并可获得工件圆度误差”“。 针对滚轮法测量过程中的打滑现象，有学者认为可利用单片机进 行实时监测，并提出了分段取值、统计定值的方法，将工件的周长等 分n 份，则理想情况下，每一段的脉冲数应该是相等的，若有打滑现 象出现，则打滑段的脉冲将丢失一部分，利用单片机检测出脉冲丢失 段，在通过统计策略确定每一段的标准值，用标准值对打滑段进行补 偿”“。也有学者在分析了被测工件轴与滚轮轴在安装过程中不平行对 滚轮法测量结果影响的基础上，提出了增设微调机构和采用摩擦极小 的空气轴承的方法来减小滚轮的打滑现象。 这些研究考虑了打滑对滚轮法测量大直径的影响，并试图剔除打滑 信号，在一定程度上提高了滚轮法的测量精度，但就影响滚轮法测量 精度的另一致命因素一滚轮受压变形却没有加以考虑，所以在实际的 应用中，其结果很难令人满意。 1 3 研究的内容 本课题来源于国防军工计量“十五”重点项目：大直径多滚压轮高 精度测量方法研究。该项目是要研制出一套能同时满足高精度、高效 率及在线测量要求的大轴测量系统，可同时测量被测工件的直径及圆 度误差，测量范围为l m j m ，测量精度达到5 m m ，这是目前所见报 道中大真径测量方法和测量仪器均未达到的精度。本论文是其中的一 部分，主要是研究滚轮法测量大直径时，如何修正因滚轮变形引起的 测量误差，具体内容集中在以下几个方面： 1 设计新型滚轮法测量头结构，可有效防止打滑和滚轮变形。 2 研究滚轮变形标定实验方案，选择实验仪器，设计实验装置。 3 进行滚轮变形标定实验，对实验数据进行处理、分析，并拟合测 量力与滚轮变形间关系的数学模型。 第二章大直径多滚压轮测量方案与系统 传统的基于滚轮法测量原理的大直径测量系统一般采用单滚压轮 结构，存在着打滑和滚轮变形两个直接影响测量精度的致命缺点。本 章主要介绍了一种同时采用三个滚轮结构的多滚压轮测量系统，能够 克服这两点对测量精度的影响。同时对系统的测量误差源进行了分析， 并提出了精度分配方案。 2 1 滚轮法测量原理 滚轮法的测量原理是利用已知直径为d 的标准滚轮与被测工件作 无滑动的对滚，精确测量被测工件转过圈时标准滚轮的相应转角妒， 然后由下式求得被测工件的直径d “1 d = d q ，( n 3 6 0 1 ( 2 1 ) 图2 1 滚轮法测量原理 2 2 实现目标 1 实现高精度测量 能够将现有的0 0 2 0 0 3 m m m 的测量不确定度( 测量直径大于3 m 的轴径) 提高到0 0 0 5 m m m 以上，以满足重要工程中对大型零件的高精 度测量要求。 2 实现高效率测量 现有的各种大轴径测量方法中，有的测量精度不高，有的则因装调 太复杂使测量过程太长而失去实用性。该测量系统能够在缩短单次测 量时间的同时增大一次测量获取的信息量，即能在一个工作日中完成 一次测量，包括系统的安装与调试，同时同步获取形状的信息，并由 此确定平均周长、最大最小直径及位置、被测截面的椭圆度、棱圆度 等多个参数，供作工艺调整时参考。 3 实现在线测量 整个测量系统设计为“单侧结构”，以适应不同加工工位( 立式、 卧式) 工件的在线测量并装拆方便。 2 3 系统框图 传统的单滚压轮大轴测量系统原理如图2 2 所示，主要由滚轮测 量头装置4 、大轴转数测量装置2 和滚轮转角测量装置3 三部分组成。 测量时，测量装置上的滚轮与被测大轴在同一截面内进行对滚，滚轮 转角由同轴安装的光栅角度传感器测出，大轴转数由光电传感器测出， 滚轮转角信号及大轴转数信号由电缆送入计数显示装置，经前置放大、 整形、倍频和主闸门至计数器，显示装置直接将被测直径值显示出来”3 。 图2 2单滚压轮测量系统示意图 1 一被测大轴2 一大轴转数测量系统 3 一滚轮转角光栅测量系统4 一滚轮测量头装置 传统的单滚压轮测量系统存在两个致命的缺点一打滑与滚轮变 形，为克服这两点对测量不确定度的影响，本项目通过在测量装置中 安装三个测量头，研制出一种大直径多滚压轮冗余测量系统。 多滚压轮测量系统的原理框图如图2 3 所示，整个测量装置硬件 由测量系统、装调系统、控制系统三大部分组成，软件包括用户界面、 控制软件及数据采集与处理软件等。 2 4 工作原理 大轴转数测量及各个滚轮转角测量的方法仍采用传统的单滚压轮 测量装置的方案，但滚压轮采用特殊的结构设计以减小打滑发生的几 率；同时，因滚轮作无滑动滚动时，光栅输出脉冲数与测量时间成正 比，而当滚轮发生打滑时，光栅输出信号曲线出现平滑段，因此可通 过三个滚轮的冗余测量信号，辩识出测量过程中的“打滑发生段”( 三 个滚轮不可能同时打滑) ，同时在进行三滚轮信号合成时，进一步将“打 滑段”的信号剔除。用上述方法可将打滑对测量结果精度的影响减至 测量不确定度允许的范围之内。 大轴圆度误差可以通过安装在滚轮一侧的电感位移传感器测得。大 轴圆度误差测量受大轴支承径向跳动的影响很大，通过对三个滚轮处 不同电感位移传感器测量信号的正确融合，可分离大轴支承径向跳动 误差，实现大轴圆度误差的高精度测量。 图2 3 多滚压轮大轴径测量装置示意图 2 5 夫键技术分析 为保证系统的高精度测量，项目需要解决的关键技术和问题有： 1 减4 、滚压轮打滑发生的几率，同时及时辩识打滑发生信号，并 予以剔除。 2 要减4 、滚轮变形对测量精度的影响，应该对滚轮变形引起的测 量误差进行修正。由于实际测量过程中无法直接获得滚轮的变形量， 所以研制时，需首先对接触压力大小与滚轮直径变化的关系作精确标 定，拟合出数学模型；测量时再将测力传感器的动态采样值代入上述 模型，算出滚轮的瞬态变形量，对大轴直径计算公式中的d 值作适时 修正。 3 温度对大型工件的测量影响很大，所以在测量前和测量中均须 掌握工件温度的变化和分布情况。在工件表面布置若干个温度传感器， 在各温度传感器显示工件已进入恒温状态以后开始测量，并同时建立 工件内部的非均匀温度场数学模型，继而对该温度场引起的大轴尺寸 变化进行修正。 4 滚轮的工作截面应严格位于大轴的被测横截面内，且触点位于 两截面圆心的连线上，因此测量前必须借助于辅助定位装置及测量头 支架上的调整装置对滚轮的方位作精确调整。 2 6 主要技术参数和指标 1 测量参数：大轴直径及大轴的圆度误差 2 可测直径范围：l m 5 m ； 3 直径测量不确定度：5ui n m ： 4 圆度测量不确定度： 1 5um 。 2 7 误差源分析 通过对测量数学模型及对测量系统的研究，可以找出测量的主 要误差源。 直径测量的主要误差源有： 1 大轴转数的测量误差； 2 滚轮转数月的测量误差包括打滑引起的误差和光栅的测角误 差： 3 滚轮直径d 的误差，包括温度误差、滚轮圆度误差：滚轮受压 变形误差、滚轮直径标定误差： 4 被测大轴的温度测量误差。 圆度测量的主要误差源有： 1 大轴径向跳动误差； 2 电感测微仪本身的精度； 3 电感测头安装偏差。 2 8 精度分配“” 2 8 1 大轴直径测量的精度分配 根据技术指标中系统测量范围为：1 m 5 m ，直径测量不确定度 5 p r o 研。根据误差特性分析，滚轮直径d 对被测直径的一误差传递系数为 最大，温度在测量过程中引起的误差也难以控制，故定方案为：大轴 转数的精度分配值占：= 1 ；滚轮转角p 的精度分配值占：= + _ l t m ；大 轴温度的精度分配值6 4 = + - 2 5 a n ：滚轮直径d 的精度分配值疋= 4 u m ， 总精度 i 占l = 12 + 1 2 十4 2 + 2 5 2 = 4 9 3 o 1 5 ( 3 ) 轴承尺寸大小随着轴承尺寸的增大，选择的过盈配合过盈 量越大，间隙配合间隙越大。 ( 4 ) 轴承游隙 采用过盈配合会导致轴承游隙的减小，应检验安 装后轴承的游隙是否满足使用要求，以便正确选择配合及轴承游隙。 ( 5 ) 其他因素 轴和轴承座的材料、强度和导热性能i 从外部进 入支承的及在轴承中产生的热；导热途径和热量；支承安装和调整性 能等。 测量头中的轴承工作时仅受径向轻负荷作用，内圈与轴一起旋转， 外圈安装在剖分式外壳的孔中，不旋转。因此，内圈相对于负荷方向 旋转，它与轴颈配合应较紧，可选择配合为中2 0 j5 ；外圈相对于负荷 方向固定，它与外壳孔的配合应较松，配合可选为$ 4 7 k 7 。再根据 g b t 2 7 5 9 3 选取轴颈和外壳孔的形位公差值和表面粗糙度参数值，见 图3 7 。 a ) 外壳孔部分的图样 b ) 轴颈部分的图样 图3 7 轴承外壳孔及轴颈公差标注 3 5 ，4 i j 型支架设计 轴承与滚轮安装好以后，构成旋转轴系，需要安装在轴承的机座上， 即滚动轴承的轴承座内，测量头中我们将两个轴承座设计成一体构成u 型支架，u 型支架从结构上看就是由三块板构成的一个u 型框，其两边 侧板就是滚动轴承的两个轴承座，底板支撑整个旋转轴系，安装在直 线滚动导轨副上，以保证滚轮在测量过程中的浮动性。所以u 型支架 在设计和加工过程中需要考虑两个方面的因素：即与轴承的安装配合 和与导轨的安装连接。 u 型支架材料选用灰铸铁，加工时需进行人工时效处理，以消除内 应力，防止变形。 1 与轴承配合 u 型支架将两个轴承座构成一体可以减小两个轴承孔加工和装配 时存在的同轴度误差。u 型支架作为轴承机座时，属剖分式的，即其上 的两个轴承孔都为半圆孔，它与同样具有半圆孔结构的两个轴承盖一 起来固定轴承。为保证轴承的旋转精度，两个轴承孑l 在加工时应一次 性镗出“。由于轴承盖与u 型支架分别加工，可以在u 型支架和轴承 盖上各设计一个定位台阶( 见图3 8 ) ，定位台阶的位置即相对半圆孔 中心的距离公差和垂直都需提出。轴承盖与u 型支架分别加工好以后， 对准定位台阶，打上螺钉，再将两个轴承孔次镗出。 图3 8u 型支架定位台阶设计 u 型支架在设计时，还需对两轴承孔的直径、圆柱度以及有关跳动 提出公差要求，以保证轴承的旋转精度，具体公差值见图3 7a ) 轴承 外壳孔部分图样。 2 与导轨安装连接 u 型支架与导轨的安装连接形式见下一节的导轨固定，这里主要考 虑如何保证滚轮轴线与被测大轴理想轴线的平行度。由下一章的实验 结果分析可知，滚轮轴线与被测大轴轴线不平行，这虽然不直接影响 大轴的直径测量，但对滚轮的变形有较大的影响。 整个测量头结构在设计过程是以导轨副的导轨轴安装面为基准， 导轨轴与滑块面的平行度由导轨副精度保证，要保证滚轮轴与导轨轴 安装面的平行度，就要对u 型支架的底面即与滑块的安装面的平面度 提出公差要求。该安装面的平面度公差会直接造成滚轮轴线与被测大 轴轴线之间存在一定的角度口，如图3 9 所示。 图3 9 滚轮轴线与大轴轴线不平行 根据g b t l l8 4 一1 9 9 6 ，结合u 型支架底面的尺寸，选取3 级公差 公差值为，= o 0 0 2 5 m m 。此时滚轮轴线与大轴轴线之间的夹角为： 口：0 _ 0 0 2 5 a r c t a n( 3 7 )口= ( 3 7 ) l u 型支架的底面宽度。 取f = o 0 0 2 5 m m ，l = 4 7 m m ，代入得 a ：a r c t a n ”0 0 d 0 7 0 2 5 ：1 0 8 7 “( 3 - 8 ) a = 4 7 = “ ) 在实际测量过程中，还需要对测量头进行调整，以减小滚轮轴线 与被测大轴轴线之间的夹角，保证两者的平行性。 3 5 5 导轨选择“8 3 导轨是测量头的关键部件之一，其性能好坏将直接影响着测量头 的测量精度和使用寿命。导轨的选择和安装应该满足：导向精度、耐 磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单、工艺性好、便于调整、具 有良好的润滑和防护等要求。 1 导轨类型选择 导轨类型很多，分类不一。每一类导轨又有不同截面形状和结构 形式。常用的导轨类型及主要特点、应用见表3 2 。 表3 2 导轨类型、特点及应川 导轨类型主要特点应用导轨类型主要特点应用 l ，结构简单，使用维1 运动灵敏度高、广泛 修方便：低速运动平稳性用了_ 普通滑动 2 没有形成完全液普通好，定位精度高： 各类 导轨( 滑 体摩擦，低速易爬行；机床2 精度保持性好， 精密 动导轨) 3 磨损火、寿命低、应用 滚动导轨 磨损少、寿命长、机床、 运动精度不稳定普通 移动轻便；数控 3 刚性和抗振性机床 差，结构复杂，成等，已 本高，要求息好的有专 防护 业生 1 动导轨表面贴塑主要 1 摩擦系数很小，各种 料软带等与铸铁导轨用于 驱动功率小； 大型、 塑料导轨 搭配，摩擦系数小，大中 2 低速运动平稳重型 ( 贴塑导 不易爬行，抗磨性能型机性好； 机床、 轨) 好；床压 静压导轨 3 承载能力大，刚 精密 2 贴塑工艺简单：强不 性、吸振性好：机床、 3 刚度低、耐热性大的 4 需液压装置，结数控 差，容易蠕变导轨 构复杂、调整困难机床 1 在支承导轨上镶常用 1 速度高，形成液主要 装钢板或钢带，提高于重 体摩擦： 用丁 导轨耐磨性，改善摩型机 2 阻尼大、抗振性速度 擦或满足焊接床身结床如好： 高、精 镶金属导构需要 j 业 动压导轨 3 结构简单，不需度要 轨2 动导轨上镶有金 车、 要复杂供油系统，求一 属防止咬合磨损，提龙门 使用维护方便：般的 高耐磨性、运动平稳、铣床 4 油膜厚度随载机床 精度高的导 荷与速度而变化，主运 轨上 影响加工精度，低 动导 速重载易出现导轨轨 面接触 测量头中导轨承载小，运动速度低，行程小，但导向精度及定位 精度高，根据表3 2 ，适宜选择滚动导轨。我们选择的是南京工艺装 配制造厂开发、生产的g g b 型直线滚动导轨副，该直线滚动导轨副是 由一根长导轨轴和滑块组成，导轨轴上的滑块数可以根据需要选择， 在测量头结构中，导轨副只承载u 型支架、滚轮构成的浮动机构，因 此滑块数量只需要一个。 2 导轨精度选择 g g b 型直线滚动导鞔副精度等级分为4 级，郎2 、3 、4 、5 级，2 级精度最高，5 级精度最低。检验项目及公差值见图3 一l 0 及表3 3 。 导轨精度检验项目中，l 、2 两项公差值妻接影响滚轮轴线与大轴 理想轴线的平行性。根据测量头整体长度和导轨的行程，导轨长度定 为1 l0 m m ，在选取导鞔精度等级时，结合这两项公差值大小，选取2 级精度。 图3 1 0 导轨精度检验项垦 表3 3 导轨精度检验项目及公差 检验项目精度等级允差( t o n ) 1 滑块顶面导轨长度精度等级 中心对导轨( r a m )2345 基准底面的5 0 0 48i42 0 平行度a 5 0 0 一l 0 0 06l ol72 5 2 与导轨基 准侧面同侧 1 0 0 0 一l5 0 08l32 03 0 的滑块侧面 l5 0 0 2 0 0 09152 23 2 对导轨基准 2 0 0 0 - 2 5 0 0li172 43 4 侧面的平行 2 5 0 0 3 0 0 01 21 82 63 6 度b 3 滑块上顶精度等级 面与导轨基 2345 准底蟊高度 h 的极限偏 l22 55 01 0 0 3 导孰副的固定方式 g g b 型滚动导轨副一般其导轨轴和滑块有一侧为基准面，另一侧为 非基准面，基准面一侧刻有小沟槽，已资识别。导轨副在安装固定时， 先将基准侧面靠上定位台阶后，还需从另一面顶紧然后再固定。顶紧 的方法很多，在本测量头装置中，我们采用楔型块顶紧的方法( 见图3 一l1 ) 。 图3 1 1 楔型块顶紧方法 3 6 施力和测力机构设计 施力和测力机构保证了滚轮与被测大轴之间所需的测量力，并同 时实时测量力值的大小，其结构图如图3 12 所示。施力机构设计主 要包括压力弹簧的选用、测力传感器的选择以及测力传感器座的设计。 图3 1 2 施力和洲力机构图 1 一浮动机构2 一压缩弹簧3 一导杆 4 一测力传感器 5 一薄壁套筒6 一后盖板 7 一调节螺钉 3 6 1 弹簧设计 测量头中弹簧与前面的浮动机构相连，通过调节螺钉产生测量时 所需的测量力。显然这里的弹簧应该选择压缩弹簧。 1 弹簧几何尺寸计算“ 调节螺钉大小为m 10 ，其螺距为1 5r n m ，取弹簧刚度为f = 2 0 n m m ， 即调节螺钉旋转一周，弹簧产生15 m m 的变形量，产生3 0 n 的力。弹 簧在工作过程中所受最大力f = 2 0 0 n ，取弹簧材料为碳素弹簧钢丝，现 在来确定弹簧的几何尺寸和其他参数。 1 ) 根据安装空间，取弹簧中径 d 2 = 2 1 m m ( 3 - 9 ) 2 ) 预选弹簧钢丝直径d = 3 5 r a m ，则 旋绕比c = d ，d = 2 i 3 5 = 6 ( 3 10 ) 曲度系数k ：竺三二+ 业：! ! ! 二! + 型：1 2 5 2 5( 3 一l 】) 4 c 一4c4 6 46 。 3 ) 计算许用应力 r 。对于碳素弹簧钢丝，材料的强度极限盯。与 簧径d 的大小有关，因此先查表得盯。= 1 5 2 0 n m m 2 ，则许用应力为 f _ 0 4 0 - 日= 0 4 x 1 5 2 0 = 6 0 8 n - m m 2 ( 3 1 2 ) 4 ) 计算赞丝直径d ，对于d ，d 则预选方案可用。 矗：8 f k x c 一 。! 坐!( 3 圳) ：j 些芸型2 5 0 9 6 2 搬搠 d ：3 翩埘 v3 1 4 6 0 8 故d ：3 5 r a m 为可用方案。 5 ) 计算工作极限载荷。 = 筹8 kd 一，= 淼812 5 2 52 1 1 2 6 6 0 8 - 4 9 0 1 4 ( 3 _ 1 4 ) j ，。 “ f ，为2 1 2 作极限切应力。根据g b l2 3 9 7 6 规定，f ，1 2 6 r 。 6 ) 计算弹簧有效圈数( 即2 e 作圈数) ”。 押= 丽g d = 篙筹以，s ( 3 - 1 5 ) 82 068 ，c 33 圆尾取整数，即弹簧的工作圈数为”：8 圈。 7 ) 确定弹簧节距t 。压缩弹簧必须具有一定的间距占，已使弹簧 受载时有变形的可能。将极限载荷f 作为使弹簧各圈完全接触时的载 2 8 荷，则 ，：d + 兰2 一：3 5 + 4 9 0 1 4 ：65 6 m m ( 3 16 ) f n 2 0 8 8 ) 确定弹簧外径及自由高度。 弹簧夕p 径d = d 2 + d = 2 1 + 3 5 = 2 4 5 r a m 自由高度h o = n ，= 8 6 5 6 = 5 2 5 r a m ( 3 17 ) ( 3 1 8 ) 9 ) 进行稳定性校核。压缩弹簧的高径比( 自由高度与中径之 比) b = h 。d ，较大的情况下，当载荷达到一定值时，弹簧会突然发生侧 向弯曲，使弹簧刚度突然降低，这是弹簧正常工作所不允许的。为了 保证弹簧不失稳，一般应满足下列条件： 当弹簧两端固定时，b 5 3 ； 当弹簧一端固定，另一端可转时，b 3 7 ； 当弹簧两端可转时，b 2 6 ； 本测量头中弹簧的固定方式属于第二种。其高径比 b ：h o ：5 2 5 ：2 5 3 7( 3 - 1 9 ) d 2 2 1 满足要求，故弹簧不会失稳。 2 弹簧的固定 由于测量头的工作状态是随机可变的，压缩弹簧不一定处于竖放 状态，那么就存在一个将其固定的问题，己避免其滑落下来。压缩弹 簧的固定方式一般有两种，即使用导杆和使用导套。在本测量头中， 压缩弹簧两端磨平，一端与前面的浮动机构相连接，一端与测力传感 器相连，我们采用了导杆的固定方式( 见图3 1 2 ) 。l 为前面的浮动机 构，3 为我们设计的导杆，4 是测力传感器的感受头。l 与2 分别设有 一个台阶，与弹簧进行过盈配合，以防止弹簧滑落，台阶高度不得超 过弹簧一圈，否则弹簧将无法完全压并。导杆3 与测力传感器的感受 头相接触，又可以使得传感器能够感受到被测的力。 3 6 2 测力传感器的选择 测量头中设置测力传感器的目的一是作为滚轮变形标定实验装置 的一部分，用以测量施加在滚轮上的测量力大小，另一方面在实际测 量过程中可以实时测得滚轮与大轴之问的测量力大小，从而通过所拟 合的数学模型实现对滚轮受压变形引起测量误差的修正。 1 力的测量方法“。 力的测量方法可以归纳为利用力的动力效应和静力效应两种。力的 动力效应使物体产生加速度，测定了物体的质量及所获得的加速度大小 就测定了力值：力的静力效应使物体产生了变形，通过测定物体的变形 量或用与内部应力相对应参量的物理效应来确定力值。 2 g g d l o o 型秤量控制器 在滚轮变形标定实验中，滚轮变形量测量的电感位移传感器的分辨 率为0 0 1 p m ，根据弹性力学中的变形理论公式( 下一章有介绍) ，滚轮 在接触宽度为5 m m 时，若产生0 0 1 胛的变形量所需的力约为1 n 左右。 因此对测力传感器的分辨率选择可以定为0 1 n 。 在满足分辨率要求的前提下，我们选择的测力传感器是华东电子仪 器厂生产的g g d 一1 0 0 型秤量控制器，它属于电阻应变式测力仪。利用 电阻应变片制作的电阻应变仪是目前各类测力仪器中数量最多的测力 装置。它具有结构简单、制造方便、精度高等优点，在静态和动态测量 中获得了广泛的应用。 g g d 一1 o o 型秤量控制器通过传感器将压力转换为电信号，然后经过 放大电路将信号放大后进入a d 转换器将模拟信号转换成数字信号，再 进入8 9 c 5 i 单片机。经过数字处理后，根据键盘命令可以显示瞬时值和 累加值，并且能够保持累加值，同时可以根据需要打印动态数据和静态 数据。其原理框图如图3 13 所示。 匹l 屯 曰臼南 图3 13 g g d 一1 0 0 型秤量控制器原理框图 g g d 一1o o 型秤量控制器对传感器提出了一定的安装要求， 1 ) 安装传感器的基础要求牢固可靠，应有足够的刚度，没有形变、 抖动等现象，严禁在传感器上电焊。 2 ) 传感器要安装平整、垂直，重力或拉力的作用方向要与传感器 的轴线一致，不应有偏斜，避免因侧向力所带来的读数误差。 3 ) 装置压在传感器上的秤台或料斗，应注意在使用过程中不发生 水平方向的移动。 3 6 3 测力传感器座设计 加力机构中，调节螺钉通过后盖板上的螺孑l 直接顶在测力传感器 上( 见图3 12 ) ，测力传感器在实验和实际测量过程中会随调节螺钉的 旋动而前行，由于其外形为圆柱体，我们设计了个薄壁的圆柱型套 筒，测力传感器与套筒为松配合，测力传感器能够在其中自由滑动但 不至于晃动。套简通过四个螺钉固定在后盖板上。圆柱型测力传感器 在其侧壁上有一突起的引线接口，所以我们在套筒上设有一狭长的开 口槽，以方便测力传感器接线的引出。 3 7 外围框架设计 利用测量头进行在线测量时，由于现场环境存在灰尘等杂质，需 要对测量头装置迸行密封，以免杂质落入其中，影响轴承的旋转精度 和导轨的运动精度。密封措施主要是在测量头上、下、左、右、前、 后加上六块盖板，各块盖板除了密封作用以外，还具有其他作用，需 要进行一定的设计和计算。 3 7 1 上盖板及前盖板设计 测量头中，上盖板及前盖板的作用主要是阻挡灰尘的落入，所以选 用厚度为l m m 的铝板，以减轻整个测量头的重量。由于滚轮需要与被 测工件接触并旋转，所以在前盖板上应设有一长方形开口，以方便滚 轮露出来，长方形开口的长、宽需要进行计算。滚轮宽度为1 8 m m ，所 以开口宽度为2 0 m m 即可。滚轮露出盖板晟大高度h 为5 m m ，所以开 口长度可如以下计算。 = r2 一( r 一 ) 2 = 5 52 一( 5 5 5 ) 2 = 2 2 9 1 ，”，”( 3 2 0 ) 尺一滚轮半径 l 一开口最小长度之半 所以前盖板上开口长度可以定为5 0 m m ，宽度为2 0 m m ，其中心应 与滚轮中心线保持在同一高度上。 图3 一1 4 前盖板开口尺寸计算 3 7 2 左、右两侧板设计 测量头中，左、右两侧板除了密封作用以外，还与支撑整个测量头 的支架相连，即整个测量装置中，支架通过左、右两侧板支撑测量头 并对其进行调整。同时，左、右俩侧板分别装有大轴转数测量系统和 大轴圆度测量装置。为减轻测量头重量，左、右两侧板采用铝板，但 其厚度为8 m m ，以满足刚度要求。 1 调整结构设计 幽3 一l5 靖整结构幽 l 一测昔头 2 一t 掣楷结构 3 一凋心球轴承4 一支架a ：侧戕接扳 5 一被测人轴 6 一支架右侧联接扳7 1 型槽连接螺栓8 坝紧螺 j 设计中，支架需要对测量头进行调整的目的有两个：一是实现对 不同直径大轴的测量；二是保证测量过程中滚轮轴线与大轴轴线的平 行度。 调整结构如图3 15 所示。左侧板与支架采用调心球轴承连接， 调心球轴承的旋转轴与左侧板通过焊接连接，调心球轴承保证了测量 头能够产生一定的偏摆；右侧板上设计一个t 型槽结构，支架通过三 个t 型槽连接螺栓与右侧板相连接，分别通过对三个螺栓的松和紧实 现测量头两个方向上的调整，当调整达到要求时，再紧上顶紧螺钉。 2 大轴转数测量 为实现对大轴转数的测量，在左侧盖板上还装有槽式光电开关。 光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反 射，受光器最终据此作出判断反应”。槽式光电开关通常是标准的u 字型结构，其发射器和接收器分别位于u 型槽的两边，并形成一光轴， 当被检测物体经过u 型槽且阻断光路时，光电开关就产生了检测到的 开关量信号( 如图3 一1 6 ) 。 措式先龟开 州蜘# 图3 1 6 槽式光电开关工作原理 在大直径多滚压轮测量系统中，我们在被测大轴上贴有一棒形标 记，棒形标记随同被测大轴一起旋转，其长度能够伸进光电开关的槽 内，每旋转一圈，光电开关的光路就被打断一次，从而测出被测大轴 的旋转圈数。 槽式光电开关在安装时，其光轴与滚轮的轴线应保持在同一高度 上，并且相互平行，以实现对大轴转数的精确测量，这里我们通过对 光电开关的安装螺钉进行调整实现。 3 大轴圆度测量 另外，在右侧盖板上装有电感位移传感器以实现测量头对被测大 轴圆度的测量，电感位移传感器的电感测头通过夹持架( 见图3 17 ) 固定在右侧板上，其顶端与滚轮露出前盖板高度相同。测量时，被测 工件与滚轮接触并带动其旋转，电感测头也同时与被测大轴接触，其 读数会随被测大轴的旋转而不断改变，从而有效测量被测大轴的圆度 误差。测量时，为避免测头磨损影响测量精度，在测头前端应加有保 护套。 图3 一l7 电感测头夹持架结构图 在上一章测量系统的误差源分析和精度分配作中，我们提到了电 感测头的安装偏差，即电感测头的轴线与被测大轴的轴线不垂直，会 给大轴圆度测量造成一定的测量误差。在测量头设计中，已经保证了 滚轮轴线与被测大轴轴线的平行性，这里我们通过调整电感测头的夹 持架与右侧盖板连接螺钉，以达到电感测头轴线与滚轮轴线的相互垂 直。 3 7 3 底板及后盖板设