徐守品，花嚴紅，徐月明，駱忠良

(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江332007)

軸類零件是機械設(shè)備中最常用的零件之一，其制造精度在很大程度上決定了機器的運行質(zhì)量，因此對軸類零件的尺寸檢測十分重要。軸類零件直徑快速精密測量系統(tǒng)是軸類零部件檢測儀中的專用測試系統(tǒng)，它主要是對軸類零部件直徑和半徑進行檢測，該測試系統(tǒng)主要由支承模塊、傳動模塊、測量模塊和信號采集與處理模塊組成。其中測量模塊的設(shè)計至關(guān)重要，它直接影響系統(tǒng)的測量精度。

1 軸類零件直徑測量系統(tǒng)測量原理

軸類零件直徑測量系統(tǒng)采用了自動接觸式相對測量的方法，它具有獨立的測頭和傳感器，用標準件調(diào)零后，即可用傳感器測出相對位移，從而方便地實現(xiàn)直徑的測量。

該測試系統(tǒng)利用光柵相對測量的原理實現(xiàn)直徑的測量。利用步進電機驅(qū)動雙片齒輪轉(zhuǎn)動，進而帶動內(nèi)齒條(與標尺光柵、后端測頭和底座固連)和外齒條運動(與讀數(shù)頭、前端測頭和殼體固連)運動，兩齒條又分別帶動前后端測頭相向運動，同時向工件靠近。當兩測頭均與被測工件接觸時，齒輪不轉(zhuǎn)動，此時測速傳感器所測齒輪轉(zhuǎn)速為零，測速傳感器觸發(fā)光柵讀數(shù)頭進行讀數(shù)，將讀取數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)相比對，即可獲得所測工件的直徑。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。

圖1 軸類零件直徑測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 測力機構(gòu)的選擇

由于該測試系統(tǒng)采用的是接觸式測量方式，儀器的測頭與被測工件的測量面直接接觸，能如實反映工件的實際表面情況。為了減小工件表面的毛刺、油膜、污物等對測頭接觸可靠性的影響，保證儀器測頭與工件表面的可靠接觸，測頭應(yīng)以一定恒定力作用于工件表面，這個恒定力即測量力。但測量力的存在同時會使被測件和測頭產(chǎn)生接觸變形[1]。接觸變形量的大小與接觸體的材料、表面形狀及測量力的大小有關(guān)。

式中:P為測量力(N);L為接觸長度(mm);D為測頭直徑(mm)。

從式(1)中可以看出，接觸變形的大小與測量力有直接的關(guān)系，測量力越小，接觸變形就越小，測量力越恒定，則接觸變形越固定，就越容易對測量結(jié)果進行補償，進而減小接觸變形的影響[2]。因此在進行接觸式測量時，應(yīng)充分地考慮影響測量力的主要因素，減小測量力對測量精度的影響，合理地選擇測量力的大小。

測量力的選取應(yīng)考慮以下各因素:測量精度、接觸形式與接觸面積、材料的硬度、測量方法和測量的環(huán)境條件。為了減小測量力造成變形的影響，設(shè)計測力機構(gòu)時，可以考慮以下措施:在保證接觸良好的條件下，盡量減小測量力;采用恰當?shù)慕佑|形式，使其對測量力的影響不敏感，不必要時不采用尖測頭;恰當設(shè)計儀器結(jié)構(gòu)，避免引入變形誤差;盡量使用相對法測量代替絕對法測量;采用恒定測力機構(gòu)[3]。

對于該測試系統(tǒng)，選用摩擦驅(qū)動測力機構(gòu)來提供恒定的測量力，它能保證測頭在運動時保持不變的測量力。在此使用摩擦驅(qū)動機構(gòu)的作用有:驅(qū)動測頭運動，實現(xiàn)自動測量;為測量機構(gòu)提供恒定可調(diào)的測量力，提高測量精度;通過摩擦輪打滑，觸發(fā)光柵讀數(shù)頭讀數(shù)，實現(xiàn)直徑測量。

3 摩擦驅(qū)動測力機構(gòu)的設(shè)計

摩擦驅(qū)動測力機構(gòu)是由主動摩擦盤與從動摩擦盤間的壓緊力所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞力的[4－5]。摩擦測力機構(gòu)的優(yōu)點主要有兩方面:其一，摩擦測力機構(gòu)在傳動過程中的正反空程非線性小，從原理上講是沒有不連續(xù)正反空程的，它的定位精度高[6];其二，噪聲小，結(jié)構(gòu)簡單，運動平穩(wěn)，精度便于控制，定位精度高。

該機構(gòu)的驅(qū)動原理為:電機帶動摩擦輪，通過摩擦力帶動另一摩擦盤(與雙片齒輪固聯(lián))，從而通過雙片齒輪帶動兩齒條運動，進而帶動前后端測頭分別向被測工件移動。當測頭與被測工件接觸時，兩摩擦盤打滑，由兩摩擦盤之間的動摩擦力給出測量力。測量力的大小可以通過旋動調(diào)節(jié)帽，改變壓縮彈簧對摩擦盤的壓力來改變[7]。測力機構(gòu)由伺服電機、摩擦盤、調(diào)整機構(gòu)等幾部分組成.其結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 摩擦驅(qū)動測力結(jié)構(gòu)圖

(1)摩擦盤的設(shè)計

為了獲得較高的精度，測試系統(tǒng)的測量力選為2 N 左右。對于兩摩擦盤，均以淬火鋼為材料，其靜摩擦因數(shù)為0.15～0.20，動摩擦因數(shù)為0.12～0.16，許用壓強[p]為0.2～0.4 MPa。結(jié)合兩摩擦盤的安裝空間與安裝方式，摩擦盤外徑D0為26 mm，內(nèi)徑d0為12 mm。

根據(jù)摩擦定律，摩擦盤間的靜摩擦力矩可表示為

式中:TC為靜摩擦力矩;f為摩擦面間的靜摩擦因數(shù)取為0.15;F為壓盤施加在摩擦面上的工作壓力;RC為摩擦盤的平均摩擦半徑;Z為摩擦面數(shù)，是從動盤數(shù)的兩倍。

摩擦盤的平均摩擦半徑RC，根據(jù)壓力均勻的假設(shè)，可表示為

故RC=10 mm，兩摩擦盤的尺寸相同。

(2)調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計

調(diào)整環(huán)節(jié)是測力機構(gòu)的重要組成部分。在設(shè)計測力機構(gòu)時應(yīng)注意考慮測量力調(diào)整，調(diào)整環(huán)節(jié)的設(shè)計應(yīng)注意到調(diào)整范圍和調(diào)整的靈敏性。為了使壓縮彈簧對摩擦盤的力作用在平均摩擦半徑上，可選彈簧的D2為20 mm。彈簧的最大壓力Fmax為80 N。彈簧材料選為碳素彈簧絲Ⅰ類。其切變模量G=81 400～78 500 N·mm－2，對于該壓縮彈簧取為80 000 N·mm－2

取d=2 mm，則C=D2/d=10，σB=2 000 N·mm，[τT]=0.3σB=600 N·mm

所以可取d=2 mm，壓縮彈簧特性為:

其中:F、λ為彈簧所承受的力和變形量;

D2、d、n為彈簧中徑、簧絲直徑和有效工作圈數(shù);

G為彈簧切變模量。

利用式(4)，可求出彈簧有效圈數(shù):

當有F=80 N的壓力時，λ=6 mm，則可得:n=1.5，取p=7 mm，選用端部并緊、磨平、支撐圈為1圈的形式(YI)。

則總?cè)?shù)n1為:n1=n+2=3.5

自由高度H0為:H0=np+1.5d=13.5 mm

并緊高度Hb為:Hb=(n+1.5)d=6 mm

為了使壓縮彈簧不失穩(wěn)，其高徑比在兩端都固定時應(yīng)該小于5.3，而對于該彈簧，其高徑比明顯滿足穩(wěn)定性要求[3]。

(3)驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計

由于使用步進電機驅(qū)動，綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點與需要，選用德國MOTEC 公司生產(chǎn)的SM2-42 兩相混合式步進電機，選用MOTEC 兩相混合式步進電機正弦細分驅(qū)動器SD2。該驅(qū)動器克服了傳統(tǒng)步進電機低速爬行、有共振區(qū)、噪聲大、驅(qū)動器可靠性差的缺點。

4 結(jié)束語

摩擦驅(qū)動測力機構(gòu)是軸類零件直徑測量系統(tǒng)測量精度的重要保證，不僅滿足了儀器的運動要求，還將該系統(tǒng)的測量精度控制到一定的水平。在進行摩擦驅(qū)動測力機構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該注意以下幾點:(1)摩擦副要在一定的彈簧壓緊力作用下工作，保證傳動可靠，而又要防止接觸點發(fā)生塑性變形[8];(2)傳動件和摩擦盤要有較高的尺寸精度和形狀位置誤差精度，使傳動平滑舒適，無時松時緊及突跳現(xiàn)象，這樣才能獲得較高的傳動靈敏度。

【1】張善鍾.精密儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

【2】李玉和，郭陽寬.現(xiàn)代精密儀器設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社，2010.

【3】徐守品，陳閩鄂.測量力的確定及測力機構(gòu)[J].計量與測試技術(shù)，2009(5):59－62.

【4】龐振基，黃其圣.精密機械設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

【5】裘祖榮.精密機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.

【6】楊黎明，楊志勤.機械設(shè)計簡明手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008.

【7】李勇，周騁，郭旻.采用步進電機驅(qū)動的摩擦傳動微進給機構(gòu)[J].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，22(2):170－173.

【8】苑文瑛.淺談摩擦驅(qū)動機構(gòu)[J].航空精密制造技術(shù)，1991(5):16－19.