郝金超 楊 波 曾志強(qiáng) 王 凡 李紅剛 肖 雄

(①中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西太原 030051;②太原科技大學(xué)，山西太原 030051)

對(duì)于小壁厚筒形零件的壁厚測(cè)量，目前國(guó)內(nèi)比較常用的方法是手持量具或手動(dòng)方式來(lái)進(jìn)行抽樣測(cè)量:如采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行壁厚檢測(cè)，這種檢測(cè)方法需要有經(jīng)驗(yàn)的工人進(jìn)行精細(xì)操作;也有用雙探針來(lái)進(jìn)行壁厚測(cè)量，這種方式所采用的探針架在測(cè)量小壁厚零件時(shí)由于環(huán)境限制，一般制造較細(xì)，這樣就容易發(fā)生彈性變形，造成額外的測(cè)量誤差，此外這種檢測(cè)方式只能檢測(cè)軸向方向的尺寸，如果是徑向非勻質(zhì)制件則不能進(jìn)行檢測(cè)。隨著零件的加工精度要求越來(lái)越高，對(duì)某些關(guān)鍵產(chǎn)品的檢測(cè)要求越來(lái)越嚴(yán)格，而且通常要求100%檢測(cè)，以避免不合格零件導(dǎo)致災(zāi)難性后果。該產(chǎn)品生產(chǎn)批量大，毛坯是經(jīng)多次沖壓成型后經(jīng)專用車床車制而成，壁厚的均勻度直接影響炮彈發(fā)射彈著點(diǎn)的準(zhǔn)確性，但是該尺寸不能由沖壓工藝完全保證，因此對(duì)該尺寸的檢測(cè)十分必要。目前基本采用人工抽檢的方式來(lái)測(cè)量壁厚，這種測(cè)量方式存在效率低，測(cè)量點(diǎn)少，精度差，易因主觀因素造成測(cè)量誤差，導(dǎo)致誤測(cè)。因此設(shè)計(jì)一種新的壁厚測(cè)量方法，來(lái)提高藥筒壁厚的檢測(cè)效率和檢測(cè)精度十分必要。本文根據(jù)藥筒的壁厚測(cè)量要求，設(shè)計(jì)了一種薄壁筒形零件通用檢測(cè)設(shè)備，并給出了測(cè)量原理、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、誤差分析、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)論。

1 被檢測(cè)對(duì)象及測(cè)量原理

圖1為某炮彈的藥筒部分簡(jiǎn)圖，炮彈發(fā)射是通過(guò)藥筒底火點(diǎn)火，引燃藥桶內(nèi)的火藥，瞬時(shí)燃燒產(chǎn)生巨大的氣體和熱量，從而將彈體從炮口高速推射出去。目前藥筒通常采用多次沖壓成型的方式，雖然成本較低，加工效率高，但不可避免的會(huì)造成筒壁厚度的不均，如果差距較大，會(huì)影響彈體的裝配和發(fā)射精度。因此，需要對(duì)藥筒的筒壁厚度進(jìn)行測(cè)量，以獲得工件壁厚值，來(lái)評(píng)定工件是否合格。

由于該型產(chǎn)品藥筒直徑小，內(nèi)外徑的圓弧曲率大，精度要求較高，不宜采用電渦流等常見的壁厚測(cè)量方法，因此采用直接在藥筒輪廓面徑向方向進(jìn)行測(cè)量的方案，如圖2所示。保證測(cè)量傳感器的接觸點(diǎn)與定位滾輪接觸點(diǎn)的連線始終處于被測(cè)點(diǎn)的法線方向。為了減小測(cè)量誤差的影響，采用對(duì)藥筒輪廓面同一圓周厚度值的多次測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，然后按照誤差評(píng)定理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到符合精度要求的測(cè)量結(jié)果。

采用接觸式測(cè)量方法，主要采用位移傳感器對(duì)藥筒的壁厚進(jìn)行接觸式測(cè)量。在無(wú)工件時(shí)，傳感器探頭下行與定位輥?zhàn)咏佑|，傳感器測(cè)頭壓縮一初始量，標(biāo)定厚度為0。當(dāng)加裝工件后，傳感器探頭收縮量增加一個(gè)壁厚δ，對(duì)應(yīng)的位移傳感器電壓信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示在計(jì)算機(jī)上，通過(guò)傳感器的標(biāo)定數(shù)值可求出該處的壁厚值。

2 藥筒壁厚測(cè)量系統(tǒng)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)部分

如圖3，測(cè)量機(jī)構(gòu)采用位移傳感器對(duì)壁厚進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)上料機(jī)構(gòu)將工件推入定位輥?zhàn)?，并將工件固定在定位輥?zhàn)由?，然后升降氣?收縮，升降臺(tái)1下降，高精度滾輪8壓緊工件，傳感器探頭與工件接觸，傳感器探頭收縮，傳感器探頭收縮量即為該點(diǎn)的壁厚值。然后高精度滾輪8由后方電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)工件7旋轉(zhuǎn)，控制程序按照預(yù)先設(shè)置的采樣頻率對(duì)工件一周的壁厚值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)信號(hào)處理

在機(jī)械系統(tǒng)提供的測(cè)量系統(tǒng)滿足要求后，就可進(jìn)行信號(hào)測(cè)量，信號(hào)處理的流程如圖4，其中放大電路的精度要與傳感器精度保持一致。模擬濾波電路是必需的，其頻率要與后而的采樣頻率一致，防止數(shù)字采樣時(shí)發(fā)生混頻現(xiàn)象。采樣A/D的位數(shù)精度也應(yīng)和傳感器精度一致。信號(hào)采樣頻率根據(jù)工件測(cè)量速度要求進(jìn)行合理選擇。后期數(shù)據(jù)處理及輸出由計(jì)算機(jī)完成，并依據(jù)用戶要求顯示、輸出、存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。

(2)軟件系統(tǒng)

藥筒檢測(cè)設(shè)備主要由操作界面、測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊3大部分組成，各模塊由相應(yīng)的小模塊組成，如圖5所示。

測(cè)量軟件的功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的選擇性采集、存儲(chǔ)和瀏覽顯示，利用誤差評(píng)定理論對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將最終處理結(jié)果進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

根據(jù)軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能選擇既有良好的圖形界面編輯功能又通俗易懂的VISUALBASIC6.0語(yǔ)言進(jìn)行編寫。由于本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)類型單一，采集數(shù)據(jù)較少，所以選用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)完全能滿足要求。

表1

在軟件設(shè)計(jì)中，測(cè)量模塊主要涉及3部分:通信部分，數(shù)據(jù)采集處理部分，顯示部分。分別利用MSComm控件來(lái)實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的采集;利用Timer控件來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)采集與數(shù)據(jù)處理，具體流程如圖6;利用MSchart控件來(lái)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)繪制數(shù)據(jù)圖形來(lái)顯示數(shù)據(jù)分布關(guān)系及檢驗(yàn)合格率。

(3)數(shù)據(jù)處理

由于采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)較多，對(duì)采集的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行與壁厚上限值的數(shù)據(jù)比較剔除粗大誤差，然后通過(guò)五點(diǎn)三次平滑法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，處理后的數(shù)據(jù)較未處理數(shù)據(jù)的曲線更加平滑，精度更高，如圖7。最后求算術(shù)平均值與最大最小值，最終得到測(cè)量結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)及誤差分析

3.1 對(duì)比試驗(yàn)

使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)工件一周進(jìn)行內(nèi)外徑測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出壁厚尺寸，并和測(cè)厚儀測(cè)得的實(shí)際尺寸進(jìn)行比較。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖8中可以看出，采用壁厚測(cè)量?jī)x得出的測(cè)量結(jié)果比三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)得結(jié)果波動(dòng)量不大，最大誤差為15 μm左右，但操作簡(jiǎn)便，耗時(shí)短(2 s)，便于用于大規(guī)模檢測(cè)。

3.2 測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性精度分析

選擇一個(gè)藥筒工件在筒形小壁厚自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備上進(jìn)行多次重復(fù)性檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果見表1。

從數(shù)據(jù)中可以看出，多次測(cè)量結(jié)果之間的最大誤差在10 μm左右，重復(fù)滿足設(shè)計(jì)要求。

該測(cè)厚儀的誤差主要來(lái)自以下幾個(gè)方面:輥?zhàn)诱`差、傳感器誤差、機(jī)械制造誤差、定位誤差等。

4 結(jié)語(yǔ)

本控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)藥筒壁厚參數(shù)精確、快速、經(jīng)濟(jì)的測(cè)量，其厚度實(shí)際測(cè)量誤差在20 μm以內(nèi)，完全能夠滿足對(duì)藥筒檢測(cè)的精度要求，經(jīng)某些部件改進(jìn)還可用于不同尺寸薄壁件的壁厚檢測(cè)。此外，本系統(tǒng)成本造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，效率高，測(cè)量范圍較廣，利于控制和掌握，適于大面積推廣和應(yīng)用。

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