章璐， 張棉好， 鄧震宇， 陳光輝， 王曉煒， 嚴(yán)曉夢

（浙江師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，浙江 金華321019）

0 引言

目前市場上的形位公差測量儀器大多為比較精密的實驗設(shè)備，功能上以滿足實際生產(chǎn)應(yīng)用和研究型實驗需求為主，一般價格昂貴，操作環(huán)境要求嚴(yán)格，用于頻繁測量一般精度的零件并不經(jīng)濟(jì)，所以市場上有一些經(jīng)濟(jì)型的專用形位公差測量儀器，但測量功能單一，在實踐中已證實有很大的局限性。

綜上，提出了設(shè)計本臺簡易式形位誤差測量儀的構(gòu)想。設(shè)備測量種類多可測量直線度、圓度、圓柱度、平面度、平行度、同軸度、跳動公差等，并且將機(jī)械和軟件技術(shù)結(jié)合，以簡潔、適用的機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將設(shè)備改變傳統(tǒng)測量過程操作復(fù)雜、數(shù)據(jù)結(jié)果處理繁瑣的弊端。文中首先確定了測量儀總體方案；其次是系統(tǒng)機(jī)械部分和控制部分設(shè)計；最后是簡單的實際操作步驟。

1 測量儀總體方案設(shè)計

為滿足工件形位誤差的測量，需要測量頭進(jìn)行多個方向的運(yùn)動，并由測量頭所測誤差值與計算機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為此，總體方案如圖1所示。

圖1 測量儀總體方案

2 機(jī)械部分設(shè)計

要實現(xiàn)對工件形位公差項目的測量，測量點(diǎn)需要實現(xiàn)三個坐標(biāo)方向上獨(dú)立的運(yùn)動。為了確定設(shè)備機(jī)械部分應(yīng)實現(xiàn)的功能，需選擇能保證精度和經(jīng)濟(jì)相平衡的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時選擇合適的關(guān)鍵部件以實現(xiàn)運(yùn)動的靈活性和準(zhǔn)確性。

2.1 結(jié)構(gòu)方案確定

傳統(tǒng)上能實現(xiàn)三個坐標(biāo)方向上運(yùn)動的結(jié)構(gòu)主要包括：移動橋式結(jié)構(gòu)、儀器臺式結(jié)構(gòu)、懸臂式結(jié)構(gòu)。

圖2為移動橋式結(jié)構(gòu)，測量時工件置于工作臺，測量表頭安裝在主軸上，通過橋架、滑架和主軸的運(yùn)動實現(xiàn)X、Y、Z三個方向上的運(yùn)動。

圖2 移動橋式結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為儀器臺式結(jié)構(gòu)，測量表和主軸組件安裝在滑架上，測量時通過移動立柱、滑架和工作臺來實現(xiàn)X、Y、Z三個方向上的運(yùn)動。

圖4為懸臂式結(jié)構(gòu)，也稱單立柱結(jié)構(gòu)，工作臺與基座為一體，測量表置于水平懸臂梁末端。通過立柱、滑架和水平懸臂的運(yùn)動，實現(xiàn)測量表在X、Y、Z三個方向上的運(yùn)動。

圖3 儀器臺式結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 懸臂式結(jié)構(gòu)示意圖

儀器臺式結(jié)構(gòu)由于工作臺尺寸受限，制造成本和后期維護(hù)成本高。移動橋式結(jié)構(gòu)采用平行導(dǎo)軌設(shè)計，加工裝配精度要求高，導(dǎo)致成本也高。懸臂梁結(jié)構(gòu)受結(jié)構(gòu)限制會產(chǎn)生不同的變形。

結(jié)合上述的分析和實際使用的情況，本課題中進(jìn)行了優(yōu)化，采用移動橋式的結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖5）。此外，因在進(jìn)行測量時Y方向的移動不頻繁，故Y方向采用橋架底部直接在工作臺面上移動的設(shè)計，并在工作臺的一側(cè)設(shè)置一限位塊，使橋架保持平行移動。

圖5 儀器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 本測量儀具體結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

絲桿傳動機(jī)構(gòu)傳動效率高，運(yùn)動平穩(wěn)，定位精度和重復(fù)定位精度高。Z向絲桿滑臺機(jī)構(gòu)安裝在橋架立柱上，X向絲桿滑臺機(jī)構(gòu)安裝在兩側(cè)Z向滑臺上，在X向滑臺上裝有百分表表座，數(shù)字顯示式百分表則安裝在表座內(nèi)。

如圖7所示，橋架立柱安裝在Y向滑臺上，在工作平臺上設(shè)置一個限位塊，限位塊的長度方向與Y向滑臺的方向平行，從而保證橋架與前面有一定的平行度。

圖6 總體結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制部分原理如圖8所示。

1）測量表頭的選用。數(shù)字顯示式百分表相比較傳統(tǒng)指針式百分表可以直接顯示被測值，有利于數(shù)據(jù)的傳輸和自動化處理。

2）控制器的選用。采用單軸步進(jìn)電機(jī)脈沖發(fā)生控制器，此控制器可簡單編程，能方便、簡單控制步進(jìn)電機(jī)步長和速度。

圖7 限位塊位置示意圖

4 形位公差測量示例

下面以測量圓柱的直線度誤差為例。具體測量步驟如下：

1）將被測工件兩頭的圓柱放置在V形塊上，使其中的一個V形塊的外側(cè)與限位塊靠齊。

2）如圖9所示，打開電源設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的步長和速度。將開關(guān)撥到Z位置，按控制器上的“-”按鈕，使測量表快速沿著Z方向向下運(yùn)動接近被測工件。當(dāng)測量表表頭快接近工件時將開關(guān)撥至X位置，按下控制器上的“-”按鈕，使百分表向X方向其中一個被測表面的端面移動。

圖8 控制系統(tǒng)原理圖

圖9 控制臺

然后，手推Y向滑塊使表頭位于被測表面最高處的正上方。將開關(guān)撥至Z位置，按下控制器的“-”按鈕，使測量表向下移動并使百分表保持一定的預(yù)緊力。最后使用相同的方法使百分表在X方向移動，靠近被測表面的另一端。

圖10 數(shù)據(jù)處理界面

（3）在測量過程中，百分表將測得的誤差數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中，電腦將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，計算機(jī)自動得出形位誤差值（如圖10）。

5 結(jié) 語

形位誤差測量儀在國內(nèi)外市場層出不窮，但考慮到制作的成本和應(yīng)用范圍上的限制不能大范圍推廣。本課題參考并借鑒了其他同類產(chǎn)品，使設(shè)備主要側(cè)重于精度和成本上的平衡。設(shè)備能減輕中小企業(yè)工作人員的工作強(qiáng)度并能在學(xué)校中作為教學(xué)器材。

［1］ 李建明.淺談形位公差帶的方向與方位［J］.機(jī)械工程與自動化，2004（1）：36－37，40.

［2］ 黃云清.公差配合與測量技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.