張波 曾燕華 張文建 唐冬梅 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件同軸度測(cè)量系統(tǒng)

張波 曾燕華 張文建 唐冬梅 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

根據(jù)渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件的同軸度測(cè)量需求，研制了一套測(cè)量渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件同軸度的檢具，并創(chuàng)建了基于LabVIEW的測(cè)量軟件。對(duì)渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件的同軸度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，并進(jìn)行了測(cè)量不確定度評(píng)定。研究結(jié)論表明，同軸度的測(cè)量結(jié)果達(dá)到預(yù)定的技術(shù)要求，所研制的同軸度測(cè)量系統(tǒng)適用于渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件的同軸度測(cè)量。

同軸度測(cè)量；渦輪部件；螺柱標(biāo)準(zhǔn)件；LabVIEW；不確定度

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，以及機(jī)械制造業(yè)發(fā)展速度的日益加快，各機(jī)械產(chǎn)品制造廠商和客戶對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的加工質(zhì)量、裝配精度的要求越來(lái)越高。渦輪增壓器與變速箱在機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，而螺柱標(biāo)準(zhǔn)件在渦輪增壓器和變速箱中的應(yīng)用又十分普遍，因此，為保證渦輪增壓器和變速箱的裝配精度就必須先保證渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸準(zhǔn)確度，其中同軸度是衡量其尺寸準(zhǔn)確度的一個(gè)重要參數(shù)。

本課題主要針對(duì)沒(méi)有頂尖孔的渦輪部件和螺柱標(biāo)準(zhǔn)件同軸度的測(cè)量技術(shù)空白，提出了一種渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件同軸度的測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢具以及用虛擬儀器的方法達(dá)到測(cè)量同軸度的目的。課題研制的同軸度測(cè)量檢具可以很好地完成對(duì)螺紋同軸度的測(cè)量，解決機(jī)械行業(yè)中重要部件的量值溯源工作。

1 檢具硬件設(shè)計(jì)

本課題設(shè)計(jì)的渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件同軸度測(cè)量檢具由底座、V形夾緊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌測(cè)量機(jī)構(gòu)和電感測(cè)頭四部分組成。

底座是整個(gè)檢具的基礎(chǔ)，V形夾緊機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌測(cè)量裝置都固定在底座上，兩個(gè)電感測(cè)頭固定在與被測(cè)螺柱標(biāo)準(zhǔn)件等高的位置上，檢具總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在用檢具測(cè)量被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件同軸度時(shí)，被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件的圓柱部分被壓緊在V形架上，滾動(dòng)軸承帶動(dòng)被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件沿圓周旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，測(cè)針在螺紋的帶動(dòng)下沿標(biāo)準(zhǔn)件軸線的方向以一個(gè)周期一個(gè)螺距的速度移動(dòng)。螺柱標(biāo)準(zhǔn)件具有不同的規(guī)格，所以本文根據(jù)螺紋規(guī)格設(shè)計(jì)了幾種最佳三針直徑的測(cè)頭，以滿足螺柱標(biāo)準(zhǔn)件同軸度的測(cè)量需求。

圖1 同軸度測(cè)量檢具

本課題選擇差動(dòng)電感式位移傳感器，并選用了三門峽中原量?jī)x股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為DG03的電感測(cè)頭，其分辨力0.1 μm，量程±1.0 mm，輸出電壓的靈敏度70 mV/mm。此電感測(cè)頭測(cè)力較小，在0.55 ～ 0.75 N之間，這有利于減小測(cè)力引起的測(cè)量變形。檢具中兩個(gè)電感測(cè)頭固定在與被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件等高、且與被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件軸線垂直的位置上。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)軟件三部分組成。

傳感器的靈敏度為70 mV/mm，被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件的同軸度在幾微米，所以傳感器輸出的電壓信號(hào)只有零點(diǎn)幾毫伏，不能直接被數(shù)據(jù)采集卡讀取，從而需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大。本文采用高精度運(yùn)算放大器來(lái)對(duì)其進(jìn)行放大處理，選用AD620儀表放大器，并通過(guò)兩級(jí)運(yùn)放來(lái)得到所需的放大倍數(shù)。

經(jīng)放大電路放大之后的信號(hào)可以被數(shù)據(jù)采集卡讀取。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用USB5935數(shù)據(jù)采集卡，它基于USB總線，可直接插在計(jì)算機(jī)的USB接口上，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行分析和處理。

從數(shù)據(jù)采集卡輸出的信號(hào)到達(dá)計(jì)算機(jī)后通過(guò)LabVIEW軟件來(lái)顯示。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用LabVIEW設(shè)計(jì)了圖形化顯示界面來(lái)顯示同軸度測(cè)量變化曲線，并將兩個(gè)曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)相減之后絕對(duì)值的最大值，即被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件的同軸度值顯示出來(lái)。本系統(tǒng)采用了LabVIEW程序設(shè)計(jì)中的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式。生產(chǎn)者循環(huán)即數(shù)據(jù)產(chǎn)生/采集端產(chǎn)生數(shù)據(jù)后先放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)消費(fèi)者循環(huán)即數(shù)據(jù)顯示/分析需要使用數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，則從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)即可。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集設(shè)置和數(shù)據(jù)采集與結(jié)果顯示兩個(gè)模塊。數(shù)據(jù)采集設(shè)置模塊主要有通道設(shè)置、定時(shí)設(shè)置和記錄設(shè)置等。數(shù)據(jù)采集設(shè)置主要是對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道、接線端配置以及最大/最小電壓進(jìn)行設(shè)置。定時(shí)設(shè)置主要是對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘源、采樣數(shù)、采樣模式、采樣率等進(jìn)行設(shè)置。而記錄設(shè)置則主要是對(duì)采集系統(tǒng)的記錄模式進(jìn)行設(shè)置，以及指定用于記錄數(shù)據(jù)的TDMS文件的路徑。數(shù)據(jù)采集設(shè)置前面板和數(shù)據(jù)采集結(jié)果顯示面板分別如圖2和圖3所示。

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與分析

本次實(shí)驗(yàn)主要對(duì)螺柱標(biāo)準(zhǔn)件M12進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量在溫度（20±0.3）℃、濕度53% RH的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，根據(jù)被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件的螺紋規(guī)格選擇相應(yīng)直徑的測(cè)針，并把它固定在導(dǎo)軌測(cè)量裝置上。調(diào)整垂直于被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件軸線方向的導(dǎo)軌，使得測(cè)量時(shí)測(cè)針有合適的測(cè)量力。用一根圓柱度小于0.5 μm的小圓棒固定在V形架上，并把測(cè)針壓緊在小圓棒上，調(diào)整導(dǎo)軌的方向，使左右兩根導(dǎo)軌在20 mm行程中LabVIEW界面顯示的最大值變化小于1 μm，這就可以使測(cè)量檢具中由于導(dǎo)軌和螺柱標(biāo)準(zhǔn)件的基準(zhǔn)軸線不平行而帶入的同軸度測(cè)量誤差小于1 μm。接著把被測(cè)螺柱標(biāo)準(zhǔn)件M12的圓柱部分壓緊在V形架上，把測(cè)針?lè)湃肼菁y中，將讀數(shù)清零。驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)軸承，使被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件均勻旋轉(zhuǎn)，左右兩邊電感測(cè)微儀示值之差t中的最大值（絕對(duì)值）t（max）作為該被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件的同軸度誤差。然后重復(fù)測(cè)量多次，并求其平均值作為同軸度測(cè)量結(jié)果。

圖2 數(shù)據(jù)采集設(shè)置前面板

圖3 數(shù)據(jù)采集結(jié)果顯示前面板

對(duì)螺柱標(biāo)準(zhǔn)件M12進(jìn)行了四次測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 ～圖7所示。圖中的縱坐標(biāo)為左右兩邊電感測(cè)微儀示值之差t。

圖4 第一次測(cè)量數(shù)據(jù)

圖5 第二次測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6 第三次測(cè)量數(shù)據(jù)

圖7 第四次測(cè)量數(shù)據(jù)

由圖4 ～ 圖7的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，四次測(cè)量得到的t（max）在6.3 ～ 6.5 μm范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該同軸度測(cè)量檢具在相同的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)同軸度的測(cè)量具有良好的重復(fù)性。

4 測(cè)量不確定度評(píng)定

測(cè)量模型：

t=|Ma- Mb|

式中：Ma— 左邊電感測(cè)微儀的示值；

Mb— 右邊電感測(cè)微儀的示值

輸入量t的測(cè)量不確定度來(lái)源主要有：

1）渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件同軸度測(cè)量檢具測(cè)量同軸度時(shí)測(cè)量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（|Ma-Mb|）；

2）電感測(cè)頭的分辨力引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（ δ|Ma- Mb|）；

3）電感測(cè)頭的示值誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（ Δ|Ma- Mb|）；

4）由膨脹系數(shù)差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（δα）；

5）由溫差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（δt）；

6）由電感測(cè)頭的測(cè)力引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（ F|Ma- Mb|）；

7）由三針的形狀誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（ x|Ma- Mb|）；

8）由于導(dǎo)軌和螺柱標(biāo)準(zhǔn)件的基準(zhǔn)軸線不平行引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（ΔP）；

9）由于電感測(cè)頭和螺柱標(biāo)準(zhǔn)件的基準(zhǔn)軸線不垂直引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（ΔS）；

10）由于測(cè)量時(shí)平行四邊形機(jī)構(gòu)上下有微量移動(dòng)，由測(cè)量接觸面的平面度引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（ΔC）；

11）由于測(cè)量時(shí)平行四邊形機(jī)構(gòu)上下有微量移動(dòng)，測(cè)量值和實(shí)際值的偏差引起的不確定度u（ΔD）。

表1 主要測(cè)量不確定度來(lái)源及計(jì)算結(jié)果匯總表

以上各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量相互獨(dú)立。合成不確定度：

擴(kuò)展不確定度（取k= 2）：

主要測(cè)量不確定度來(lái)源及計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件同軸度測(cè)量方法為研究對(duì)象，完成了渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件同軸度測(cè)量檢具的機(jī)械設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的渦輪部件及螺柱標(biāo)準(zhǔn)件同軸度測(cè)量檢具的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)和測(cè)量不確定度評(píng)定結(jié)果表明，同軸度測(cè)量結(jié)果的不確定度為3 μm，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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Coaxiality measurement system of turbine components and stud standard parts

Zhang Bo， Zeng Yanhua， Zhang Wenjian，
Tang Dongmei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

According to the demands of coaxiality measurement for turbine components and stud standard parts， a set of checking fixture is developed in this paper， and a software based on LabVIEW is built for the measurement.The experimental investigation for coaxiality measurement of turbine components and stud standard parts is conducted， and the measurement uncertainty is evaluated.The research conclusions show that the results of coaxiality measurement reaches the technical requirement，and the developed measurement system is appropriate for coaxiality measurement of turbine components and stud standard parts.

coaxiality measurement； turbine component； stud standard part； LabVIEW； uncertainty