齊偉　陳新春　王燦　閆乃晴

本文研究了深孔直線度制造精度檢測途徑。借鑒激光跟蹤儀測量原理，設(shè)計深孔直線度檢測運載裝置，建立運載機構(gòu)仿真模型。利用ADAMS對運載機構(gòu)中彈簧力進行仿真分析及優(yōu)化。結(jié)果表明，彈簧剛度為8.000N/mm，預載力為16N時，測得的正壓力為32.20N，滿足33±1N的設(shè)計要求。本研究為深孔直線度檢測裝置設(shè)計、制造和調(diào)試提供了技術(shù)支持。

一、前言

深孔是機械行業(yè)應用最為廣泛的形面之一，如工程機械中的液壓缸缸筒內(nèi)孔、壓路機振動輪軸承座孔系、挖掘機大臂孔系等，這些形面的加工質(zhì)量直接影響著機械產(chǎn)品的使用性能。由于缺乏檢測手段，目前主要依賴加工設(shè)備保證制造精度，嚴重地限制了產(chǎn)品質(zhì)量提升。近年來，隨著技術(shù)進步，機械行業(yè)開始逐步探索深孔直線度、圓度、平行度和孔系同軸度等制造精度的檢測途徑。如何將孔信息傳遞給檢測單元，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題?；谶@種現(xiàn)狀，本研究借鑒激光跟蹤儀測量原理，設(shè)計深孔直線度檢測運載裝置。利用ADAMS對彈簧力進行仿真分析及優(yōu)化，獲得滿足給定運動要求的檢測運載裝置。

運載機構(gòu)如圖1所示，包括橫筒、變幅輪架、鎖幅墊塊、鎖幅螺栓、銷軸、滾輪、調(diào)壓螺釘、立板、螺釘和彈簧。橫筒用于承載光敏元件、反光棱鏡等檢測單元，與立板通過定位銷、螺釘連接。變幅輪架用于支承所述滾輪，在彈簧作用下，使得滾輪壓于孔內(nèi)壁，與立板、滾輪通過銷軸連接。鎖幅墊塊用于鎖止變幅輪架動作，通過鎖幅螺栓固定，在非工作狀態(tài)，三個鎖幅墊塊均處于鎖死狀態(tài)，防止彈簧丟失、運載裝置受損，在直線度檢測中，三個鎖幅墊塊均卸下。根據(jù)檢測對象，運載裝置自適應內(nèi)孔，并將內(nèi)孔信息傳遞給檢測單元。立板用于支承運載裝置，并且兩塊立板處于平行狀態(tài)，同時確保滾輪圓周位置分別相對。橫筒、變幅輪架及立板均采用硬鋁合金材料制成，以便于輕量化運載裝置。

檢測過程中，運載機構(gòu)在內(nèi)孔中行走，滾輪在彈簧的作用力下對孔內(nèi)壁產(chǎn)生正壓力。但是，壓力過大會造成滾輪對孔內(nèi)壁劃傷，影響孔表面質(zhì)量；壓力過小會造成運載機構(gòu)在行走過程中旋轉(zhuǎn)，影響檢測精度。因此，合理設(shè)計運載機構(gòu)中滾輪對被測孔內(nèi)壁的壓力是保證檢測裝置有效性的最關(guān)鍵因素。

二、運載機構(gòu)多剛體仿真模型的建立

簡化模型既可以提高計算速度，又可以確保計算的精度。依據(jù)前期設(shè)計模型，簡化運動過程、各部件問的相互受力關(guān)系、運動關(guān)系。對螺釘、調(diào)整壓釘及銷軸等進行忽略處理。

1.模型的導入

利用Pro/ENGINEER軟件將簡化好的模型保存為xT格式，并在ADAMS軟件下打開保存好的X-T格式模型。為了提高計算速度與精度，盡可能減少零部件和運動副的數(shù)量。在ADAMS軟件下將沒有相對運動的部位進行求和、命名并更改顏色，便于在后期操作過程中識別零件。

2.添加約束與彈簧

如圖3所示，簡化模型中沒有建立被測孔模型，故將被測孔默認為group。建立與滾輪接觸的加載平板，滾輪與加載平板通過點面接觸副相連，加載平板與group相連。變幅輪架與立板之間沿立板安裝孔添加旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)副的摩擦系數(shù)為0.3。根據(jù)運載模型變幅輪架工作狀態(tài)，在變幅輪架與立板彈簧裝配位置創(chuàng)建對稱的marker點，并在marker點之間添加彈簧。

三、基于ADAMS動態(tài)仿真及優(yōu)化

根據(jù)被測孔材料的物理性能，以及運載機構(gòu)在孔內(nèi)平穩(wěn)行走，確定滾輪對內(nèi)孔的正壓力為33N±1N的設(shè)計要求。經(jīng)過計算，運載機構(gòu)彈簧力初始設(shè)計參數(shù)為彈簧剛度為6.667N/mm，預載力為12N。

根據(jù)被測孔的精度，設(shè)計其行走方程為：

y=2sinw1

1.ADAMS動態(tài)仿真

通過ADAMS軟件對初始設(shè)計參數(shù)進行動態(tài)模擬仿真，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)仿真曲線測量結(jié)果可以得出初始設(shè)計狀態(tài)的孔內(nèi)壁所受最大壓力為30.87N，不滿足設(shè)計要求。由于運載機構(gòu)在內(nèi)孔中行走，滾輪在彈簧的作用力下對孔內(nèi)壁產(chǎn)生正壓力。壓力小于設(shè)計要求，會造成運載機構(gòu)在行走過程中旋轉(zhuǎn)，影響檢測精度。影響滾輪對被測孔壁正壓力的主要因素有滾輪結(jié)構(gòu)，裝置總質(zhì)量、彈簧剛度及預載力等?？紤]到盡可能地減少變動零部件設(shè)計，因此需要對彈簧的參數(shù)進行優(yōu)化。

2.ADAMS仿真優(yōu)化

運載機構(gòu)對被測孔的壓力過小說明彈簧剛度及預載力過小，增加彈簧剛度及預載力可以達到預期效果。針對彈簧剛度和預載力采用田口設(shè)計方法，選取兩因素三水平彈簧參數(shù)，進行DOE實驗，仿真實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

對比滾輪對內(nèi)孔的正壓力為33N+1N的設(shè)計要求，從實驗結(jié)果表1中可以看出當彈簧剛度為7.273N/mm、預載力為16N；彈簧剛度為8.000N/mm、預載力為16N時，均符合33±1N設(shè)計要求。

由于運載機構(gòu)實際檢測過程中，滾輪對被測量孔徑變化響應速度越快，檢測效率與精度就越高，據(jù)此對上述優(yōu)化結(jié)果進行了滾輪變化速度仿真優(yōu)化實驗，如表2所示。

從表2中可以看出，彈簧剛度為7.273N/mm、預載力為16N時，滾輪速度為24.34mm/s；彈簧剛度為8.000N/mm、預載力為16N時，滾輪速度為26.08mm/s。結(jié)果表明，當彈簧剛度越大，滾輪變化速度越大，滾輪對被測量孔徑變化響應速度就越快，檢測效率與精度就越高。因此，在設(shè)計檢測運載裝置時最終選擇彈簧剛度為8.000N/mm，預載力為16N的參數(shù)組合。

四、結(jié)語

本研究圍繞深孔直線度檢測設(shè)計了直線度檢測運載裝置，利用ADAMS軟件建立運載機構(gòu)仿真模型，對彈簧參數(shù)進行了仿真分析與優(yōu)化，得出了以下結(jié)論：

（1）借鑒激光跟蹤儀測量原理，設(shè)計了直線度檢測運載裝置。

（2）彈簧設(shè)計參數(shù)為彈簧剛度8.000N/mm、預載力16N時，滿足滾輪對內(nèi)孔的正壓力33+1N的設(shè)計要求。

（3）本研究為深孔直線度檢測裝置設(shè)計、制造及調(diào)試提供了技術(shù)支持。