雷建波,王雙不

(1.海軍駐重慶艦船動力軍事代表室，重慶 402263； 2.重慶大學(xué) 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

【機械制造與檢測技術(shù)】

高精度多孔大跨距同軸度測量關(guān)鍵技術(shù)綜述

雷建波1,王雙不2

(1.海軍駐重慶艦船動力軍事代表室，重慶 402263； 2.重慶大學(xué) 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

多孔大跨距同軸度誤差直接影響傳動的精度與可靠性，不僅使傳動過程的附加載荷增加，而且會造成振動噪聲高，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運行。本文針對高精度多孔大跨距同軸度測量問題，在分析目前技術(shù)問題的基礎(chǔ)上，探討解決高精度大跨距同軸度測量方法的關(guān)鍵技術(shù)，為開發(fā)高精度多孔大跨距同軸度測量系統(tǒng)提供思路。

同軸度測量； 大跨距； 多孔零件； 關(guān)鍵技術(shù)

同軸度的偏差大，不僅可能導(dǎo)致軸孔配合的零件發(fā)生變形，出現(xiàn)卡死，在高速運轉(zhuǎn)條件下甚至?xí)?dǎo)致零件斷裂，而且會增大傳動過程中的摩擦，影響零件的使用和壽命，造成整個機器的振動噪聲升高。美國Monsanto化工公司跟蹤5年機器振動的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有60%的振動事故是由同軸度誤差引起的[1]。因此，控制同軸度水平對提高機器性能與可靠性具有重要意義。

同軸度(GBT 1182—2008)是指被測圓柱面軸線與基準(zhǔn)軸線的重合程度[2]，所采用的測量方法是一種間接測量方法。目前有回轉(zhuǎn)軸線法、準(zhǔn)直法(瞄靶法)、坐標(biāo)法、模擬法和功能量規(guī)檢測法等[3-8]，這些方法各有優(yōu)缺點，但可基本滿足一般孔類零件的同軸度測量要求。但是，對于多孔大跨距零件同軸度的高精度測量，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)軸線法需要多次改變測量基準(zhǔn)，難以在同一基準(zhǔn)的條件下實現(xiàn)精確測量。因此，探究高精度多孔大跨距同軸度的測量方法，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

多孔大跨距零件的同軸度測量問題一直是國內(nèi)外研究的難點。郭振英等[9]對回轉(zhuǎn)軸線法進(jìn)行了改進(jìn)，使用測桿替代傳統(tǒng)測量儀器，通過旋轉(zhuǎn)測桿測得被測孔的半徑變動量，對大跨距孔類零件實現(xiàn)較高精度的同軸度測量。袁忠偉[10]利用望遠(yuǎn)鏡的光軸體現(xiàn)測量基準(zhǔn)線，對大型工件兩孔同軸度誤差進(jìn)行測量。Qianghua Chen等[11]在大跨距激光同軸度測量方法上，針對激光易受空氣擾動影響，提出了基于橫向塞曼激光器和沃拉斯頓棱鏡的自適應(yīng)測量系統(tǒng)，能有效消除空氣擾動的影響。

20世紀(jì)以來，隨著位置敏感探測器(PSD)、光電藕合器件(CCD)和COMS圖像傳感器等的出現(xiàn)[12]，基于激光準(zhǔn)直的高精度同軸度測量技術(shù)得到快速發(fā)展。那云霄等[13]介紹了一種以激光作為測量基準(zhǔn)軸線的同軸度測量儀，利用CCD測量軸孔孔心的位置變化，可實現(xiàn)最大20 m長度工件的同軸度測量。Tingyu Wang等[14]提出了一種用于大中型船舶軸系支承孔同軸度的CMOS圖像傳感器測試方法。吳斌等[15]研制出一種基于PSD技術(shù)的孔-孔同軸度測量儀，并且采用了三爪自動定心卡具機構(gòu)結(jié)構(gòu)，具有較高的測量精度和位置分辨率。余厚云[16]和連強強[17]等也提出了基于PSD的大跨距孔系同軸度測量系統(tǒng)，設(shè)計了一種新型自定心多功能測頭。目前市面上主流的大跨距同軸度測試產(chǎn)品，如美國HAMAR LASER公司的激光同軸度檢測儀和瑞典FIXTUR LASER公司的激光對中儀等[18]，也是基于PSD和CCD技術(shù)發(fā)展而來。

大跨距同軸度測量方法經(jīng)過一段時間的發(fā)展，雖然在技術(shù)手段和測量精度上都有顯著的提高，但尚未達(dá)到多孔大跨距零件的高精度測試要求。

2 多孔大跨距同軸度誤差測量問題

利用回轉(zhuǎn)軸線法、準(zhǔn)直法(瞄靶法)、坐標(biāo)法、模擬法和綜合量規(guī)檢驗法測量多孔大跨距同軸度誤差時，會存在評價基準(zhǔn)選擇、大距離量具制造、測試裝置安裝等實際困難，導(dǎo)致大跨距同軸度誤差測量值精度受到影響。

2.1 同軸度誤差測量的放大與縮小問題

采用坐標(biāo)法測量多孔大跨距同軸度誤差時，其基準(zhǔn)可選擇：(1)截取基準(zhǔn)孔的2個截面，基于兩個截面中心連線的基準(zhǔn)軸線，評價被測孔的同軸度誤差，如圖1所示；(2)基于截取的基準(zhǔn)孔和被測孔的截面圓心連線，評價被測孔的同軸度誤差，如圖2所示。但是，對于孔直徑較大、孔間距離較遠(yuǎn)的零件，這兩種方法均可能將合格的產(chǎn)品判為不合格，將不合格的產(chǎn)品判為合格。

測量基準(zhǔn)選擇不當(dāng)，將合格產(chǎn)品判為不合格的情況，如圖1所示。即：采用基準(zhǔn)孔2個截面的圓心連線對被測孔截面進(jìn)行同軸度測量時，假設(shè)基準(zhǔn)孔截面圓心的實際制造誤差為a，兩截面相距為L，基準(zhǔn)孔截面和被測孔截面相距為3L，則基準(zhǔn)孔截面的中心制造誤差a被放大到了4a，顯然將誤差成倍放大了[8]。

圖1 同軸度的誤差被測量放大[8]

測量基準(zhǔn)選擇不當(dāng)，將不合格產(chǎn)品判為合格的情況，如圖2所示。即：分別在基準(zhǔn)孔和被測孔截取截面，基于兩圓心連線評價其同軸度誤差，其測量結(jié)果縮小了實際存在較大的同軸度誤差[10]。

圖2 同軸度的誤差被測量縮小[17]

2.2 同軸度誤差的合格判定精度問題

同軸度誤差合格與否的判定方法，一般采用機械測量法。一種是使用拉鋼絲和專用機械裝置一起配合檢測孔系的同軸度檢測方法[17]，如圖3所示，另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)測量量具的同軸度檢測方法[19]，如圖4所示。

圖3和圖4所示的2種方法適用于批量生產(chǎn)的車間生產(chǎn)檢驗，可快速判定產(chǎn)品合格與否。但是，存在無法獲取具體測量數(shù)值，精度受量具、夾具的制造及安裝精度影響。

圖3 拉鋼絲法測量同軸度[17]

2.3 多孔大跨距同軸度誤差的高精度測量問題

多孔同軸度誤差的高精度測量，一般采用激光準(zhǔn)直法，系統(tǒng)由激光器、光電接收裝置、數(shù)據(jù)采集處理單元、計算機等組成，如圖5所示。測量時調(diào)整接收裝置的靶心與被測孔圓心重合，沿著孔系方向，依次測量所有的孔徑，與基準(zhǔn)軸線偏差值的最大偏差值的2倍就是需要系統(tǒng)測量的同軸度誤差值[16]。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)專用量具法測量同軸度[17]

圖5 激光準(zhǔn)直法測量同軸度[16]

基于激光準(zhǔn)直法的多孔大跨距同軸度測量系統(tǒng)，具有較高精度和一定程度上的智能化測量特點[17]。但是，該測試方法受到多自由度平臺、自定心測頭、孔徑變化、激光光斑、基準(zhǔn)與系統(tǒng)校準(zhǔn)、同軸度算法等諸多因素影響，其測量精度亦存在提高空間。

3 高精度多孔大跨距同軸度測量關(guān)鍵技術(shù)測量基準(zhǔn)

測量基準(zhǔn)的選擇對多孔大跨距同軸度測量的精度起決定性作用。

常規(guī)同軸度測量方法如坐標(biāo)法，基準(zhǔn)孔是主要測量基準(zhǔn)。基準(zhǔn)孔選擇不當(dāng)，會導(dǎo)致同軸度誤差測量出現(xiàn)偏差，現(xiàn)有的解決方法一般是增大基準(zhǔn)截面間距離，或者建立公共軸線作為基準(zhǔn)軸線和直線度替代同軸度方法。但這些方法依然不能有效地消除測量偏差，如何判斷基準(zhǔn)截面間的最優(yōu)距離以及如何防止公共軸線和直線度替代同軸度引起的同軸度誤差縮小等問題，是目前尚待解決的技術(shù)難點之一。

3.1 孔徑變化及截面測點數(shù)的影響

對于光學(xué)反射鏡的自準(zhǔn)直儀的同軸度測量方法，孔徑的變化會導(dǎo)致支承點位置的變化，導(dǎo)致反射鏡在垂直方向上發(fā)生角度變化，同軸度的測量值有可能與實際值相比出現(xiàn)放大或縮小的問題。

同樣，截面測點數(shù)的選擇也影響同軸度測量的精度。例如，多孔大跨距同軸度測量系統(tǒng)，如采用三爪機構(gòu)測頭，截面測點數(shù)只有三個，難以描述孔系準(zhǔn)確的表面形狀，導(dǎo)致截面中心點的計算誤差。

測頭旋轉(zhuǎn)再測量或者增加測爪數(shù)量，可使截面測點數(shù)增加，能更精確地描述被測孔表面形狀。但是，測爪過多又會使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致加工成本增加。因此，如何做到二者的統(tǒng)一，亦是目前需要解決的技術(shù)難點之一。

3.2 自定心測頭的精度與設(shè)計

在激光同軸度測量系統(tǒng)中，自定心測頭是整個測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，自定心測頭的設(shè)計是否合理決定了數(shù)據(jù)采集的正確性。自定心測頭一般由三爪機構(gòu)、光電傳感器和驅(qū)動機構(gòu)組成。目前的測頭存在三爪機構(gòu)的制造誤差和三爪機構(gòu)固定測量截面的位置誤差等問題，會導(dǎo)致三爪機構(gòu)的對稱中心與被測孔中心不一致的測量誤差，影響高精度測量，同時測頭長度越長其撓度越大，也將影響大跨距同軸度的測量精度。所以，自定心測頭的精度與設(shè)計，同樣是目前尚待解決的技術(shù)難點之一。

3.3 多孔大跨距測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)系統(tǒng)

校準(zhǔn)是同軸度測量系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)，常用校準(zhǔn)方法有雙百分表組合校準(zhǔn)法，三坐標(biāo)測量機校準(zhǔn)以及激光測量法專用校準(zhǔn)系統(tǒng)。傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法雖然能滿足測量精度的一般要求，但操作復(fù)雜耗時長，且受到校準(zhǔn)裝置的尺寸限制，無法準(zhǔn)確反映被校準(zhǔn)設(shè)備的實際情況。激光測量法專用校準(zhǔn)系統(tǒng)組成包括單孔模擬裝置，水平運動直線機構(gòu)和垂直運動直線平臺，主要針對多孔大跨距同軸度測量裝置，能夠自動化、快速化、高精度地進(jìn)行測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)，但依然存在不足：系統(tǒng)復(fù)雜且制造成本高；平臺體積和質(zhì)量過大；直線機構(gòu)自身精度要求高。因此，多孔大跨距同軸度測量的校準(zhǔn)系統(tǒng)不僅要滿足校準(zhǔn)功能和精度要求，還要滿足實用性和便攜性。

3.4 基于測試值的高精度同軸度算法及驗證

同軸度算法主要包括兩部分：被測截面中心計算和同軸度評定。同軸度的算法常用的有最小包容圓柱法、最小二乘法、最大內(nèi)切法、投影法和微粒群算法。傳統(tǒng)同軸度算法在計算時間和精度上能在一定程度上滿足同軸度評定要求，但隨著產(chǎn)品設(shè)計精度和可靠性要求的不斷提升，對高精度和高效率新算法的需求也在增加，新算法迫切解決的問題包括以更少的截面測點數(shù)確定被測截面形狀和以更短的時間得到被測截面中心。

同時，對于新算法正確性的驗證，迫切需要發(fā)展一套簡單有效的驗證方法與裝置，以保證多孔大跨距同軸度測量方法的精度更高，測量更迅速，測量系統(tǒng)的綜合性能更好，所以高精度同軸度算法及驗證裝置也是目前尚待解決的技術(shù)難點之一。

4 結(jié)論

本文分析了目前同軸度測量方法存在的問題，并探究了需要突破的關(guān)鍵技術(shù)與方法，總結(jié)如下：

1) 目前的同軸度測量方法和測量精度，能滿足小跨距零件的測量要求；

2) 多孔大跨距同軸度測量方法與測量系統(tǒng)，需要突破測量基準(zhǔn)選擇、孔徑變化及截面測點數(shù)的影響、自定心測頭的精度與設(shè)計、多孔大跨距測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)系統(tǒng)，以及高精度同軸度算法及驗證等關(guān)鍵技術(shù)問題。

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(責(zé)任編輯 唐定國)

Research on Key Technologies of High Precision Coaxiality Measurement for Long-Span Porous Parts

LEI Jian-bo1， WANG Shuang-bu2

(1.Navy Standing Chongqing Ship Engine Represent Room, Chongqing 402263, China; 2.State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The measurement accuracy of coaxiality error of long-span porous parts directly affects the accuracy and reliability of transmissions. As a result of the accuracy error, the additional load in transmission process and the vibration noise level are increased, and the normal operation of the equipment is affected seriously. Aiming at problems and difficulties of high precision coaxiality measurement for long-span porous parts and according to the analysis of current technical problems, this paper probes into the key technologies of the measuring method and provides new ideas and approaches to develop the high precision coaxiality measuring system for long-span porous parts.

coaxiality measurement; long-span; porous parts; key technologies

2016-07-19；

2017-01-15 作者簡介：雷建波(1977—)，男，碩士，工程師，主要從事艦船動力研究。

10.11809/scbgxb2017.05.031

format:LEI Jian-bo，WANG Shuang-bu.Research on Key Technologies of High Precision Coaxiality Measurement for Long-Span Porous Parts[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):136-139.

TH701

A

2096-2304(2017)05-0136-04

本文引用格式：雷建波,王雙不.高精度多孔大跨距同軸度測量關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(5):136-139.