(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

0 引言

在機(jī)械行業(yè)中，長徑比在10～20之間的軸類件屬細(xì)長軸[1-2]，細(xì)長軸加工過程中容易產(chǎn)生端跳，且調(diào)直極為困難。常用調(diào)直工藝方法主要有套筒調(diào)直法和矯杠調(diào)直法兩種工藝路線，其中，套筒調(diào)直法的原理是將待調(diào)軸穿過標(biāo)準(zhǔn)調(diào)直筒套，并嚴(yán)格控制通套與軸的間隙量與進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸類件的整體調(diào)直。該方法大多用于光軸的調(diào)直，對(duì)于階梯軸難以適用；矯杠調(diào)直法調(diào)直力大，調(diào)直后不易回彈，一般用于大型結(jié)構(gòu)件的直線度調(diào)整，缺點(diǎn)是微小調(diào)直力難于控制，用于細(xì)長軸的調(diào)直容易在接近臨界點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生過調(diào)現(xiàn)象，需反復(fù)調(diào)直，影響效率。此外，調(diào)直處理后的直線度檢測(cè)，通常以軸的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)端作為定位基準(zhǔn)，檢測(cè)另一端的徑向跳動(dòng)，以此表征調(diào)直后軸的直線度。因此，調(diào)直與檢測(cè)需要兩道工序完成，若遇到需反復(fù)調(diào)直的工件，工序轉(zhuǎn)換需變換基準(zhǔn)，影響測(cè)量精度，而且頻繁的工序轉(zhuǎn)換也會(huì)大大降低工作效率。為此，本文將針對(duì)軸類件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及跳動(dòng)要求，設(shè)計(jì)研制一種基于DSP微控制器的專用調(diào)直檢測(cè)裝置，提高檢測(cè)精度和調(diào)直效率。

1 研制方案

裝置采用雙工位設(shè)計(jì)，分別是測(cè)量工位和調(diào)直工位，可自動(dòng)完成工位切換，一次裝卡，自動(dòng)完成檢測(cè)和調(diào)直功能。首先裝置通過驅(qū)動(dòng)工件回轉(zhuǎn)測(cè)量直線度指標(biāo)——端部跳動(dòng),并找到跳動(dòng)高點(diǎn)，然后，自動(dòng)切換到調(diào)直工位，進(jìn)行直線度調(diào)整，完成后再次切換至測(cè)量工位進(jìn)行測(cè)量，直到直線度符合要求為止。工件裝卡完成后，整個(gè)測(cè)量、調(diào)直流程自動(dòng)完成，系統(tǒng)可根據(jù)工件的初始跳動(dòng)量自主確定調(diào)直行程范圍，全程無需人為干預(yù)，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)循環(huán)工作。整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 裝置整體設(shè)計(jì)思路架構(gòu)圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量工位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求，該工位應(yīng)由三部分構(gòu)成，分別是測(cè)量定位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和測(cè)量機(jī)構(gòu)。如圖2所示，測(cè)量定位機(jī)構(gòu)以軸的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為測(cè)量基準(zhǔn)，保證基準(zhǔn)的統(tǒng)一，同時(shí)，該機(jī)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)在測(cè)量工位下的定位、夾緊及隨動(dòng)回轉(zhuǎn)功能；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為高精度步進(jìn)電機(jī)，通過聯(lián)軸器與測(cè)量定位機(jī)構(gòu)的定位機(jī)構(gòu)連接，用于實(shí)現(xiàn)工件的均速驅(qū)動(dòng)；測(cè)量機(jī)構(gòu)為激光CCD面陣傳感器，設(shè)置于被測(cè)軸的末端檢測(cè)位置，進(jìn)行軸末端圓周徑向跳動(dòng)檢測(cè)[3]。

圖2 測(cè)量工位機(jī)構(gòu)圖

測(cè)量定位機(jī)構(gòu)是測(cè)量工位的核心功能部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理將直接影響裝置的測(cè)量精度。該機(jī)構(gòu)由兩個(gè)子機(jī)構(gòu)組成，分別是定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和隨動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)，如圖3所示。該機(jī)構(gòu)可同時(shí)完成對(duì)工件的定位、壓緊及驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)精度達(dá)到0.005 mm，從而有效避免定位誤差給測(cè)量結(jié)果帶來的影響。

圖3 測(cè)量定位機(jī)構(gòu)圖

2.2 調(diào)直工位設(shè)計(jì)

調(diào)直工位主要由調(diào)直定位機(jī)構(gòu)和調(diào)直機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。其中，調(diào)直定位機(jī)構(gòu)是裝置的工位轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，采用氣動(dòng)推進(jìn)方式，可使裝置由測(cè)量工位切換至調(diào)直工位，夾持位置為軸的重心附近。調(diào)直機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)執(zhí)行器推進(jìn)，以伺服步進(jìn)的方式提供持續(xù)的下壓調(diào)直力，可防止工件回彈，保證調(diào)直效果[4]。

圖4 調(diào)直工位結(jié)構(gòu)圖

2.3 裝置集成

通過對(duì)裝置功能及精度需求分析，建立了測(cè)量工位和調(diào)直工位的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并以工件軸線作為裝配基準(zhǔn)完成裝置的整體裝配，對(duì)中精度控制在0.05 mm以內(nèi)[5]，保證裝置調(diào)直和檢測(cè)的基準(zhǔn)一致性。裝置整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 裝置整體結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

采用TMS320F28335型DSP芯片作為主控芯片，在CCS3.3(Code Composer Studio3.3)環(huán)境下進(jìn)行硬件開系統(tǒng)開發(fā)。CCS是TI公司的代碼開發(fā)和調(diào)試套件，可為嵌入式32位精簡指令集運(yùn)算(RISC)微控制器(DSP處理器)提供可視化編程環(huán)境，其完整的開發(fā)環(huán)境適用于微控制器。該控制模塊不僅集成了微控制器和嵌入式開發(fā)工具包，還包含了快速創(chuàng)建應(yīng)用程序所需的所有工具，能夠幫助用戶快速完成從概念到投入生產(chǎn)的全套設(shè)計(jì)流程，同時(shí)具有系統(tǒng)集成調(diào)試、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)通訊及硬件驅(qū)動(dòng)功能[6-7]。

硬件系統(tǒng)以DSP主控電路板作為控制核心，處理來自激光傳感器、壓力傳感器和光電開關(guān)的信號(hào)，經(jīng)過實(shí)時(shí)計(jì)算后，反饋并控制氣缸壓緊工件，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)至端跳最大點(diǎn)，系統(tǒng)根據(jù)已輸入的調(diào)直經(jīng)驗(yàn)數(shù)值模型自動(dòng)確定調(diào)直下壓量，并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿對(duì)試件進(jìn)行調(diào)直[8]?？刂葡到y(tǒng)硬件架構(gòu)如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

激光CCD傳感器通過控制器1與DSP主控單元相連，采用RS232C通訊協(xié)議。SMC電動(dòng)推桿通過控制器2與DSP主控單元相連，采用GPIO和脈沖控制。壓力傳感器通過控制器3與DSP主控單元相連，利用DSP主控板的AD采集模塊。步進(jìn)電機(jī)通過控制器4與DSP主控單元相連，采用GPIO和脈沖控制。觸摸屏通過RS232C串口通訊與DSP主控單元相連。電源模塊為整個(gè)控制系統(tǒng)供電，提供+12 V、+24 V和+220 V電源。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

裝置的控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用CCS3.3在TMS320F28335芯片上進(jìn)行開發(fā)，并采用LabVIEW開發(fā)算法驗(yàn)證程序。根據(jù)調(diào)直及測(cè)量的工藝設(shè)計(jì)的裝置軟件控制流程，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件控制流程圖

3.2.1 測(cè)量方法及程序設(shè)計(jì)

激光CCD傳感器測(cè)量軸類試件的原理如圖8中左圖所示，由S發(fā)射器發(fā)出測(cè)量光線，R接收器接收測(cè)量光線，得到試件截面上沿到測(cè)量光線上沿的距離h0。理想狀態(tài)下，軸的直線度誤差為零，旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器測(cè)得的距離h0保持不變。

但實(shí)際情況下，由于軸加工后的直線度并非理想狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生直線度誤差，使得旋轉(zhuǎn)一周截面的實(shí)際運(yùn)行軌跡如圖8中右圖所示。那么，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)試件上沿到測(cè)量光線上沿的距離。從圖8中右圖可以看到，當(dāng)試件彎曲向上時(shí)，測(cè)得距離最小值hmin，當(dāng)試件彎折向下時(shí)，測(cè)得距離最大值hmax。若試件順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從彎折向上時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，則距離h以先變大后變小的規(guī)律周期性變化，且在最小值和最大值附近變化較為緩慢。經(jīng)過運(yùn)動(dòng)軌跡分析，可以發(fā)現(xiàn)試件繞理想軸線實(shí)際運(yùn)行軌跡的半徑Δh，即為軸的端跳最大值。由此可以得到軸的端跳最大值Δh的計(jì)算公式：

圖8 測(cè)量方法原理圖

(1)

從上式可以看出，試件端跳最大值Δh等于傳感器測(cè)量值得最大值與最小值差的一半。根據(jù)此方法設(shè)計(jì)的跳動(dòng)測(cè)量方法驗(yàn)證VI程序代碼如下[11]：

3.2.2 調(diào)直下壓量計(jì)算方法及程序設(shè)計(jì)

軸的調(diào)直過程是先克服其彎曲形變，再使之發(fā)生塑性形變的過程。在彈性變形階段，材料的彈性模量是一個(gè)描述物體彈性的物理量，由物體材料決定，影響彈性形變的大小[9]，其計(jì)算公式如下：

E=σ/ε

(2)

式中，E為彈性模量，Pa；σ為表示單位面積上的應(yīng)力，Pa；ε為表示單位面積上的應(yīng)變。

因此，可通過模擬測(cè)定彈性模量得到調(diào)直下壓量。壓力傳感器數(shù)值監(jiān)測(cè)調(diào)直反彈力，并由激光傳感器測(cè)量軸的形變量，通過計(jì)算調(diào)直力與形變量的比值，得到一個(gè)與彈性模量成正比例關(guān)系的變量E0，其計(jì)算公式如下[10]：

圖9 跳動(dòng)測(cè)量VI代碼

E0=F/H40

(3)

式中，H40表示電動(dòng)推桿從接觸試件到壓力傳感器達(dá)到40 N的下壓值。調(diào)直力與下壓量的關(guān)系如圖10所示。

圖10 調(diào)直力與下壓量模擬計(jì)算示意圖

圖10中，試件上的端部檢測(cè)點(diǎn)為激光CCD傳感器的測(cè)量位置，下壓點(diǎn)表示電動(dòng)推桿的下壓位置，左氣缸壓緊點(diǎn)代表氣缸固定試件的位置，①號(hào)位置表示試件未被電動(dòng)推桿下壓的狀態(tài)，L1表示試件端部檢測(cè)點(diǎn)到左氣缸壓緊點(diǎn)的距離，Δh1表示初始端跳最大值，H1表示初始下壓點(diǎn)距理想軸線的距離，②號(hào)位置表示試件被電動(dòng)推桿下壓，壓力值達(dá)到40N時(shí)的狀態(tài)，L2表示下壓點(diǎn)到左氣缸壓緊點(diǎn)的距離，Δh2表示下壓后的端跳值，H2表示下壓后下壓點(diǎn)距理想軸線的距離，則電動(dòng)推桿從接觸試件到壓力傳感器達(dá)到40 N的下壓值H的計(jì)算公式如下：

(4)

式中，Δh1-Δh2表示試件從①號(hào)位置變化到②號(hào)位置時(shí)，非接觸式CCD傳感器測(cè)量值的變化量，L1和L2是固定值，因此可以計(jì)算出H40。從而根據(jù)公式(3)，計(jì)算變量E0，計(jì)算公式如下：

(5)

不同軸的結(jié)構(gòu)也是影響其形變的主要因素。對(duì)于同一種軸類件，可將初始的直線度表征參數(shù)—跳動(dòng)值看做是其結(jié)構(gòu)上的位移差異。因此，本文采用試件端跳最大值(可以表征直線度)來表征不同試件的結(jié)構(gòu)差異，則試件下壓量H的計(jì)算公式如下：

H=k·H0

(6)

式中，k是由表征試件材料變量E0決定的，H0是由表征試件結(jié)構(gòu)的試件端跳最大值Δh決定的。通過實(shí)驗(yàn)確定了在電動(dòng)推桿形成范圍(0～10 mm)內(nèi)有效調(diào)直位置(6 mm處)的兩個(gè)變量值，如表1所示。

表1 下壓量取值表

表中，E0越大表示試件材料的剛性越大，因此對(duì)應(yīng)系數(shù)k值應(yīng)該越小，表示同樣的端跳最大值下所需試件下壓量越小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果設(shè)計(jì)了調(diào)直下壓控制調(diào)試程序如圖11所示[12]。

圖11 調(diào)直下壓量VI程序代碼

4 測(cè)量調(diào)直實(shí)驗(yàn)

根據(jù)力矩原理，理論上同等調(diào)直力作用條件下，力臂越長，所產(chǎn)生的力矩越大，調(diào)直效果越好。但是，由于考慮到材料特性影響，存在調(diào)直后回彈的現(xiàn)象，因此，需通過調(diào)直檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，確定調(diào)直效果較好的調(diào)直力加載位置。為了驗(yàn)證裝置的調(diào)直效果，設(shè)計(jì)了相同調(diào)直力條件下的不同力臂調(diào)直效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理如圖12所示。

圖12 調(diào)直原理分析圖

實(shí)驗(yàn)方法：沿試件軸向方向分別設(shè)置5個(gè)調(diào)直位置，距夾持位置最近的調(diào)直點(diǎn)與夾持點(diǎn)距離為L，如圖12所示，其余4個(gè)位置遠(yuǎn)離夾持點(diǎn)，距離分別為L+ΔL、L+2ΔL、L+3ΔL、L+4ΔL，在5個(gè)夾持位置分別對(duì)5個(gè)階梯軸實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行調(diào)直處理，并測(cè)量末端跳動(dòng)值，確定調(diào)直效果最佳的調(diào)直位置。各位置調(diào)直后的跳動(dòng)測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 調(diào)直檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，調(diào)直位置距離夾緊位置越遠(yuǎn)，調(diào)直效果越好，并且當(dāng)調(diào)直位置與夾持點(diǎn)距離在L+3ΔL時(shí)，檢測(cè)得到的末端跳動(dòng)量最小，調(diào)直效果最佳；當(dāng)調(diào)直位置與夾持點(diǎn)距離L+4ΔL時(shí)，反而會(huì)使跳動(dòng)量有所增加，由此也驗(yàn)證了調(diào)直力矩效應(yīng)與材料性能之間的相互關(guān)聯(lián)性。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果也充分說明了裝置的功能效果，可以很好地滿足軸類零件的直線度調(diào)整及檢測(cè)需求，具有很好的實(shí)用性。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)軸類零件的直線度調(diào)直工藝需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了全自動(dòng)調(diào)直檢測(cè)專用工藝裝備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸類工件的智能化閉環(huán)自反饋檢測(cè)及調(diào)直。通過設(shè)計(jì)測(cè)量工位和調(diào)直工位，并實(shí)現(xiàn)工位自動(dòng)切換，解決了傳統(tǒng)軸類調(diào)直工藝中的檢測(cè)和調(diào)直分序進(jìn)行帶來的基準(zhǔn)不統(tǒng)一問題。研究建立智能閉環(huán)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)-調(diào)直-檢測(cè)的閉環(huán)自反饋控制，只通過一次裝卡即可得到直線度符合設(shè)計(jì)要求的軸，自動(dòng)化程度較高。該裝置可有效改善軸類零件的直線度水平，使調(diào)整后的軸末端圓周跳動(dòng)小于0.05 mm，滿足機(jī)械行業(yè)中高精度軸類零件的調(diào)直需求。