米軍輝，李思達(dá)，龐國(guó)旺

（北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

0 引言

半球零件作為一種電機(jī)軸承用半球型偶件［1?2］，其表面鍍制TiN膜層和TiN+DLC膜層，在航空、航天及其他機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其球面輪廓度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)球度）及尺寸精度直接決定了電機(jī)的精度和壽命：球度越高，電機(jī)的起停摩擦力矩越小，電機(jī)的穩(wěn)定性和壽命越高；而球度越低，則起停壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性越差［3］。所以，半球零件球度及尺寸精度的檢測(cè)方法及效率顯得尤為重要。

截至目前，國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)和個(gè)人對(duì)半球零件的檢測(cè)方式及裝夾方法進(jìn)行了研究分析。郝維娜等［4］提出了一種使用泰曼?格林光路測(cè)量系統(tǒng)的方法，利用光干涉法對(duì)面型精度進(jìn)行求解。林明星等［5］采用Mahr圓度儀對(duì)陶瓷軸承球進(jìn)行了球度檢驗(yàn)。Calvo［6］使用三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)最小區(qū)域球度算法展開(kāi)了研究，并進(jìn)行了三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的誤差估計(jì)和不確定度分析。袁周［7］則深入研究了在使用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量時(shí)的測(cè)點(diǎn)布局、異常點(diǎn)去除以及誤差辨識(shí)。上述測(cè)量方法中，對(duì)半球零件的裝夾方式仍都是人工手動(dòng)裝夾，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且效率低下。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種磁力裝夾檢測(cè)裝置，結(jié)合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)程序中 “一鍵測(cè)量”功能，可以實(shí)現(xiàn)批量半球零件的快速檢測(cè)，極大地提高了檢測(cè)效率，降低了人工成本。

1 裝夾技術(shù)分析

電機(jī)軸承用半球零件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。零件具有較大的尺寸和較高的形位精度［8］，表面鍍有TiN膜層和TiN+DLC膜層，鍍膜后要求零件球度小于1μm，球徑尺寸公差為±1μm，表面粗糙度［9］小于Ra0.025μm。

圖1 半球零件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of hemispherical part

1.1 單件裝夾方式

單件半球零件的檢測(cè)方法如圖2所示，將半球零件直接放置在獨(dú)立的專(zhuān)門(mén)用來(lái)裝夾半球零件的工裝上。每個(gè)半球零件均需使用螺絲刀手動(dòng)松緊來(lái)實(shí)現(xiàn)半球零件的安裝工作，零件的裝夾耗時(shí)較長(zhǎng)（1min/件）。

圖2 單件半球零件檢測(cè)示意圖Fig.2 Diagram of single hemispherical part detection

1.2 批量裝夾方式

半球零件的批量檢測(cè)方法如圖3所示。使用鋁制專(zhuān)用檢測(cè)基板裝夾半球零件，專(zhuān)用檢測(cè)基板外形結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形，檢測(cè)基板上表面設(shè)置多個(gè)M3螺紋定位孔，將半球零件按零件編號(hào)排序逐一安裝在專(zhuān)用檢測(cè)基板螺紋定位孔上。

圖3 批量半球零件檢測(cè)示意圖Fig.3 Diagram of batch hemispherical parts detection

檢測(cè)過(guò)程通過(guò)測(cè)量機(jī)拾取測(cè)量元素，建立測(cè)量程序，測(cè)針根據(jù)測(cè)量程序進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)半球零件的測(cè)量工作。測(cè)量時(shí)，半球零件裝夾在工裝上固定不動(dòng)，測(cè)針通過(guò) “弓”字形路徑傳遞檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)半球零件的檢測(cè)。

以上兩種裝夾方式都需要使用螺絲刀手動(dòng)松緊螺釘裝夾，每個(gè)半球零件裝夾耗時(shí)約1min，這限制了該類(lèi)半球零件的裝夾效率。同時(shí)，鋁制專(zhuān)用檢測(cè)基板材料較軟，長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致上下兩端面發(fā)生磨損，尤其裝夾半球零件工作平面的平行度、平面度都會(huì)因端面磨損而發(fā)生較大變化，檢測(cè)基板自身精度出現(xiàn)偏差，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，無(wú)法滿足當(dāng)前半球零件批量檢測(cè)工作，與現(xiàn)代化生產(chǎn)加工仍存在較大差距。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

要解決批量裝夾效率低的問(wèn)題，首先需要優(yōu)化批量裝夾裝置，將手動(dòng)松緊螺釘裝夾改進(jìn)為使用一種磁力裝夾檢測(cè)裝置來(lái)對(duì)半球零件進(jìn)行裝夾；其次，提升檢測(cè)基板自身形位精度，檢測(cè)基板形位精度的提高可以使測(cè)量結(jié)果更加真實(shí)、準(zhǔn)確，更適應(yīng)于批量生產(chǎn)檢測(cè)工作［10］。本設(shè)計(jì)中選用鋼制材料作為檢測(cè)基板，極大提升了檢測(cè)基板的形位精度，使零件裝夾、定位準(zhǔn)確高效。

2.1 檢測(cè)裝置開(kāi)發(fā)的目標(biāo)

利用磁力裝夾技術(shù)為半球類(lèi)零件研制一種磁力裝夾檢測(cè)裝置，檢測(cè)裝置要實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)點(diǎn)有：

1）改進(jìn)半球零件的裝夾方式，實(shí)現(xiàn)零件磁力吸附裝夾；

2）實(shí)現(xiàn)批量半球零件的一次性裝夾，減少裝夾時(shí)間；

3）實(shí)現(xiàn)半球零件的 “一鍵式”檢測(cè)，節(jié)約人工成本。

2.2 檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)組成

檢測(cè)裝置的總體示意圖如圖4所示，包括：檢測(cè)基板、螺紋連接軸、磁力夾緊塊、壓板、支撐柱、限位塊和測(cè)量機(jī)平板。

圖4 檢測(cè)裝置總體示意圖Fig.4 Schematic diagram of detection device

圖4中，由鋼制材料制成的檢測(cè)基板上表面設(shè)置有螺紋定位孔，側(cè)面設(shè)置了長(zhǎng)槽，上下兩端面的平行度要求為0.002mm～0.004mm；壓板為兩個(gè)長(zhǎng)方體條，壓板一端加工出直徑為Φ6mm的內(nèi)孔；支撐柱為長(zhǎng)圓柱心軸，結(jié)構(gòu)分為上下兩層，上層沿軸向設(shè)有直徑為Φ6mm的圓柱心軸，以與壓板配合使用，支撐柱與壓板配合間隙為0.02mm～0.03mm，數(shù)量為2，下層沿軸向設(shè)有與測(cè)量機(jī)平板上M8螺紋相連接的外螺紋，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)基板在測(cè)量機(jī)平板上的位置固定；限位塊為三個(gè)底部帶有外螺紋的圓柱形，其中兩個(gè)限位塊連接成一條直線，另一個(gè)限位塊與這條直線成垂直關(guān)系，分別與測(cè)量機(jī)平板上的安裝孔螺紋連接；測(cè)量機(jī)平板自帶有多個(gè)矩陣排列的等間距固定內(nèi)螺紋安裝孔，實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐柱與限位塊在測(cè)量機(jī)平板上的螺紋連接定位。

如圖5（a）所示，螺紋連接軸采用鋼制材料制成，形狀為圓柱體臺(tái)階，上層沿軸向設(shè)有與半球零件內(nèi)孔尺寸一致的圓柱，使半球零件能嵌入到螺紋連接軸內(nèi)；下層沿軸向設(shè)有與檢測(cè)基板螺紋定位孔一致的外螺紋，便于與檢測(cè)基板螺紋連接，實(shí)現(xiàn)半球零件在檢測(cè)基板上的位置定位，其中的連接軸圓柱度為0.001mm～0.002mm，表面粗糙度為Ra0.4mm～Ra0.6mm。

如圖5（b）所示，磁力夾緊塊為帶有12N～15N磁力的緊固塊，直徑尺寸與螺紋連接軸上層外形尺寸一致，與螺紋連接軸通過(guò)磁力吸附裝夾來(lái)達(dá)到固定半球零件的目的，磁力吸附零件如圖5（c）所示。

圖5 螺紋連接軸與夾緊塊配合示意Fig.5 Schematic diagram of fit between threaded shaft and shrink block

2.3 檢測(cè)裝置的使用方法

檢測(cè)基板為半球零件的安裝基礎(chǔ)，定位時(shí)通過(guò)限位塊實(shí)現(xiàn)檢測(cè)基板的位置定位。壓板與支撐柱配合，壓板一端套入鎖住的支撐柱，另一端插入檢測(cè)基板側(cè)面的長(zhǎng)槽內(nèi)壓緊，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)基板在測(cè)量機(jī)平板上的位置固定。螺紋連接軸與檢測(cè)基板的螺紋定位孔通過(guò)螺紋連接來(lái)相互固定，按順序依次將被測(cè)半球零件放入螺紋連接軸上，磁力夾緊塊與螺紋連接軸通過(guò)磁力吸附裝夾來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)半球零件的固定。在完成上述步驟后，以檢測(cè)基板為定位基準(zhǔn)，用如圖6所示的三坐標(biāo)測(cè)針采點(diǎn)并建立坐標(biāo)系。編制程序后，即可檢測(cè)檢測(cè)基板上安裝的所有半球零件，且檢測(cè)完成后，可直接更換半球零件，無(wú)需重新建立坐標(biāo)系，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間。

圖6 零件檢測(cè)示意圖Fig.6 Schematic diagram of parts detection

具體檢測(cè)方法如下：

1）使用測(cè)量機(jī)對(duì)檢測(cè)基板進(jìn)行定位，即利用檢測(cè)基板軸線和檢測(cè)基板平面為基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系。

2）設(shè)置檢測(cè)裝置工裝參數(shù)，使均勻分布的半球零件以固定角度和移動(dòng)速度移動(dòng)至檢測(cè)位置。

3）編寫(xiě)檢測(cè)程序，設(shè)置檢測(cè)零件個(gè)數(shù)，使測(cè)針按固定路徑（即按編寫(xiě)好的檢測(cè)程序執(zhí)行編程語(yǔ)句）檢測(cè)半球零件的尺寸、球度、偏心量等參數(shù)，當(dāng)零件檢測(cè)結(jié)束時(shí)，測(cè)針自動(dòng)移開(kāi)。檢測(cè)過(guò)程中所使用的 “一鍵測(cè)量”功能可以對(duì)零件依次進(jìn)行檢測(cè)直至全部完成，無(wú)需重復(fù)執(zhí)行坐標(biāo)系工作，極大地提高了檢測(cè)效率。

用該裝置進(jìn)行半球零件精度檢測(cè)時(shí)，引起誤差的因素主要包含溫度、濕度、地面振動(dòng)、零件表面灰塵等，因此為保證零件的測(cè)量精度，在檢測(cè)時(shí)要將溫度控制在20℃±1℃，相對(duì)濕度保持在40%rh～60%rh之間，將檢測(cè)設(shè)備所在場(chǎng)地進(jìn)行隔振處理，及時(shí)清除半球零件的表面灰塵等。

3 裝置的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)量精度

本文使用德國(guó)Leitz PMM 8106三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量零件，該設(shè)備主要用于檢測(cè)平臺(tái)、儀表及動(dòng)壓馬達(dá)零組件的尺寸及形位精度，該設(shè)備的測(cè)量精度為分辨率為0.02μm。

根據(jù)設(shè)備精度要求，單探針允許誤差為0.45μm，實(shí)際鑒定誤差為0.43μm，滿足精度檢測(cè)要求。對(duì)由CMM示值誤差引起的不確定度分量u1進(jìn)行求解

由式（1）可得該設(shè)備的不確定度為0.3010，說(shuō)明其檢測(cè)效果良好。

3.2 磁力驗(yàn)證

（1）磁力計(jì)算

為了計(jì)算作用在物體上的力，系統(tǒng)使用虛功原理。在如圖7所示磁力作用圖中，板上沿位移s方向的力由以下關(guān)系式給出

圖7 磁力作用示意圖Fig.7 Diagram of magnetic force action

式（2）中，W（s，i）為系統(tǒng)的磁共能，電流i保持不變，B為該磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

（2）磁力仿真

磁力夾緊塊與固定軸電磁吸力的仿真結(jié)果如圖8所示。磁力分布狀態(tài)中，不同顏色代表不同的磁力密度，數(shù)值越高即磁力越強(qiáng)；磁感應(yīng)強(qiáng)度分布狀態(tài)中，同樣是數(shù)值越高磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)。

圖8 磁力裝夾驗(yàn)證Fig.8 Diagram of magnetic clamping verification

3.3 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

檢測(cè)試驗(yàn)為兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，使用螺釘批量測(cè)量工裝與磁力檢測(cè)裝置來(lái)對(duì)編號(hào)順序?yàn)镼210001?！玅210040＃的同一批次半球零件進(jìn)行檢測(cè)，得到該批次半球零件的球徑、球度、偏心距檢測(cè)數(shù)據(jù)，具體如表1所示。

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)取樣驗(yàn)證表Table 1 Sampling verification of test data

式（3）、 式（4）中，δ1、δ2、δ3分別為使用螺釘批量測(cè)量工裝測(cè)量時(shí)半球零件球徑、球度、偏心距的標(biāo)準(zhǔn)差，δ′1、δ′2、δ′3分別為使用磁力檢測(cè)裝置測(cè)量時(shí)半球零件球徑、球度、偏心距的標(biāo)準(zhǔn)差。

對(duì)比式（3）和式（4）可知，用磁力檢測(cè)裝置檢測(cè)的該批半球零件球徑、球度、偏心距的標(biāo)準(zhǔn)差均比用螺釘批量測(cè)量工裝測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差要小，說(shuō)明磁力檢測(cè)裝置的檢測(cè)性能更加優(yōu)越，可以很好地應(yīng)用于半球零件的精度檢測(cè)。兩種裝夾的效率對(duì)比如圖9所示。

圖9 兩種裝夾的效率對(duì)比Fig.9 Efficiency comparison of two kinds of clamping

由圖9可知，40件半球零件人工使用螺絲刀裝夾需要20min，拆卸零件需要20min，而使用磁力裝夾檢測(cè)裝置裝夾該批次產(chǎn)品需要1.5min，拆卸零件需要1.5min。使用螺絲刀手動(dòng)裝夾的數(shù)據(jù)波動(dòng)變化遠(yuǎn)大于使用磁力檢測(cè)裝置裝夾的數(shù)據(jù)波動(dòng)變化，所以使用磁力檢測(cè)裝置更適合半球零件的批量生產(chǎn)檢測(cè)工作。

4 結(jié)論

本文分析了半球零件在電機(jī)軸承中的重要性，結(jié)合半球零件的檢測(cè)需求分析了半球零件裝夾技術(shù)，針對(duì)目前測(cè)量裝夾裝置效率低、人工成本高的現(xiàn)狀，提出了一種磁力吸附裝夾的方式，并制作了磁力裝夾檢測(cè)裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，與目前的裝夾方式進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出使用磁力檢測(cè)裝置檢測(cè)半球零件可以在保證測(cè)量精度的同時(shí)極大地提升裝夾效率，節(jié)約了人工成本，該磁力裝夾檢測(cè)裝置具有較高的實(shí)用性和創(chuàng)新性。