趙慶嶸 丁逸倫 毛敏

南通市計(jì)量檢定測(cè)試所 江蘇南通 226011

在機(jī)械、化工等諸多領(lǐng)域中會(huì)涉及很多大孔徑工件，其內(nèi)徑尺寸對(duì)于這些部件和與之配合的部件之間的配合精度有著重要意義。為確保這些部件的內(nèi)徑尺寸符合工作和生產(chǎn)的需要，需要對(duì)這些內(nèi)徑尺寸進(jìn)行測(cè)量，而由于部件的內(nèi)壁上會(huì)存在諸多高點(diǎn)或低點(diǎn)，采用現(xiàn)有的測(cè)量工具(例如內(nèi)徑千分尺)并不能使測(cè)量工具與這些部件的測(cè)量部位進(jìn)行很好的抵壓，導(dǎo)致測(cè)量存在較大的誤差，同時(shí)由于工件的口徑深淺不一，采用傳統(tǒng)的內(nèi)徑測(cè)量裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑的測(cè)量，進(jìn)而影響部件的安裝質(zhì)量，威脅設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行?；诖朔N情況，需要設(shè)計(jì)出能夠?qū)@些大孔徑工件進(jìn)行高效、準(zhǔn)確、便捷直徑測(cè)量的測(cè)量裝置。

工程技術(shù)人員已經(jīng)對(duì)內(nèi)徑測(cè)量裝置進(jìn)行了部分研究設(shè)計(jì)，郭燕等[1]在研究現(xiàn)有深孔測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種具有自定心功能的深孔參數(shù)測(cè)量裝置，與現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)比較，該設(shè)計(jì)優(yōu)于光杠式行走測(cè)量裝置，可用于中大型精密儀器軸孔內(nèi)徑的高精度自動(dòng)化在線測(cè)量。李崎巖[2]研制了一種集成式的高精度測(cè)量裝置，可以同時(shí)對(duì)大深徑比孔的直線度、圓度及孔徑和壁厚進(jìn)行測(cè)量，解決當(dāng)前測(cè)量中自動(dòng)化程度低、精度低的問(wèn)題。楊桐郁[3]提出將激光三角法應(yīng)用到大尺寸軸孔類零件的內(nèi)徑測(cè)量中，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的測(cè)頭和測(cè)量方法，大大提高了大尺寸軸孔類零件的測(cè)量、加工效率。丁正龍等[4]針對(duì)深孔零件內(nèi)徑測(cè)量精度要求高、測(cè)量空間受限的問(wèn)題，利用機(jī)械測(cè)量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和電感位移傳感器，研制了一種深孔內(nèi)徑在線精密測(cè)量裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足深孔內(nèi)徑在線測(cè)量要求。王小娟[5]針對(duì)異徑管內(nèi)徑測(cè)量難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種火炮身管內(nèi)徑自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其不僅可以用于火炮身管內(nèi)徑的自動(dòng)測(cè)量，而且還可以廣泛應(yīng)用于其他異徑管類零件和多種深孔類零件的測(cè)量。姜麗華[6]根據(jù)大型軸承套圈的特點(diǎn)，結(jié)合測(cè)量要求設(shè)計(jì)了專用測(cè)量裝置，采用套圈不動(dòng)、量?jī)x移動(dòng)的方式，用二點(diǎn)法測(cè)量其內(nèi)徑尺寸，保證了大型軸承套圈的質(zhì)量要求。郭健[7]提出了一種新型火車(chē)車(chē)輪內(nèi)孔幾何形狀激光測(cè)量裝置，采用單個(gè)高精度激光測(cè)距傳感器，通過(guò)在輪轂內(nèi)孔不同高度位置上旋轉(zhuǎn)測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)火車(chē)輪內(nèi)孔不同位置處的測(cè)量，并結(jié)合測(cè)量裝置的標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)火車(chē)輪內(nèi)孔幾何形狀快速、高精度的測(cè)量。云鵬等[8]介紹了一種基于高準(zhǔn)確度電感傳感器和紅寶石測(cè)頭，在測(cè)長(zhǎng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了深微孔徑測(cè)量的方法，解決了深微孔內(nèi)徑的測(cè)量問(wèn)題。

綜上所述，對(duì)于深淺不一的大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸測(cè)量目前還沒(méi)有明確涉及，因此，本文介紹了兩種內(nèi)徑測(cè)量裝置，能夠分別對(duì)深口和淺口的大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸進(jìn)行有效的測(cè)量。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 深口大孔徑工件內(nèi)徑測(cè)量裝置

本文設(shè)計(jì)的深口大孔徑工件內(nèi)徑測(cè)量裝置，主要是用于對(duì)深口、大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸進(jìn)行測(cè)量。該內(nèi)徑測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由定位裝置、夾緊裝置與測(cè)量裝置三部分組成。

圖1 深口內(nèi)徑測(cè)量裝置整體結(jié)構(gòu)圖

該深口內(nèi)徑測(cè)量裝置的主體組成部分及其作用如下：

(1)定位裝置：定位裝置包括定位銷、回轉(zhuǎn)臂、軸承、下端蓋、上端蓋等主要部件，用于內(nèi)徑測(cè)量裝置在工件上的定位。測(cè)量時(shí)將定位銷緊靠待測(cè)工件的內(nèi)壁，作為待測(cè)工件內(nèi)徑一端的定位標(biāo)準(zhǔn)，定位銷與回轉(zhuǎn)臂之間通過(guò)軸承、下端蓋和上端蓋連接，因此，回轉(zhuǎn)臂可繞著定位銷做圓周旋轉(zhuǎn)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)臂來(lái)定位待測(cè)工件內(nèi)徑的另一端。

(2)夾緊裝置：夾緊裝置包括夾臂、夾持螺母、V型壓塊和鎖緊手臂，用于裝置定位完成后在工件上的夾緊。夾臂與定位銷上端固定連接，V型壓塊和夾臂的中心開(kāi)有和夾持螺母配合的螺紋孔，當(dāng)定位銷定位完成后，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)夾持螺母帶動(dòng)V型壓塊向著靠近工件外壁的方向進(jìn)給，V型壓塊的V型區(qū)域通過(guò)處理采用波紋狀的紋路以增大與工件外壁的摩擦力，通過(guò)用V型壓塊夾緊工件外壁的方式來(lái)達(dá)到裝置定位完成后在工件上的夾緊?；剞D(zhuǎn)臂的一端設(shè)置有套接于定位銷的套筒，套筒的上部?jī)?nèi)壁設(shè)置有氣漲圈，氣漲圈經(jīng)由設(shè)置在套筒上的氣孔與外部的氣源連通。利用氣漲圈充氣狀態(tài)下與定位銷之間的靜摩擦力形成鎖定效果。該鎖定方式下，充氣過(guò)程中的氣流不會(huì)破壞定位機(jī)構(gòu)的定位效果，確保了測(cè)量結(jié)果的精度。

(3)測(cè)量裝置：測(cè)量裝置包括導(dǎo)軌、內(nèi)徑測(cè)量頭、數(shù)顯模塊和百分表，用于測(cè)量和顯示數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí)首先將定位銷一端夾緊在待測(cè)工件上，內(nèi)徑測(cè)量頭與百分表上各安裝有一個(gè)探頭分別與工件的內(nèi)壁與外壁相接觸，通過(guò)旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)臂，觀察百分表上的讀數(shù)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到讀數(shù)最大值時(shí)旋轉(zhuǎn)鎖緊手臂，完成回轉(zhuǎn)臂的找正。當(dāng)回轉(zhuǎn)臂固定后，撥動(dòng)與導(dǎo)軌上的滑塊相連接的內(nèi)徑測(cè)量頭，將其上的探頭與工件的內(nèi)壁相接觸，安裝在內(nèi)徑測(cè)量頭上的數(shù)顯模塊就會(huì)顯示出工件內(nèi)徑的測(cè)量值，至此測(cè)量完成。

該深口內(nèi)徑測(cè)量裝置整體由定位裝置、夾緊裝置與測(cè)量裝置三部分組成。深口內(nèi)徑測(cè)量裝置的主體示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 深口內(nèi)徑測(cè)量裝置主體示意圖A

圖3 深口內(nèi)徑測(cè)量裝置主體示意圖B

具體操作步驟：首先自工件的開(kāi)口處將定位銷夾持于工件的內(nèi)壁中，轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)臂，盡量使得回轉(zhuǎn)臂處于工件的直徑上。然后利用定位機(jī)構(gòu)進(jìn)一步確?；剞D(zhuǎn)臂位于工件直徑上，繼而利用鎖緊機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)臂相對(duì)于定位銷鎖緊。最后在回轉(zhuǎn)臂上調(diào)節(jié)測(cè)量裝置，獲取此時(shí)回轉(zhuǎn)臂所在工件直徑的讀數(shù)，完成測(cè)量。

1.2 淺口大孔徑工件內(nèi)徑測(cè)量裝置

本文設(shè)計(jì)的淺口內(nèi)徑測(cè)量裝置，主要是用于淺口大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸測(cè)量，同時(shí)還要兼顧高效、準(zhǔn)確、便捷的要求。由于現(xiàn)有的內(nèi)徑測(cè)量裝置缺少對(duì)于淺口大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸參數(shù)測(cè)量的功能，所以，該內(nèi)徑測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)思路是使用定位銷與內(nèi)徑測(cè)量頭作為定位裝置，進(jìn)行淺口大孔徑工件直徑的測(cè)量，將光柵尺作為測(cè)量器件，數(shù)顯裝置顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。該內(nèi)徑測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 淺口內(nèi)徑測(cè)量裝置整體結(jié)構(gòu)圖

該淺口內(nèi)徑測(cè)量裝置包括用于與待測(cè)工件的內(nèi)壁相抵壓的定位銷和內(nèi)徑測(cè)量頭，用于固定測(cè)量裝置本體的上基座、下基座、前連接座、后連接座和定位鍵，上基座上安裝有直線導(dǎo)軌和橫式數(shù)顯標(biāo)尺，直線導(dǎo)軌滑塊上安裝內(nèi)徑測(cè)量頭。上下基座上各安裝有一根直線導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌上安裝兩個(gè)固定支架，用于平時(shí)擺放測(cè)量裝置。上下基座上安裝有2個(gè)把手，作為使用該測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量時(shí)的握持裝置，同時(shí)也便于平時(shí)搬運(yùn)移動(dòng)該測(cè)量裝置。

測(cè)量裝置本體由上基座和下基座組成，前連接座和后連接座用于連接上基座和下基座，靠近定位銷的一端通過(guò)6組螺栓固定，另一端通過(guò)4組螺栓固定，測(cè)量裝置本體前后兩側(cè)各用一塊定位鍵連接，以此來(lái)保證裝置的安裝精度。

具體操作步驟：使用時(shí)握住與上下基座所連接的兩個(gè)把手，先將定位銷的小凸臺(tái)抵在待測(cè)工件的內(nèi)壁上，然后拖動(dòng)內(nèi)徑測(cè)量頭，通過(guò)調(diào)整定位銷與內(nèi)徑測(cè)量頭之間的距離來(lái)使定位銷和內(nèi)徑測(cè)量頭分別與待測(cè)工件的內(nèi)壁完全抵壓，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑測(cè)量裝置與待測(cè)工件的測(cè)量部位之間更好地抵壓。當(dāng)完全抵壓后通過(guò)沿著待測(cè)工件測(cè)量部位的直徑方向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量裝置，取得最大的數(shù)值作為測(cè)量值。

2 測(cè)量尺原理

光柵尺位移傳感器(簡(jiǎn)稱光柵尺)是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于機(jī)床與現(xiàn)代加工中心以及測(cè)量?jī)x器等方面，可用于直線位移或者角位移的檢測(cè)。其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大、檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

光柵位移傳感器的工作原理是由一對(duì)光柵副中的主光柵(即標(biāo)尺光柵)和副光柵(即指示光柵)進(jìn)行相對(duì)位移時(shí)，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間(或明暗相間)的規(guī)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過(guò)光電器件轉(zhuǎn)換使黑白(或明暗)相同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90°的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計(jì)數(shù)顯示。

3 兩種內(nèi)徑測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

3.1 深口內(nèi)徑測(cè)量裝置

(1)利用夾持機(jī)構(gòu)使得工件一側(cè)內(nèi)壁沿口成為定位基礎(chǔ)，結(jié)合回轉(zhuǎn)臂和定位機(jī)構(gòu)尋找工件內(nèi)徑方向的最大距離，繼而在對(duì)回轉(zhuǎn)臂進(jìn)行鎖定的基礎(chǔ)上完成測(cè)量，測(cè)量精度較高。(2)測(cè)量范圍依回轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)度而定，具有較好的適應(yīng)性。(3)定位銷不僅僅是回轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)基礎(chǔ)，也是與工件內(nèi)壁縱向貼合的定位基礎(chǔ)，可以確保夾持機(jī)構(gòu)的姿態(tài)滿足測(cè)量精度的要求。(4)利用氣漲圈作為鎖定機(jī)構(gòu)，可以在完成回轉(zhuǎn)臂的定位操作后，以盡量小的擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)臂的鎖定，進(jìn)一步確保測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。(5)利用百分尺完成對(duì)回轉(zhuǎn)臂的定位，可以確?；剞D(zhuǎn)臂處于管件的直徑上。

3.2 淺口內(nèi)徑測(cè)量裝置

為了減輕該測(cè)量裝置的重量，實(shí)現(xiàn)其便于搬運(yùn)和使用的目的，該裝置進(jìn)行了多處結(jié)構(gòu)優(yōu)化。(1)首先在上基座上進(jìn)行了掏孔，靠近定位銷一端掏去了一個(gè)矩形孔以減少材料的使用和減輕重量。(2)上基座中部仿照橋梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鏤空設(shè)計(jì)，在保證強(qiáng)度滿足要求的前提下大大減輕了整體的重量。(3)同時(shí)，下基座也將中部不影響測(cè)量的部分進(jìn)行了減材處理，并使用了前后連接座連接的形式，盡可能地減小了該測(cè)量裝置的整體重量，使其便于使用與搬運(yùn)。

結(jié)語(yǔ)

本文基于深淺不一的大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸測(cè)量問(wèn)題，介紹了兩種內(nèi)徑測(cè)量裝置，這兩種內(nèi)徑測(cè)量裝置采用光柵尺作為測(cè)量尺，針對(duì)深淺不一的大孔徑工件分別設(shè)計(jì)了不同的機(jī)械機(jī)構(gòu)，能夠分別對(duì)深口和淺口的大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸進(jìn)行有效的測(cè)量。為生產(chǎn)過(guò)程中工件的尺寸測(cè)量提供了支持，保證了工件的安裝質(zhì)量，顯著提高了生產(chǎn)的效率，具有一定的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。