魏 崴,鐘劍鋒,涂 釗,池守疆,劉東明,鐘舜聰,肖順根

(1.福建省太赫茲功能器件與智能傳感重點實驗室,福州大學(xué),福建福州 350108;2.寧德師范學(xué)院信息與機電工程學(xué)院,福建寧德 352100)

0 引言

硬質(zhì)合金鉆頭廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工,如鉆床、車床、銑床、手電鉆等機器上,是十分重要的加工刀具。鉆頭的質(zhì)量直接關(guān)系著加工件的質(zhì)量和精度,其中鉆頭的直線度是非常重要的指標(biāo)。造成鉆頭彎曲變形的影響因素中,原材棒料的彎曲狀況直接影響鉆頭的直線度。因此對棒料的直線度檢測在鉆頭生產(chǎn)過程中具有非常重要的意義。

目前一些合金鉆頭生產(chǎn)企業(yè)主要采用人工目視的方法對直線度進(jìn)行檢測。將棒料置于傾斜的平板上滾動,觀察棒料與平板間的縫隙,把縫隙較大的挑出來判定為不合格,對一些難以判斷縫隙大小的棒料標(biāo)記縫隙的位置,使用千分表測量棒料在該位置的跳動,通過跳動誤差來判定棒料的直線度是否在合理范圍之內(nèi)。這個方法對測量儀器要求不高,操作簡單。但是合格與否由檢測人員主觀判斷,所以不合格品檢出率就會受到檢測人員的熟練程度、身體因素、精神狀態(tài)等影響,在長時間的重復(fù)工作中,人眼容易產(chǎn)生疲勞,導(dǎo)致判斷不準(zhǔn)確,往往目視判定合格的產(chǎn)品經(jīng)過千分表檢測后還會出現(xiàn)不合格的情況。對于不良品,需要直線度誤差最大(該角度的彎曲最大)處朝一定角度擺放以方便后續(xù)的返修工作。因此開發(fā)一款能夠同時滿足直線度檢測和彎曲定位的設(shè)備成為硬質(zhì)合金鉆頭生產(chǎn)行業(yè)關(guān)注的重點。

為了能夠較好地控制平面或空間直線的形狀誤差,提高設(shè)備制造安裝精度與工作效率,延長使用壽命,對工件的直線度進(jìn)行檢測并控制具有非常重要的意義。隨著工業(yè)水平的進(jìn)步,直線度檢測技術(shù)一直不斷發(fā)展,目前對空間直線度測量的方法主要有:光隙法[1]、指示器法[2]、杠桿法[3]、光軸法[4]、三坐標(biāo)測量法[5]、機器視覺測量[6]等。光隙法成本低廉,但受光照環(huán)境、工件表面粗糙度、人員因素影響,容易出現(xiàn)誤差。指示器法操作簡單、測量精度高、使用成本低,但操作時間長,較多應(yīng)用在小平面或短圓柱的直線度測量上。杠桿法結(jié)構(gòu)原理簡單、測量方便,但測量精度低、自動化程度不高。光軸法是人工進(jìn)行瞄準(zhǔn)及計算,受人為因素影響較大,檢測效率不高。三坐標(biāo)法測量精度高、測量方法靈活,但實際測量速度較慢,測量尺寸局限。基于機器視覺的檢測方法易于實現(xiàn)自動化但只能測量小尺寸物體,容易受到環(huán)境和光照條件的影響。

綜上所述,現(xiàn)有的許多直線度檢測方法,其檢測精度、效率、成本、適用性之間很難同時滿足。為了實現(xiàn)棒料的直線度檢測和彎曲定位的需求,本研究在此背景下,設(shè)計了一種能夠滿足這一需求的直線度檢測及彎曲定位裝置。

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 直線度測量原理

在任意方向上,空間直線度公差帶[7]是直徑為d的圓柱面內(nèi)的區(qū)域,從直線度誤差最大處的截面來看,公差帶也是該截面圓心到基準(zhǔn)軸線的距離d,如圖1所示。

圖1 直線度原理圖

考慮到空間直線度的方向任意性,在使用指示器法測量時主要有2種測量方式。橫截面檢測法:通過測量均布于零件軸向上各截面等分點的示值,確定各截面的圓心坐標(biāo),按照最小包容區(qū)域評定直線度誤差。軸截面檢測法:通過測量被測軸垂直方向上軸截面的兩條素線位置示值變化,得其差值ΔM=Ma-Mb,轉(zhuǎn)動零件在若干個截面上重復(fù)上述測量并找到最大值ΔMmax和最小值ΔMmin之差的一半即為所求直線度誤差的近似值,如圖2所示。

(a)橫截面檢測法

(b)軸截面檢測法圖2 指示器測量原理

在橫截面測量法中,每個截面轉(zhuǎn)動1周后,指示器示值中的最大值與最小值之差也是這個截面的圓跳動誤差。當(dāng)橫截面位于該零件直線度誤差最大的軸向位置時,使用兩端點連線法對直線度進(jìn)行評估,此時該截面圓心與基準(zhǔn)軸線的距離最遠(yuǎn)。該截面圓跳動誤差值為直線度誤差的2倍,如圖3所示。

圖3 圓跳動測量原理

在使用橫截面測量法測量直線度時,通過對各截面的示值處理計算直線度的同時也可以得到等間距均布于整根圓棒的截面圓跳動誤差[8],當(dāng)這些截面之間的軸向距離較小時,任意兩個相鄰截面間的圓跳動誤差可近似等同于兩截面間圓柱體的全跳動誤差[9],公差帶是半徑差為d且與基準(zhǔn)軸線同軸的圓柱兩端面之間的區(qū)域,如圖4所示。

圖4 全跳動測量原理

根據(jù)上述原理,本文提出一種基于復(fù)合點位移的旋轉(zhuǎn)棒料直線度檢測方法,采用螺旋線提取法[10]為采樣方法,棒料勻速轉(zhuǎn)動的同時,激光位移傳感器[11]沿軸向勻速運動,激光探測點在圓棒表面成一個螺旋線形狀的軌跡,如圖5所示。根據(jù)位移變化信息與直線度誤差之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而計算棒料的直線度誤差,傳感器示值變化信息如圖6所示,直線度誤差計算方法如圖7所示。

圖5 檢測原理圖

圖6 傳感器示值變化圖

圖7 直線度誤差計算方法

采集動作完成后傳感器得到一組數(shù)據(jù)個數(shù)為m的位移變化信息,以n個數(shù)據(jù)為一小組,將其分為m/n個小數(shù)據(jù)組,n包含1個完整轉(zhuǎn)動周期,找到小數(shù)據(jù)組中的最大值Dimax及最小值Dimin并按式(1)、式(2)數(shù)學(xué)關(guān)系計算:

Δdi=Dimax-Dimin

(1)

fi=Δdi/2

(2)

式中:Δdi為第i小數(shù)據(jù)組的跳動誤差值,i取值為1～m/n;Dimax為第i小數(shù)據(jù)組中的最大值;Dimin為第i小數(shù)據(jù)組中的最小值;fi為第i小組的直線度誤差。

比較所有fi的大小,取其中最大值fimax為被測棒料的直線度誤差。

1.2 角度旋轉(zhuǎn)定位原理

根據(jù)上述直線度測量原理,測量直線度誤差時需要棒料周向轉(zhuǎn)動,最大直線度誤差處周向角也隨之不斷變化,因此需要對最大直線度誤差處的周向角描述引入時間的概念。例如:在時間t的棒料最大直線度誤差處周向角度。為了準(zhǔn)確定位最大直線度誤差處的周向角度,以傳感器測得的最大直線度誤差的時間為描述時間。為了更好地描述周向角度,按如圖8所示的坐標(biāo)系來描述角度,以基準(zhǔn)圓截面和實際圓截面的圓心坐標(biāo)連線的角度來表示周向角的朝向。

圖8 角度旋轉(zhuǎn)示意圖

根據(jù)上述直線度誤差測量及判斷方法,當(dāng)直線度誤差最大處的周向角度轉(zhuǎn)至270°時,該測量段落內(nèi)位移傳感器的示值最小。如圖9所示,找到最大直線度誤差fimax對應(yīng)測量段落中的示值最小的點N(c,D3 min)。根據(jù)位移變化信息與電機轉(zhuǎn)動行程(圖10所示)的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型,繼而定位最大直線度誤差處。

圖9 最大誤差段落中的最小示值

圖10 電機脈沖輸出圖

根據(jù)傳感器示值橫坐標(biāo)與電機轉(zhuǎn)動行程的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行計算,如式(3)、式(4)、式(5)所示:

t/T=c/m

(3)

b=t/T·S

(4)

b=c/m·S

(5)

式中:c為最大直線度誤差fimax對應(yīng)測量段落中的示值最小的點N的橫坐標(biāo),m為對應(yīng)傳感器測量總數(shù)據(jù)個數(shù);T為檢測的總時間;t為測量到橫坐標(biāo)c時的時間;S為電機轉(zhuǎn)動的總脈沖數(shù);b為t時間電機轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)。

測量結(jié)束后,要將被測棒料最大直線度誤差處的周向角轉(zhuǎn)動至正下方,電機需要轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)如式(6)所示:

B=-(S-b)

(6)

式中:B為需要轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù),負(fù)號(-)代表與檢測時電機轉(zhuǎn)動方向相反。

1.3 系統(tǒng)裝置方案設(shè)計

根據(jù)上述棒料的直線度檢測方法及彎曲定位原理以及為了適應(yīng)實際生產(chǎn)需求,棒料直線度檢測及彎曲定位裝置應(yīng)滿足以下功能:

(1)適應(yīng)不同直徑及不同長度的棒料測量;

(2)驅(qū)動棒料勻速轉(zhuǎn)動;

(3)傳感器沿軸向勻速移動;

(4)位移變化信息的采集及分析處理;

(5)驅(qū)動棒料轉(zhuǎn)動到指定角度。

因此,基于復(fù)合點位移的旋轉(zhuǎn)棒料直線度檢測及彎曲定位裝置總體方案如圖11所示。直線度測量時,棒料兩端分別架設(shè)在支撐滾輪上通過電機連接驅(qū)動滾輪驅(qū)動棒料勻速轉(zhuǎn)動,同時從動輪緊壓棒料另一端減小轉(zhuǎn)動帶來的跳動,利用絲杠滑塊帶動激光位移傳感器沿棒料軸向移動,利用計算機實現(xiàn)被測棒料的位移變化信息采集與處理分析,并連接PLC控制電機實現(xiàn)滾輪及絲杠的轉(zhuǎn)動。最終實現(xiàn)棒料的直線度檢測及彎曲定位。

圖11 裝置總體方案

1.4 裝置的組成及結(jié)構(gòu)

根據(jù)棒料直線度檢測及彎曲定位裝置總體設(shè)計方案,該裝置可分為4個主要部分:測量模塊、驅(qū)動模塊、絲杠滑塊平臺、處理模塊,如圖12所示。

圖12 直線度測量及旋轉(zhuǎn)定位裝置組成

測量模塊由激光位移傳感器分別連接RS485通訊模塊組成。安裝固定于絲杠滑塊平臺上,用于對棒料轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的位移變化信息采集存儲,并將采集的位移變化信息傳輸?shù)教幚砟K中。

驅(qū)動模塊用以驅(qū)動棒料勻速轉(zhuǎn)動,使測量模塊采集到位移變化信息并在測量結(jié)束后實現(xiàn)角度旋轉(zhuǎn)定位。

絲杠滑塊平臺用以帶動測量模塊沿棒料軸向做勻速運動,以采集棒料轉(zhuǎn)動的位移變化信息。

處理模塊用以控制驅(qū)動模塊驅(qū)動圓棒勻速轉(zhuǎn)動、控制絲杠滑塊平臺帶動測量模塊移動、控制測量模塊的位移變化信息采集,并對采集的位移變化信息進(jìn)行處理,根據(jù)位移變化信息與直線度誤差之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而計算出圓棒的直線度誤差,根據(jù)位移變化信息與電機輸出脈沖的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而定位最大直線度誤差處。

綜合上述設(shè)計,直線度檢測及彎曲定位裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 直線度測量及旋轉(zhuǎn)定位裝置工作流程圖

測量開始后,上位機發(fā)送指令給PLC控制電機驅(qū)動棒料勻速轉(zhuǎn)動以及傳感器沿軸向移動。同時,上位機發(fā)送采集指令給通訊模塊,通訊模塊控制傳感器采集位移變化信息并儲存。當(dāng)傳感器到達(dá)測量結(jié)束位置時,棒料停止轉(zhuǎn)動,傳感器回到測量起始位置。通訊模塊將位移變化信息發(fā)送給上位機,上位機計算直線度誤差及旋轉(zhuǎn)角度,計算完成后上位機控制PLC實現(xiàn)彎曲定位。

2 實驗及分析

2.1 直線度檢測試驗

為了對比本裝置的直線度檢測精度,試驗采用與指示器法檢測結(jié)果進(jìn)行對比的方式進(jìn)行判斷,選用7根長度為330 mm、直徑為10 mm的棒料進(jìn)行測量,系統(tǒng)運動參數(shù)設(shè)置如下:傳感器移動電機總行程脈沖為10 900,每秒輸出脈沖為1 000,移動電機轉(zhuǎn)動1周脈沖400。棒料轉(zhuǎn)動電機總行程脈沖10 900,每秒輸出脈沖1 000,棒料轉(zhuǎn)動電機轉(zhuǎn)動1周1 000脈沖。每3個周期(180個數(shù)據(jù)點)為1組計算跳動。首先使用指示器法測量每根棒料的直線度誤差10次并記錄,后使用該裝置測量每根棒料的直線度誤差并記錄,取平均值后分析兩者測量結(jié)果,如表1所示。由表1可知,對棒料的直線度測量結(jié)果中,系統(tǒng)測量平均值與人工測量值最大偏差為0.014 mm。測量結(jié)果表明本裝置對棒料直線度測量精度較高。

表1 直線度人工測與系統(tǒng)平均值比較 mm

2.2 裝置重復(fù)測量精度試驗

為了檢驗本裝置的重復(fù)測量精度,需要對同一根棒料進(jìn)行多次測量并比較結(jié)果之間的差值。在直線度檢測試驗中通過指示器法測量得到每根棒料的直線度誤差,并在最大直線度誤差處做了標(biāo)記。重復(fù)測量精度試驗,使用本裝置對每根棒料進(jìn)行10次測量,并記錄每次的測量結(jié)果及最大直線度誤差處標(biāo)記的周向角指向。直線度重復(fù)測量精度結(jié)果如圖14所示,轉(zhuǎn)角重復(fù)定位結(jié)果如圖15所示。

圖14 系統(tǒng)測量與人工測量直線度對比

圖15 定位角度測量對比

從圖14可知,同一根棒料的系統(tǒng)測量值最大偏差為0.01 mm,系統(tǒng)測量值與人工測量值最大偏差為0.02 mm,綜合以上測量結(jié)果表明:本檢測裝置對棒料直線度檢測重復(fù)測量誤差滿足精度要求。從圖15可知,定位后的周向角指向范圍為(90±5)°,滿足定位需求。本裝置采用的激光位移傳感器精度為0.03 mm,因此在傳感器的精度范圍內(nèi)會產(chǎn)生示值的波動,導(dǎo)致位移變化信息存在較小誤差,同時也會造成周向角度定位的誤差,但影響范圍內(nèi)的直線度誤差最大、最小值之差以及與人工測量值比較的最大差值很小,符合測量儀器的最大允許誤差為工件公差的1/10原則,對產(chǎn)品優(yōu)良的判定及后續(xù)的彎曲定位影響不大,因此本裝置的精度、重復(fù)精度與彎曲定位精度滿足實際應(yīng)用要求。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于復(fù)合點位移的旋轉(zhuǎn)棒料直線度檢測及彎曲定位方法,通過棒料轉(zhuǎn)動的同時激光位移傳感器沿軸向移動采集位移變化信息,根據(jù)位移變化信息計算出直線度,并定位出彎曲的周向角。

根據(jù)上述方法,設(shè)計了一套直線度檢測及彎曲定位裝置,通過與指示器法測量結(jié)果進(jìn)行對比試驗,驗證了該裝置直線度測量精度、重復(fù)測量精度及最彎曲處重復(fù)定位精度,結(jié)果表明本裝置具有較高的測量精度且重復(fù)測量精度、彎曲重復(fù)定位精度滿足實際應(yīng)用。