孔的圆度自动测量系统

　　0 引言

　　在生产实际中,经常会遇到需要对孔的不圆度进行测量,尤其对那些孔径较大,深度较深的孔,采用传统的内孔千分尺测量,就显得工作量大、速度慢、数据点有限、不能准确反映不圆度的轮廓曲线和变化趋势,而且当精度要求较高时,人工测量误差就很难满足要求,误差在圆周上的分布也无法准确对应,如果要求测量数据点多,还容易出错[1].利用计算机和非接触位移传感器进行自动测量,不仅速度快、精度高,数据点任意设定,而且可进行实时数据处理、现场分析,从而提高生产质量.通过数据存储、查询功能还可实现历史生产质量的跟踪和用户反馈信息的分析处理[2].

　　1 测量方法及机构

　　测量机构是采用一个在圆孔内旋转的非接触位移传感器,通过位移传感器测头到圆周表面距离的变化,以确定其不圆度[3].如图1所示,设圆孔的圆心为O,半径为R,测量头的旋转中心为O₀,中心到圆孔表面被测点M的距离为RX,O-O₀的距离为L,测头从O-O₀的连线方向开始旋转,转角为A,按余弦定理得以下表达式:

　　从上式可以看出,RX有2个解,这是由于偏心有2个方向,但当R》L时就有下式:

　　对α进行微分,其表达式为:

　　也就是说,如果以某一点为基准做相对测量,每一点测得值的变化是由2部分线性叠加的,一部分是由于被测件不圆造成的,另一部分是由于测头旋转中心的偏心所造成的,后者是一个由测量系统造成的固定偏差值,而且与测头到旋转中心的距离(臂长)是无关的.当被测件是一个理想的圆时,用旋转中心微微偏离圆心的测头测得的值是一个按正弦波动的函数,最大波动为偏心值L.

　　一般情况下,将测得的值逐点减去偏心误差值就可以得到圆的实际偏差值.这样利用计算机图形界面就可以非常直观地显现被测圆面的状况,是棱圆还是椭圆,是在那个位置突起或凹下.

　　另外,测头旋转的轴线和被测的圆面应垂直,否则,会引起倾斜方向被拉长成椭圆的误差.

　　下面是一个实用的测量机构,如图2所示,旋转轴由一对连在一起的A字形刃口架支撑,有足够的刚性,整体精密加工制成,刃口使旋转轴稳定地定位于被测面的中心.

　　旋转轴可做360°的往复旋转,零点限位装置控制测量头旋转的初始位置,定位脉冲编码器确定测量头的圆周位置,测量头可在旋转轴上沿轴向滑动,停在需要测量的位置,以测量孔的不同深度的不圆度.全部传感测量和控制信号通过电缆接头和控制器连接.

　　控制系统由测量装置、控制器和监控计算机构成,可根据需要做不同的配置,测量过程完全由控制器的程序控制,控制器可与计算机脱机工作进行测量和数据存储,因此控制器带一个人机界面后可构成一个简单系统.配置监控计算机后将形成更完整的系统,控制器和计算机通过RS485总线连接,可实现远控测量、实时动画显示、测量结果直观图表分析以及数据库操作功能.