大直径在线测量仪的设计

　　引言

　　大直径圆柱零件(φ500mm 以上)外径尺寸的在线测量是大型机械零件加工中存在的难题之一。当前的测量方法有：滚轮法、标志法、弦高弓长法、围绕法、经纬仪法、激光测量等，这些方法测量时往往仪器笨重、操作复杂。另外，以上方法基本都属于静态测量，无法在工件切削加工的同时进行在线测量。目前，一些工厂通过对车床的改装，在横拖板上安装同步感应器或光栅尺来显示刀具横向走刀的尺寸，间接获取工件的直径。这种方法需要有精确的对刀仪，而且每次换刀后都要重新对刀，再计算出测量结果。由于大直径圆柱工件的加工过程换刀次数频繁，这种方法在实际应用中很不方便。在总结以上方法的基础上，根据车削加工的特点，作者提出了一种新的方法，设计研制了一种大直径工件直径在线测量仪。

　　1 测量原理

　　大直径工件外径在线测量仪的原理如图1所示。小齿轮箱通过支架固定在车床的床鞍上，其中心与工件之间的距离L是常数，并与床鞍一起沿车床导轨作纵向运动。需要测量时，步进电机驱动齿条向工件方向移动，使齿条‘前端光栅’上的小滚轮接触正在加工的大直径工件外表面。如果齿条移动的距离为C(由‘后端光栅’测得)，‘前端光栅’测得A。由图1可知，工件的直径φ为

　　从几何上讲，只要测得(C+A)的尺寸就可以得到工件直径。但如果将(C+A)采用一个光栅测量，则测量机构的运动部件长、质量大，会增加测量误差。本仪器选用的“前端光栅”测量范围只有20mm,运动机构简单，所以惯性小，便于提高测量精度。

　　另外，L虽然是常数，但不能直接获得，只能通过标定得到。标定的方法是：在全套系统安装好后，用一个已知直径的标准工件安装在车床主轴上，由公式(1)推得L= φ/2+C+A 计算得到。工件的直径是工件旋转一周，由安装在主轴后端的光电编码器对工件圆周进行等分时，测得32次直径后求其平均值给出的。

　　本仪器一般在精加工阶段使用，粗加工时一般可凭借横刀架上的刻度掌握工件的尺寸。

　　2 仪器测控系统的硬件设计

　　2.1 测控系统及功能模块

　　图2为测控系统的框图。核心是以89s52组成的单片机系统。主要部分可分为：

　　*光栅数据采集模块:同步读取前后光栅的数据。

　　*显示、键盘模块：6位LED数码管，显示被加工零件的直径，与键盘配合输入、显示仪器的初始参数数据，如L、直径下限、温度等。为了减少单片机CPU 的引脚和软件的负担，采用了HD7279A 动态LED显示、键盘控制的专用芯片，与单片机只有4条引脚的连接。