深孔孔径的精密测量

　　摘要:本文介绍一种由高精度传感器、微型计算机数据处理与控制装置组成的测量系统精确测量深孔孔径的方法和实验结果。

　　在机械制造、工程机械、尤其是石油机械等设备中广泛使用深孔类零件,如油缸、气缸等。这类零件上的孔不但长径比(L/D)大,而且尺寸准确度要求高。由于结构限制,使用普通的测量方法难以在全长上测量其孔的实际尺寸,往往仅以孔两端的尺寸来判断零件是否合格,不能真实反映零件的质量。为此,我们设计了专用测量仪器,用于测量深孔的孔径。

　　一、测量仪器的结构及工作原理

　　该专用测量仪器由机械结构、电感测微仪和计算机数据处理与控制系统三部分组成。当被测孔径d≥500mm时,电感测微仪与机械部分做在一起,如图1所示。测量机构通过6个滚轮(每周3个,120°分布,其中1个是活动的)撑在被测件的内壁中,与绕在滚筒上的直径为1mm的弹簧钢丝相连,步进电机2通过一对模数m=1.5mm、传动比i=1/25的蜗杆-蜗轮机构带动滚筒转动,实现测量机构在孔内行走,步进电机2的型号为45BF003,三相,在步距角3°的方式下运行,滚筒的直径d1=94.5mm,这样步进电机2每转动1步,测量机构在孔内移动0.1mm。步进电机1通过精密转动轴(其径向跳动和轴向窜动都小于0.001mm)带动电感测头转动,步进电机1的型号及工作方式与步进电机2相同,步进电机1每转动1步,外围微型计算机对电感测微仪的输出采样一次,即每个测量截面采样120点。整个测量机构的行走、采样、数据处理等全由外围计算机完成,测量长度可达10m。当d<50mm时,由于结构限制,电感测微仪难以和测量机构做在一起,仅把电感测头固定在测量机构上,受电感测头引线长度的限制,测量长度限制在1.5m内。

　　根据测量要求,选择若干个测量截面,如图2所示,每个测量截面采样120(或60个)个点,设某一测量截面采得的120个点经去伪点处理后,分别为a1,a2,……a120。则:

　　式中,i=1、2……120。

　　由最小二乘法原理可求得该截面拟合圆的圆心坐标(X,Y)及拟合半径R。

式中,Δi为i点的拟合误差;R为拟合半径。

　　计算机可以按式(4)算出每一个被测截面的拟合半径R。正确全面地反映深孔类零件全长上的形状误差。

　　三、实验与分析

　　为了验证该测量原理的正确性与仪器的性能,分别对3件内径长度L=800mm的零件做了多次测量实验。测量过程中零件竖直放置,每隔50mm测量一个截面,测量机构在孔内先从上往下测量一次,然后反过来再测量一次。如此反复测量3次,每件得到6组数据,对比发现6组数据相差很小,最大不超过0.002mm。测量完成后,任选3个测量截面,用线切割机在其两端各10mm处切开,在三坐标测量机上进行测量,与本文测量装置的测量结果的平均值进行对比,其具体数据如表所示。