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        提高滾輪法測量大直徑精度的研究
        作者:廣州依納  發表時間:2013-03-04  點擊:90
        0 引言   大型機械設備,如水輪機、汽輪機、大型發電機組、大型軸承圈等,常需對其大直徑進行高精度測量,以滿足加工過程中對直徑尺寸的控制。大直徑測量必須解決以小測大、在線測量等一系列特殊問題。目前所采用的方法有:①用π尺進行測量,方法雖簡單,但測量誤差較大,精度很難提高。②采用大型卡尺進行測量,卡尺若隨被測直徑的增大而增大將會出現很多難以克服的困難。③電子卡尺測量精度雖然較高,但是測量范圍仍然有限。④座標機是一種較先進的測量方法,可是大型座標機價格十分昂貴,且不便在線測量。⑤利用滾輪測量被測件的周長,然后算出其直徑,此方法的優點在于被測工件的幾何尺寸不受限制,能以小測大并可方便地進行在線測量,這也是幾十年來,始終未被人們放棄的原因所在。滾輪法從理論上講是無原理誤差的,但由于技術未臻完善,如沒有解決好滾輪與被測工件接觸點的滑失問題,給測量帶來了誤差,限制了其測量精度的提高。如何解決滾輪與被測工件接觸點的滑失問題,是完善此項技術的關鍵。1 滾輪法測量原理及提高精度的措施  滾輪法測量大直徑的原理如圖1所示。它是利用滾輪測量出被測工件的圓周長,利用圓周長和直徑的函數關系,通過計算來求出被測件的直徑即:D=L/πhttp://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512091309691.gif圖1 滾輪法測直徑  其中L為被測件周長,可以看出被測件的直徑D其精度取決于被測件周長的測量,因此測量時,滾輪應以一定的壓力與被測件接觸,壓緊力保證滾輪相對被測件作無滑動的純滾動。當被測件轉動時,它與滾輪的傳動關系為:n π d=N π D                    D=(n/N) d                (1)  式中:n 為滾輪轉數;N為被測件轉數;d為滾輪直徑;D為被測件直徑  滾輪法測量直徑較好地解決了以小測大的問題,且方便于在線檢測。但前提條件是:被測件(以下稱工件)與滾輪在轉動的時候,它們之間應是無滑動的純滾動,即沒有滑失現象。但是滑失現象一直是滾輪法測量大直徑讓人們所困擾的事情,也是較難解決的問題。為此,我們在這種測量方法上采取了一些措施,以減小滑失的產生。 1.1 解決被測件軸與滾輪軸在安裝過程中的不平行問題  被測工件與滾輪在安裝過程中兩者的軸應互相平行,如圖2(a)所示。http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512091309973.gif圖2 滾輪軸與被測件軸不平行對測量的影響  只有這樣測量的時候才能保證它們在每一徑向截面是在同一平面內轉動。如果不計兩輪之間壓力變形,它們之間的接觸是點接觸,如圖1中的A點。因為是對滾,所以它們的轉動線速度相同,且又在同一平面內轉動,因此在A點,滾輪與工件的相對速度為零,它們轉過的弧長彼此相等,說明沒有滑失現象,可以精確地測出工件的直徑。但是在安裝工件與滾輪的時候,工件軸與滾輪軸可能并沒有嚴格平行,滾輪軸相對工件軸偏離了一定的角度θ,如圖2中的(b)和(c)。因為工件的轉動是由驅動裝置提供,而滾輪的轉動則依賴于工件的轉動,由于兩軸的不平行,工件與滾輪在轉動的時候不是在同一平面內轉動,造成它們的轉動速度不相同,從圖2的(b)和(c)中看出:v滾=v工cosθ  滾輪的轉動速度將小于工件的轉動速度,滑失由此產生。它們轉過的弧長不再相等。測出的直徑將變小。若設計一個微調機構,讓滾輪軸在與工件軸平行的位置附近擺動,滾輪軸與工件軸之間的角度θ越大,測出的工件直徑就越小。調整微調機構,使θ角逐漸減小,測出的工件直徑就逐漸變大。當θ= 0時,兩軸平行,測出的直徑最大,繼續調整微調機構使θ角向反的方向增大,測出的直徑又隨之減小,如圖3所示。只有當測出的直徑為最大時,說明此時滾輪軸與工件軸是平行的,即圖中的極大值位置。將滾輪軸安裝在此位置可以避免滑失的產生。http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512091309249.gif圖3 滾輪軸與工件軸之間的夾角θ對測量直徑的影響 1.2 減小滾輪軸的摩擦力  當滾輪轉動的時候,滾輪軸與軸承要產生摩擦,此摩擦力直接影響著滾輪的轉動情況,我們希望這個摩擦力越小越好,達到減小滑失的目的。因此選用摩擦極小的空氣軸承是比較理想的,于是我們設計與構思了氣浮頂尖的結構,如圖4所示。頂尖制成空心,可以通氣,上下兩端分別通入高壓氣體。圖中采用孔式節流方式。當壓縮空氣由頂尖中心孔通進時,它會由間隙溢出。頂尖座和頂尖有一小段是經過研磨而成的,在靜態下兩壁密合,當氣體通入時,兩頂尖因氣體壓力而產生微量分離,形成錐形間隙,其余部分的頂尖座和頂尖,角度有極小的差異,形成楔形間隙。上下頂尖用同一壓力供氣,滾輪的自重使下頂尖的氣隙小于上頂尖,因此下頂尖溢出的氣體流量小,上頂尖流量大。另一方面高壓氣體是經過孔式節流器進入氣腔的,上下頂尖使用相同結構的節流器,對流動氣體的阻力相同。節流器產生的壓力降與氣體流量成正比,所以上端節流器的壓力降大,下端的壓力降小,即上端氣腔內壓力小,而下端氣腔內壓力大。上下氣腔內存在著壓力差,這個壓力差與供氣壓力有關,當供氣壓力達到某一值時,該壓力差作用在頂尖上的作用力等于滾輪的自重,就能把滾輪浮起。由于氣隙的存在,滾輪轉動起來自身的摩擦極小,因此可以說采用氣浮頂尖結構比采用普通軸承在減少滑失方面又前進了一步。http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512091311570.gif圖4 氣墊結構簡圖2 數據采集  數據采集由兩部分組成,測量被測件轉數N以及滾輪的轉數n。首先談一下如何得到被測件的轉數N?! ≡诒粶y件的側面做一標記,當此標記通過光電開關時,光電開關將接收到一個光脈沖,工件每轉一周光電開關都會接收到一個脈沖信號,此信號經光電轉換、電路放大、整形后送入計算機進行計數,工件的轉數N就這樣被記錄下來?! 氖剑?)中看出,滾輪所轉的圈數n與被測件直徑有著直接的關系,因此滾輪轉數n要力求精確測出,所以采用了莫爾測量技術。把一圓光柵安裝在滾輪軸上,滾輪轉一周,光柵亦轉一周。在圓光柵的前面按裝了照明燈泡、透鏡和指示光柵,在圓光柵的后面則安裝了光電接收裝置,這樣在滾輪與光柵轉動的時候就形成了移動的莫爾條紋。若光柵的周刻線為10 800條的話,由莫爾條紋的性質可知:光柵每轉一周就有10 800個脈沖輸出。當計算機接收到工件的第一個脈沖時,開始對移動的莫爾條紋進行計數,工件的第10個脈沖到時,說明工件已轉了10周(取10周為的是提高測量精度),此時停止莫爾條紋計數。將所計的莫爾條紋的移動數目從計算機中取出,除以10 800即是滾輪所轉的圈數n。若使計算機能準確地將工件的轉數以及光柵所產生的莫爾條紋信號記錄下來,光電轉換及電路放大是必不可少的,因為光電接收裝置接收到的脈沖信號較弱且是模擬變化量,而計算機所能接受的則是數字量,因此需將信號進行放大,且將模擬信號轉變為數字信號。信號放大我們采用了較為常用的反相比例放大電路,此電路結構簡單,由于電壓負反饋的作用,輸入、輸出電阻都很小,所以帶負載的能力較強。另外為了得到數字量,用555定時芯片搭接而成施密特觸發器。此電路的優點在于:①輸入信號從低電平上升時的轉換電平和從高電平下降時的轉換電平不同,以提高電路的抗干擾能力。②在電路進行狀態轉換時,通過電路內部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。利用這兩個特點不僅可以將邊沿變化緩慢的模擬信號(正弦信號)整形為邊沿陡峭的矩形波,而且可以將疊加在矩形波脈沖信號的高、低電平有效地清除?! ∮脝纹瑱C進行計數可以使電路大為簡化,因為8031單片機內部有兩個定時/計數器,即T0與T1。在軟件編程中讓T0與T1工作在計數方式。T0用來記錄工件的轉數N,T1則記錄移動的莫爾條紋數目,當T0記錄的脈沖數為10后,馬上停止T1的計數,隨即將T1的計數取出,用式(1)算出工件的直徑D。另外用8255 A作為單片機的并行接口將算出的直徑D送到LED進行顯示。其中8255 A的A口與C口均作為輸出口,A口用作LED的段控,C口用作位控。3 程序設計  有了上述的硬件,完成計數與運算直到用LED顯示出被測工件直徑就靠程序來實現了。計數是對被測工件所轉的周數以及由光柵產生的莫爾條紋的移動數目進行記錄。由記錄出的莫爾條紋的移動數目就可算出被測工件的直徑。圖5、圖6分別為主程序流程圖和計數程序流程圖。http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512091311749.gif圖5 主程序流程圖http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512091311451.gif圖6 計數程序流程圖4 結論  對傳統的滾輪法在線測量大直徑,經過采取有效的提高精度措施,其測量精度和重復性與不采取這些措施相比較,均能提高一個數量級。所以用滾輪法在線測量大直徑仍是一個方便、有效的方法。
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