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0 引 言 對大型軸類零件的幾何精度進行檢測時，不可能都有相應的臺式儀器供其使用，因而提出了以機床為測量儀器的本體，將測量傳感器裝在機床刀架上進行在位測量的方案。但是由于機床運動副誤差，如機床主軸旋轉時的徑向晃動、軸向竄動，導軌運動的非直線性等的存在，將使測量結果不精確。為此，本文介紹的檢測系統采用誤差分離技術，對機床運動誤差進行分離，提高了測量精度。考慮到現場的測量條件和工作環境，采用了以兩測頭法為主的誤差分離技術，并在時域中進行數據處理，獲得了滿意的結果。 1 大軸直線度在位測量誤差分離 在車床刀架上安裝兩個傳感器A和B，傳感頭與被測工件的素線接觸，按節距法測量，如圖1所示。刀架在位置0測量后，再移到位置1測量。從位置0到位置1，刀架移動的距離正好等于傳感器A、B之間的距離。由于A、B之間的距離遠小于車床縱向溜板長度，因此溜板縱向移動時，其擺動對傳感器讀數影響較小，可以忽略。這樣傳感器移動到不同位置測量時，只有平移而無擺動。相應地可導出下列計算式： fi=δi+ΔAi-ΔAo (1) δi=δi-1+ΔBi-1-ΔAi (2) 式中 fi——工件各測點直線度偏差； δi——刀架各位置的運動誤差； ΔAi——傳感器A在第i位置的測量值； i——測點序號，i=0-n； ΔBi-1——傳感器B在第i-1位置的測量值。 得到直線度偏差fi后，可按直線度誤差的評定方法如最小區域法或首尾端點連線法進一步求得直線度誤差值。 2 大軸圓度在位測量誤差分離 如圖2，將傳感器A和B裝在車床刀架上，兩測頭位于工件的同一橫截面上，夾角為θ。 測量時車床主軸帶著工件旋轉；每轉過一個θ角測量一次，直到測完一周為止。由于車床主軸有徑向晃動，相當于軸心有一個偏移量e。在不同的測量位置上，偏移量e的大小和方向均是變化的。但當θ比較小，而被測軸徑比較大時，e相對于傳感器的切向分量e切對A、B的影響可以忽略不計，只考慮徑向分量e徑對測量的影響，從而可導出下列公式。 ei=ΔAi-ΔBi-1-Δr1-ei-1+ΔB0-ΔA0 (3) Δri=ΔAi-ei-e0-ΔA0 (4) 式中 Δri——各測量點的半徑偏差值 ei——偏移量e在各點的徑向分量 ΔAi、ΔBi——傳感器A、B在位置i測量值 根據式(4)求出的工件上各點半徑變化量，可按圓度誤差的評定方法如最小二乘法求出圓度誤差值。 3 大軸圓柱度在位測量誤差分離 如圖3所示，共采用3個傳感器進行測量。3個傳感器一同裝于車床刀架上，其中A、B兩傳感器的測頭在工件的同一橫截面上與被測工件圓柱面接觸，實現單個橫截面的圓度測量。 B、C測頭在同一軸截面上與被測工件圓柱面接觸，完成素線的直線度測量。當機床主軸帶著被測工件旋轉一周，通過A、B獲取信號后，將縱溜板移動一個節距，即B、C傳感器之間距離，機床主軸再帶著被測工件旋轉一周進行測量，重復前述工作，直到測量完所有截面為止。此時B、C兩傳感器也測量完工件的一條素線。這樣就獲得了被測圓柱表面上各點的測量數據Pij,j為橫截面序號。 將各測點的數據轉換成直角坐標數據，得Pijxij,yij,zij)，用最小二乘法計算圓柱度，即 ∑∑(Rij-R0)2 =f(x0,y0,z0,l,m,n,xij,yij,zij)=Min (5) 式中 Rij——測點到最小二乘圓柱軸線之間的距離 R0——最小二乘圓柱的半徑 l,m,n——最小二乘圓柱軸線的方向矢量 x0,y0,z0——最小二乘圓柱軸線通過點的坐標 則最小二乘圓柱的軸線L可表示為： x=x0+lt (6) y=y0+mt (7) z=z0+nt (8) 當最小二乘圓柱軸線L決定后，各測點到L的徑向距離Rij即可求得，則圓柱度誤差 f=Rmax-Rmin (9) 式中 Rmax、Rmin——Rij中最大值與最小值。 4 大軸同軸度在位測量誤差分離 用兩測頭法分別在基準要素的中間截面上測出誤差數據，并用誤差分離法獲得各測點的半徑變化量。以兩截面最小二乘圓心的連線L近似地作為基準軸線。然后用兩測頭誤差分離的方法測量被測要素若干截面的圓度誤差，求出其各圓心的坐標Ci(xi,yi,zi)到基準L軸線的距離Si，用Si中的最大值Smax的兩倍作為同軸度誤差： f=2Smax (10) 5 大軸端面跳動在位測量的誤差分離 車床主軸帶著被測工件旋轉，主軸的軸向竄動，工件軸線與主軸軸線不重合等，均會影響測量結果。為分離這些誤差，采用了三測頭原理按節距法進行測量的方案。如圖5，A、B、C三測頭等間距地安裝在刀架上，測頭與工件端面在同一測量圓周上接觸。設A、B、C三測頭在工件每轉過一個節距時的讀數分別為ΔAi,ΔBi和ΔCi，工件第i點的端面跳動偏差為fi，相應位置機床運動誤差為δi，推導得 fi+2=2fi+1+(ΔAi+ΔCi-2ΔBi)-(ΔAi+ΔCi-2ΔBi) (11) δi=fi+1-ΔBi+ΔB0-f1 (12) 工件最大跳動量應為fi中最大值與最小值之差，即 f=fmax-fmin (13) 6 實用檢測系統 為了實現上述測量，本文研制了CM-1型儀器，在生產中應用獲得了較滿意的結果。該儀器由電感傳感器、電器箱、12位A/D轉換卡、微機、微型監視器和打印機等組成(圖6)。在該儀器上除開發出上述測量軟件外，還開發出了其他幾何量測試軟件。 |