大孔徑工件內(nèi)徑測量裝置設(shè)計

趙慶嶸 丁逸倫 毛敏

南通市計量檢定測試所 江蘇南通 226011

在機械、化工等諸多領(lǐng)域中會涉及很多大孔徑工件，其內(nèi)徑尺寸對于這些部件和與之配合的部件之間的配合精度有著重要意義。為確保這些部件的內(nèi)徑尺寸符合工作和生產(chǎn)的需要，需要對這些內(nèi)徑尺寸進行測量，而由于部件的內(nèi)壁上會存在諸多高點或低點，采用現(xiàn)有的測量工具(例如內(nèi)徑千分尺)并不能使測量工具與這些部件的測量部位進行很好的抵壓，導致測量存在較大的誤差，同時由于工件的口徑深淺不一，采用傳統(tǒng)的內(nèi)徑測量裝置無法實現(xiàn)內(nèi)徑的測量，進而影響部件的安裝質(zhì)量，威脅設(shè)備的安全穩(wěn)定運行?；诖朔N情況，需要設(shè)計出能夠?qū)@些大孔徑工件進行高效、準確、便捷直徑測量的測量裝置。

工程技術(shù)人員已經(jīng)對內(nèi)徑測量裝置進行了部分研究設(shè)計，郭燕等[1]在研究現(xiàn)有深孔測量方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種具有自定心功能的深孔參數(shù)測量裝置，與現(xiàn)有測量系統(tǒng)比較，該設(shè)計優(yōu)于光杠式行走測量裝置，可用于中大型精密儀器軸孔內(nèi)徑的高精度自動化在線測量。李崎巖[2]研制了一種集成式的高精度測量裝置，可以同時對大深徑比孔的直線度、圓度及孔徑和壁厚進行測量，解決當前測量中自動化程度低、精度低的問題。楊桐郁[3]提出將激光三角法應(yīng)用到大尺寸軸孔類零件的內(nèi)徑測量中，設(shè)計了對應(yīng)的測頭和測量方法，大大提高了大尺寸軸孔類零件的測量、加工效率。丁正龍等[4]針對深孔零件內(nèi)徑測量精度要求高、測量空間受限的問題，利用機械測量轉(zhuǎn)換機構(gòu)和電感位移傳感器，研制了一種深孔內(nèi)徑在線精密測量裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高的優(yōu)點，能夠滿足深孔內(nèi)徑在線測量要求。王小娟[5]針對異徑管內(nèi)徑測量難的問題，設(shè)計了一種火炮身管內(nèi)徑自動測量系統(tǒng)，其不僅可以用于火炮身管內(nèi)徑的自動測量，而且還可以廣泛應(yīng)用于其他異徑管類零件和多種深孔類零件的測量。姜麗華[6]根據(jù)大型軸承套圈的特點，結(jié)合測量要求設(shè)計了專用測量裝置，采用套圈不動、量儀移動的方式，用二點法測量其內(nèi)徑尺寸，保證了大型軸承套圈的質(zhì)量要求。郭健[7]提出了一種新型火車車輪內(nèi)孔幾何形狀激光測量裝置，采用單個高精度激光測距傳感器，通過在輪轂內(nèi)孔不同高度位置上旋轉(zhuǎn)測量實現(xiàn)對火車輪內(nèi)孔不同位置處的測量，并結(jié)合測量裝置的標定方法，實現(xiàn)對火車輪內(nèi)孔幾何形狀快速、高精度的測量。云鵬等[8]介紹了一種基于高準確度電感傳感器和紅寶石測頭，在測長機上實現(xiàn)了深微孔徑測量的方法，解決了深微孔內(nèi)徑的測量問題。

綜上所述，對于深淺不一的大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸測量目前還沒有明確涉及，因此，本文介紹了兩種內(nèi)徑測量裝置，能夠分別對深口和淺口的大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸進行有效的測量。

1 設(shè)計內(nèi)容

1.1 深口大孔徑工件內(nèi)徑測量裝置

本文設(shè)計的深口大孔徑工件內(nèi)徑測量裝置，主要是用于對深口、大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸進行測量。該內(nèi)徑測量裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由定位裝置、夾緊裝置與測量裝置三部分組成。

圖1 深口內(nèi)徑測量裝置整體結(jié)構(gòu)圖

該深口內(nèi)徑測量裝置的主體組成部分及其作用如下：

(1)定位裝置：定位裝置包括定位銷、回轉(zhuǎn)臂、軸承、下端蓋、上端蓋等主要部件，用于內(nèi)徑測量裝置在工件上的定位。測量時將定位銷緊靠待測工件的內(nèi)壁，作為待測工件內(nèi)徑一端的定位標準，定位銷與回轉(zhuǎn)臂之間通過軸承、下端蓋和上端蓋連接，因此，回轉(zhuǎn)臂可繞著定位銷做圓周旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)臂來定位待測工件內(nèi)徑的另一端。

(2)夾緊裝置：夾緊裝置包括夾臂、夾持螺母、V型壓塊和鎖緊手臂，用于裝置定位完成后在工件上的夾緊。夾臂與定位銷上端固定連接，V型壓塊和夾臂的中心開有和夾持螺母配合的螺紋孔，當定位銷定位完成后，通過轉(zhuǎn)動夾持螺母帶動V型壓塊向著靠近工件外壁的方向進給，V型壓塊的V型區(qū)域通過處理采用波紋狀的紋路以增大與工件外壁的摩擦力，通過用V型壓塊夾緊工件外壁的方式來達到裝置定位完成后在工件上的夾緊?；剞D(zhuǎn)臂的一端設(shè)置有套接于定位銷的套筒，套筒的上部內(nèi)壁設(shè)置有氣漲圈，氣漲圈經(jīng)由設(shè)置在套筒上的氣孔與外部的氣源連通。利用氣漲圈充氣狀態(tài)下與定位銷之間的靜摩擦力形成鎖定效果。該鎖定方式下，充氣過程中的氣流不會破壞定位機構(gòu)的定位效果，確保了測量結(jié)果的精度。

(3)測量裝置：測量裝置包括導軌、內(nèi)徑測量頭、數(shù)顯模塊和百分表，用于測量和顯示數(shù)據(jù)。測量時首先將定位銷一端夾緊在待測工件上，內(nèi)徑測量頭與百分表上各安裝有一個探頭分別與工件的內(nèi)壁與外壁相接觸，通過旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)臂，觀察百分表上的讀數(shù)，當旋轉(zhuǎn)到讀數(shù)最大值時旋轉(zhuǎn)鎖緊手臂，完成回轉(zhuǎn)臂的找正。當回轉(zhuǎn)臂固定后，撥動與導軌上的滑塊相連接的內(nèi)徑測量頭，將其上的探頭與工件的內(nèi)壁相接觸，安裝在內(nèi)徑測量頭上的數(shù)顯模塊就會顯示出工件內(nèi)徑的測量值，至此測量完成。

該深口內(nèi)徑測量裝置整體由定位裝置、夾緊裝置與測量裝置三部分組成。深口內(nèi)徑測量裝置的主體示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 深口內(nèi)徑測量裝置主體示意圖A

圖3 深口內(nèi)徑測量裝置主體示意圖B

具體操作步驟：首先自工件的開口處將定位銷夾持于工件的內(nèi)壁中，轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)臂，盡量使得回轉(zhuǎn)臂處于工件的直徑上。然后利用定位機構(gòu)進一步確?；剞D(zhuǎn)臂位于工件直徑上，繼而利用鎖緊機構(gòu)將回轉(zhuǎn)臂相對于定位銷鎖緊。最后在回轉(zhuǎn)臂上調(diào)節(jié)測量裝置，獲取此時回轉(zhuǎn)臂所在工件直徑的讀數(shù)，完成測量。

1.2 淺口大孔徑工件內(nèi)徑測量裝置

本文設(shè)計的淺口內(nèi)徑測量裝置，主要是用于淺口大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸測量，同時還要兼顧高效、準確、便捷的要求。由于現(xiàn)有的內(nèi)徑測量裝置缺少對于淺口大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸參數(shù)測量的功能，所以，該內(nèi)徑測量裝置的設(shè)計思路是使用定位銷與內(nèi)徑測量頭作為定位裝置，進行淺口大孔徑工件直徑的測量，將光柵尺作為測量器件，數(shù)顯裝置顯示測量數(shù)據(jù)。該內(nèi)徑測量裝置的整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 淺口內(nèi)徑測量裝置整體結(jié)構(gòu)圖

該淺口內(nèi)徑測量裝置包括用于與待測工件的內(nèi)壁相抵壓的定位銷和內(nèi)徑測量頭，用于固定測量裝置本體的上基座、下基座、前連接座、后連接座和定位鍵，上基座上安裝有直線導軌和橫式數(shù)顯標尺，直線導軌滑塊上安裝內(nèi)徑測量頭。上下基座上各安裝有一根直線導軌，每條導軌上安裝兩個固定支架，用于平時擺放測量裝置。上下基座上安裝有2個把手，作為使用該測量裝置進行測量時的握持裝置，同時也便于平時搬運移動該測量裝置。

測量裝置本體由上基座和下基座組成，前連接座和后連接座用于連接上基座和下基座，靠近定位銷的一端通過6組螺栓固定，另一端通過4組螺栓固定，測量裝置本體前后兩側(cè)各用一塊定位鍵連接，以此來保證裝置的安裝精度。

具體操作步驟：使用時握住與上下基座所連接的兩個把手，先將定位銷的小凸臺抵在待測工件的內(nèi)壁上，然后拖動內(nèi)徑測量頭，通過調(diào)整定位銷與內(nèi)徑測量頭之間的距離來使定位銷和內(nèi)徑測量頭分別與待測工件的內(nèi)壁完全抵壓，從而實現(xiàn)內(nèi)徑測量裝置與待測工件的測量部位之間更好地抵壓。當完全抵壓后通過沿著待測工件測量部位的直徑方向轉(zhuǎn)動測量裝置，取得最大的數(shù)值作為測量值。

2 測量尺原理

光柵尺位移傳感器(簡稱光柵尺)是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于機床與現(xiàn)代加工中心以及測量儀器等方面，可用于直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大、檢測精度高、響應(yīng)速度快的特點。

光柵位移傳感器的工作原理是由一對光柵副中的主光柵(即標尺光柵)和副光柵(即指示光柵)進行相對位移時，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間(或明暗相間)的規(guī)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過光電器件轉(zhuǎn)換使黑白(或明暗)相同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號，再經(jīng)過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90°的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計數(shù)顯示。

3 兩種內(nèi)徑測量裝置的設(shè)計亮點

3.1 深口內(nèi)徑測量裝置

(1)利用夾持機構(gòu)使得工件一側(cè)內(nèi)壁沿口成為定位基礎(chǔ)，結(jié)合回轉(zhuǎn)臂和定位機構(gòu)尋找工件內(nèi)徑方向的最大距離，繼而在對回轉(zhuǎn)臂進行鎖定的基礎(chǔ)上完成測量，測量精度較高。(2)測量范圍依回轉(zhuǎn)臂的長度而定，具有較好的適應(yīng)性。(3)定位銷不僅僅是回轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動基礎(chǔ)，也是與工件內(nèi)壁縱向貼合的定位基礎(chǔ)，可以確保夾持機構(gòu)的姿態(tài)滿足測量精度的要求。(4)利用氣漲圈作為鎖定機構(gòu)，可以在完成回轉(zhuǎn)臂的定位操作后，以盡量小的擾動實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)臂的鎖定，進一步確保測量結(jié)果準確。(5)利用百分尺完成對回轉(zhuǎn)臂的定位，可以確?；剞D(zhuǎn)臂處于管件的直徑上。

3.2 淺口內(nèi)徑測量裝置

為了減輕該測量裝置的重量，實現(xiàn)其便于搬運和使用的目的，該裝置進行了多處結(jié)構(gòu)優(yōu)化。(1)首先在上基座上進行了掏孔，靠近定位銷一端掏去了一個矩形孔以減少材料的使用和減輕重量。(2)上基座中部仿照橋梁的結(jié)構(gòu)進行了鏤空設(shè)計，在保證強度滿足要求的前提下大大減輕了整體的重量。(3)同時，下基座也將中部不影響測量的部分進行了減材處理，并使用了前后連接座連接的形式，盡可能地減小了該測量裝置的整體重量，使其便于使用與搬運。

結(jié)語

本文基于深淺不一的大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸測量問題，介紹了兩種內(nèi)徑測量裝置，這兩種內(nèi)徑測量裝置采用光柵尺作為測量尺，針對深淺不一的大孔徑工件分別設(shè)計了不同的機械機構(gòu)，能夠分別對深口和淺口的大孔徑工件的內(nèi)徑尺寸進行有效的測量。為生產(chǎn)過程中工件的尺寸測量提供了支持，保證了工件的安裝質(zhì)量，顯著提高了生產(chǎn)的效率，具有一定的社會與經(jīng)濟效益。