一种新型轴类零件检测仪设计

２０１４年１月　机床与液压　Ｊａｎ．２０１４　第４２卷第２期　ＭＡＣＨＩＮＥ　Ｔ００Ｌ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　ＶｏＩ．４２　Ｎｏ．２　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１４．０２．０４１　一种新型轴类零件检测仪设计　钟国坚，丰飞　（闽西职业技术学院机械工程系，福建龙岩３６４０２１）　摘要：结合典型零件，分析现有零件检测方法的局限性，并根据零件特点，采用机、光、电结合的方案，采用两顶尖　装夹的方式对工件进行定位，在　向、　向和绕ｚ轴旋转的方向分别采用不同的光栅传感器进行检测，并采用高精度的数　据采集卡进行数据采集，选用ＵＳＢ接口实现Ｐｃ机与数据采集设备之间的通信。以Ｗｉｎｄｏｗｓ系统为平台，以ＬａｂＶＩＥＷ图形　化编程语言为工具进行软件部分的设计，采用最小二乘法对采集的数据进行处理，并自动判别零件是否合格。可实现轴类　零件高效、自动化的检测，满足一般机械加工车间的检测需求。　关键词：轴类零件；检测仪　中图分类号：ＴＧ８０６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１—３８８１（２０１４）２—１１９—２　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ａ　Ｎｅｗ　Ｔｙｐｅ　ｏｆ　Ｓｈａｆｔ　Ｐａｒｔｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ＺＨＯＮＧ　Ｇｕｏｊｉａｎ，ＦＥＮＧ　Ｆｅｉ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｎｘｉ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，　Ｌｏｎｇｙａｎ　Ｆｕｊｉａｎ　３６４０２　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐａｒｔｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｒｔ，ｍｅ—　ｃｈａｎｉｃａｌ，ｏｐｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｔｏｐ　ｃｌａｍｐｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ．Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｄａｔａ　ｉｎ　Ｘ／Ｚ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ａｒｏｕｎｄ　Ｚ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃａｒｄ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔＯ　ａｃｑｕｉｒｅ　ｄａｔａ，ＵＳＢ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＰＣ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔａｋｉｎｇ　Ｗｉｎ—　ｄｏｗｓ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｓ　ａ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ａｎｄ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｌａｎｇｕａｇｅ　ａｓ　ａ　ｔｏｏｌ，ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐａｒｔ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅｓ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｐａｒｔ　ｅｌｉｇｉｂｉｌｉｔｙ　ｗａｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ａｕｔｏｍａｔｅｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｓｈａｆｔ　ｐａｒｔｓ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｓｈｏｐ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｘｌｅ　ｐａｒｔｓ；Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　。　随着形位公差国家标准的贯彻与实施，机械零件　的精度检测技术显得尤为重要，而轴类零件检测又是　其中的一大难题。众所周知，轴类零件在机械传动方　面地位显著，其精度直接关系到传动的精度和效率。　伟大的化学家、计量学家门德列耶夫所说过，“科学　是从测量开始的，没有测量就没有科学，至少没有精　确的科学，真正的科学”…。精确的尺寸要求精细的　检查技术来保证，新一代的检测仪器必须集机械控　制、数据采集、数据处理为一体　。结合具体零件，　提出一种新型轴类零件检测仪的设计方案。　图１被测零件　１被测零件分析　２现有的检测方法　被测零件的形状、尺寸精度要求及形位公差要求　对于此类零件，现有的检测方法主要是：　如图１所示，零件为同心轴类零件，直径一般小于　加工时，调头装夹前，用百分表找正，保证同轴　１５０　ｈｉｍ，长度一般小于４００　１Ｔｕｎ，尺寸检测的项目主　度；加工结束后，将零件从机床卸下，用两个Ｖ型　要有直径、长度、锥度和圆弧，公差一般为７～８级，　块进行定位：　大于０．０２　ｍｍ；形位误差检测项目主要有圆度、圆柱　（１）使用千分尺测量各处直径（　轴方向）；　度、同轴度、径向跳动等，公差一般也大于０．０２　（２）使用深度游标尺检测各种长度（ｚ轴方　向）；　收稿日期：２０１２—１２—１７　作者简介：钟国坚（１９８２一），男，讲师，主要从事机械教学与研究工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｇｊ１４２５ｓａｎ＠１６３．ｃｏｒｎ。　・１２０・　机床与液压　第４２卷　（３）使用螺纹环规检测螺纹。　这种检测方法是人工逐项检测，检测结果需人工　逐项记录，并汇总统计方可得到综合检测结果，劳动　强度大，检测效率低，人为误判、误记的可能性大；　受传动检测仪精度的，检测精度低，而且有些项　目如零件的圆度、圆柱度、同轴度、圆跳动等无法检　测。　左侧尾座进行改进：将尾座中心孔镗大，并进行磨削　加工，使其误差控制在０．００１　ｍｍ以内；在孔内安装　两个精密轴承，保证安装误差在０．００１　５　ｍｍ以内；　再将顶尖装入轴承内，通过电机带动，可实现顶尖的　旋转；采用端面固定传动顶尖，其刀口可以紧密贴合　在工件的左端面上，形成良好的抓合力，就可带动工　件随顶尖一起旋转。在顶尖的左端面安装圆编码盘，　实现圆周分度，每相隔一定的角度发出一个信号，进　３新型检测仪设计方案　３．１　新型检测仪的技术要求　（１）检测仪的检测精度达０．００５　ｍｍ，系统构件　的分辨率达０．００１　ｍｍ；　（２）具有多参数综合检测功能，能进行各类尺　寸的检测，满足一般机械加工车间的检测需求；　（３）能对零件各参数的检测结果进行数字化显　示，并自动显示该参数是否合格；　（４）具有良好的稳定性和较高的可靠性，操作　简单，软件界面友好，易于扩展；　（５）成本低，具有良好的经济效益。　３．２新型检测仪的结构设计　检测仪的总体结构如图２所示。　Ｉ　２　４　５　６　７　９　１０　１ｌ　１２　ｌ３　ｌ４　ｌ５　ｌ６　ｌ７　１一主轴驱动电机卜编码器３一待测零件４一探测头卜　向　导轨６一活动顶尖７－　向导轨８一固定尾座９一顶尖１ｏ＿－ｘ向　光栅尺ｌｌ一重力装置１卜活动尾座１卜　向光栅尺１４一滚珠　丝杠副１ｓ一联轴器ｌ６＿－ｚ向驱动电机１７一计算机　图２检测仪结构图　３．３检测过程分析　检测仪采用机、电、光结合的方案，采用机械技　术完成仪器的总体结构设计并实现直线和旋转运动，　采用光学技术实现ｚ向、　向距离及绕ｚ轴旋转角度　的检测，采用电子技术完成仪器的控制和数据采集，　采用虚拟仪器技术结合计算机进行数据的分析和处　理，并以友好的界面显示检测结果…。　３．３．１检测定位装置　工件采用两顶尖定位，安装时必须保证两顶尖的　中心点在同一水平线上，在最大滑动范围内，保证其　误差小于０．００１　５　ｍｍ。左侧尾座固定，右侧尾座可　沿导轨滑动，这样可以实现不同长度零件的定位。　３．３．２工件的旋转及圆周分度控制　工件检测时需要进行旋转，为实现这一功能，对　行一次　向数据采集。按照测量的封闭性原则，对　每一轴段都进行整个圆周的分度采集，以减小采集误　差。　３．３．３　ｚ轴方向运动控制及光栅尺安装　沿ｚ轴方向平行布置两根精密导轨，安装时保　证在最大行程范围内两导轨的平行度误差小于　０．００１　５　ｍｍ。导轨中间安装滚珠丝杠副，并与导轨滑　块相连，通过电机带动滚珠丝杠，从而带动导轨滑块　左右移动。根据测量的阿贝原则，在靠近探测头中心　正下方的位置安装一把与导轨平行的光栅尺，并使其　标尺与导轨滑块相连，则可以测出探测头ｚ方向的　移动距离，实现ｚ向检测。　３．３．４　方向运动控制及光栅尺安装　在ｚ向精密导轨的上方垂直布置两根　向的精　密导轨，安装时首先要保证在最大行程范围内两导轨　的平行度误差小于０．００１　５　ｍｍ，其次要保证上下两　对导轨的垂直度误差小于０．００１　５　ｍｍ。导轨滑块上　方安装探测头，使探测头中心与两顶尖中心连线等　高，两者安装的高度误差应小于０．００１　５　ｍｍ。根据　阿贝原则，在两根导轨的中间安装一把光栅尺，使其　标尺与导轨滑块相连，可测出　向的移动距离，实　现　向检测。检测时，在　方向必须使探测头与工　件母线接触，可设计一组定滑轮，悬挂重物，带动探　测头紧密贴在工件的表面上。由于重力的大小是恒定　的，可保证检测时探测头与工件的接触力基本保持恒　定，提高检测精度　。　检测时，零件以两顶尖进行定位后，　方向使用　重力装置，使探测头以恒定的接触力贴在工件的母线　上，ｚ方向使用滚珠丝杠副带动探测头做轴向移动，　每相隔一定的距离探测头停止ｚ向移动，工件旋转　一周，采用ＳＤＣ－５数据采集卡每相隔一定的角度进行　一次　向的数据采集，这样可采集到　向（半径　Ｒ）、圆周方向（角度０）和ｚ向（距离ｚ）３个数据　Ｐ　（Ｒ　０¨ｚ　）　（其中　表示角度分度，ｉ＝１，２，　３，…，／１，；　表示ｚ向检测位置数，．『＝１，２，３，…，　Ⅳ），将采集的数据传输到计算机中，用虚拟仪器　ＬａｂＶＩＥＷ进行数据分析处理即可得到检测结果，并　以友好的界面显示　。　（下转第１０５页）