CN106441133A - 一种轴孔配合间隙测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学测微仪的轴孔配合间隙测量装置及其测量方法，实现了轴和孔在装配过程中的实时测量。装置具体为：一号基座、二号基座和三轴位移台顺次安装在实验底板上；轴套套在待测轴上，轴套通过待测轴安装支座固定安装在二号基座，使得待测轴平行于实验底板，待测轴一端朝向一号基座伸出、另一端朝向三轴位移台伸出。力传感器通过传感器安装组件安装在一号基座上，并在传感器安装组件的控制下做上下直线运动，待测轴朝向一号基座伸出部分位于力传感器的直线运动路径下方。光学测微仪安装在三轴位移台上，通过三轴位移台的调整，使得待测轴朝向三轴位移台伸出部分位于光学测微仪的测量区域中。

Description

一种轴孔配合间隙测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于精密机械测量技术领域，具体涉及一种轴孔配合间隙测量装置及其测量方法。

背景技术

当前在我国航空航天、兵器、民用领域常用的惯性陀螺、精密钟表机构等精密机械系统中存在大量微米级间隙零件的装配。目前根据数量级、精度和具体问题的不同有不同的装配间隙测量方法，常用的方法例如电容、涡流、超声波、X射线、激光、机器视觉等等。通常装配体零件间的装配间隙，测量精度要求在100μm以内，利用机器视觉测量技术，通过光学测量系统对采集的图像进行分析处理，便基本能够满足间隙测量的精度要求。而对于微米级小间隙(10um及以下)由于传感器和精度的限制，现有的测量方法很少，测量困难。并且对于不同的条件，间隙的测量需具体问题具体分析，测量方法也各不相同。所以，微米级小间隙在生产过程中的测量难度极大。

传统的光学测量方法智能测量轴和孔表面的配合间隙，由于轴和孔表面形貌的存在，在进行测量时，一旦发生位置的变化，光便无法透过间隙，这使得测量仅限于固定装配位置，但是在轴和孔的装配过程中，位置是不断变化，因此现有的光学测量方法无法在装配时进行实时测量，测量不方便，无法满足生产效率的要求。同时当前市场上仪器大多昂贵，测量成本大大提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于光学测微仪的轴孔配合间隙测量装置及其测量方法，实现了轴和孔在装配过程中的实时测量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种轴孔配合间隙的测量装置，其特征在于，包括一号基座、二号基座、三轴位移台、实验底板、光学测微仪、传感器安装组件、力传感器、待测轴安装支座、待测轴以及轴套；

一号基座、二号基座和三轴位移台顺次安装在实验底板上；

轴套套在所述待测轴上，轴套通过所述待测轴安装支座固定安装在所述二号基座，使得待测轴平行于所述实验底板，待测轴一端朝向一号基座伸出、另一端朝向三轴位移台伸出，其中朝向三轴位移台伸出部分长于朝向一号基座伸出部分。

力传感器通过传感器安装组件安装在所述一号基座上，并在传感器安装组件的控制下做上下直线运动，待测轴朝向一号基座伸出部分位于力传感器的直线运动路径下方。

光学测微仪安装在所述三轴位移台上，通过所述三轴位移台的调整，使得待测轴朝向三轴位移台伸出部分位于所述光学测微仪的测量区域中。

进一步地，传感器安装组件包括传感器安装板、单轴位移台、L型转接板以及缓冲橡胶。

单轴位移台通过所述L型转接板固定在所述一号基座上，使得所述单轴位移台的移动方向为上下移动。

传感器安装板为L型平板，其中L型一边固定于单轴位移台上，另一边设有传感器安装孔，其中设有传感器安装孔的一边朝下。

力传感器通过所述传感器安装孔安装于所述传感器安装版下方。

缓冲橡胶固定于所述力传感器下方。

进一步地，包括如下步骤：

步骤1、对力传感器及光学测微仪进行标定；

步骤2、建立三轴位移台的空间坐标系oxyz，其中沿所述待测轴从三轴位移台指向二号基座为x轴正方向；调整所述三轴位移台使得所述光学测微仪朝x轴负方向运动，此时光学测微仪示数变化，当光学测微仪示数无变化时，停止远离；

步骤3、调整所述三轴位移台使得所述光学测微仪朝x轴正方向运动，当光学测微仪的示数从无到有时，记录此时三轴位移台x向示数；

步骤4、调节三轴位移台沿x轴正方向进给距离d；记录此时光学测微仪示数h，测量此时待测轴左端面距轴套右端面的距离D；其中x轴正方向为右向；

步骤5、调节单轴位移台使力传感器带着缓冲橡胶对待测轴的右端施加压力；待测轴受到压力的作用后产生俯仰运动，此时光学测微仪测量待测轴产生俯仰运动后的竖直方向上位移△h；当光学测微仪示数无变化时，单轴位移台停止下移，记录此时光学测微仪示数H；则△h＝H-h。

步骤6、光学测微仪光幕打到轴上的位置距轴套右侧的距离为△d＝D-d-L。

步骤7、计算轴孔间隙σ：

其中L为轴套厚度；

步骤8、重复步骤1～7设定次数，取计算的间隙值的平均值作为间隙值最终结果。

有益效果：

1、本发明测量装置结构简单，操作简便，通过调节单轴位移台对所测轴施加压力，轴产生俯仰运动后由光学测微仪测量其在竖直方向上的位移，最后根据所得到的各个测量值由简单的几何关系得到轴孔配合后的间隙计算值。针对一些粗糙度和垂直度较好的内孔能通过该方法很简单地测量出孔与轴配合后的间隙大小。在本装置的测量过程中，光学测微仪的位置，以及轴套相对轴的位置都是可以实时改变的，这种改变不会对最终的测量准确性产生影响，因此本装置能够实现对轴和轴套间装配间隙的实时测量。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为本发明测量方法的原理图。

在图中：1传感器安装板、2单轴位移台、3L型转接板、4力传感器、5缓冲橡胶、6导向轴支座、7一号基座、8二号基座、9实验底板、10三轴位移台、11光学测微仪、12轴、13轴套。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，一种轴孔配合间隙的测量装置，包括传感器安装板1、单轴位移台2、L型转接板3、力传感器4、缓冲橡胶5、导向轴支座6、一号基座7、二号基座8、实验底板9、三轴位移台10、光学测微仪11以及轴12和轴套13。

传感器安装板1设置在单轴位移台上，为一块L型转接平板，其L型凸起部分底部有传感器安装孔，安装力传感器4。

单轴位移台2通过L型转接板3与一号基座7固定连接，实现传感器在一个自由度上的移动，通过缓冲橡胶5对轴12提供一个稳定的竖直向下的力。

力传感器4安装在传感器安装板1上，监测出单轴位移台2对轴12施加的竖直向下的力。

缓冲橡胶5固定在传感器下方，为一个长方体橡胶块，起到对单轴位移台2施力过程中的缓冲作用，避免由于整套装置刚性过大造成的施力过程中实验装置及轴12的扭曲变形，影响测量精度。

一号基座7与二号基座8分别固定在实验底板9的中间部分和右侧部分。两个基座需要有一定的刚性，避免因测量施力过程造成较大变形影响测量精度。

导向轴支座6固定在一号基座7上，对轴套13安装卡紧。

轴套13由导向轴支座6卡紧，卡紧时不可用过大的卡紧力造成轴套的变形影响测量精度。

轴12装配在轴套13中，朝光学测微仪的伸出部分稍大于受力部分。

三轴位移台10固定在实验底板9的左侧，其上表面安装光学测微仪11，对光学测微仪11进行三个自由度的调整运动。

光学测微仪11安装在三轴位移台10上，通过三轴位移台10的调整，使轴12的位置在光学测微仪11的测量区域中。

如图1所示，使用该装置前，先对力传感器4及光学测微仪11进行标定，确保力传感器4及光学测微仪11进行测量时示数准确，安装好实验装置。测量前，可先将装配好的轴12和轴套13放入导向轴支座6中卡紧，通过导向轴支座6上的两个调整螺栓调节卡紧后的轴12与实验底板9的平行度。同时调节三轴位移台10的Y向和Z向旋钮，使光学测微仪11在X轴方向运动时轴13处于光学测微仪11的测量区域内。测量前需进行一个预测量，即轴12处于光学测微仪11的测量区域内，光学测微仪11朝X轴负方向运动一定距离时，光学测微仪11示数无明显变化，则开始测量。

实施例：

选用一组轴12和轴套13。轴12的设计尺寸为直径10mm,长度为100mm,材料为高碳铬轴承钢。轴套13与轴12配做，内孔与轴12配合时单边间隙不超过0.01mm。轴套13设计宽度为12mm，材料为铜。

①用游标卡尺测量出轴套13的厚度L。将轴12装配进轴套13中，并由导向轴支座6卡紧。

②调节三轴位移台10及单轴位移台2回到初始位置。

③光学测微仪11打开，三轴位移台10沿x方向进给。当光学测微仪11有示数时，记录此时三轴位移台x向旋钮示数。

④此时再调节三轴位移台10沿x方向进给一定距离d，d通过位移台两次移动的距离相减得出。记录此时光学测微仪11示数h,并用游标卡尺记录此时轴12左端面距轴套13右端面的距离D。

⑤调节单轴位移台2旋钮使其下移，单轴位移台2上力传感器4带着缓冲橡胶5逐渐对轴12的右端施加压力。轴12受到压力的作用后产生俯仰运动，此时光学测微仪11对轴产生俯仰运动后的竖直方向上位移△h进行测量。当光学测微仪11示数停止产生变化时，单轴位移台2下移停止。记录此时光学测微仪11示数H。

⑥光学测微仪11光幕打到轴上的位置距轴套13右侧的距离△d

△d＝D-d-L

所测轴12产生俯仰运动后在竖直方向上的位移△h

△h＝H-h

⑦根据几何位置关系有轴孔间隙σ

式中L轴套厚度，由游标卡尺测出；H和h为两次光学测微仪11的示数；D为轴12左端面距轴套13右端面的距离，由游标卡尺测出；d由两次三轴位移台10的X向旋钮两次示数相减得出。

⑧该组实验通过三轴位移台X方向进给不同距离d_i及将轴12调换装配方向重复进行6次测量得到6个不同的间隙值σ_i,i＝1～6,则有

本发明通过调节单轴位移台2对所测轴12施加压力，轴12产生俯仰运动后由光学测微仪11测量其在竖直方向上的位移，最后根据所得到的各个测量值通过构造相似三角形的几何关系得到轴孔配合后的间隙计算值，间接对间隙进行测量。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轴孔配合间隙的测量装置，其特征在于，包括一号基座(7)、二号基座(8)、三轴位移台(10)、实验底板(9)、光学测微仪(11)、传感器安装组件、力传感器(4)、待测轴安装支座(6)、待测轴(12)以及轴套(13)；

所述一号基座(7)、二号基座(8)和三轴位移台(10)顺次安装在实验底板(9)上；

所述轴套(13)套在所述待测轴(12)上，轴套(13)通过所述待测轴安装支座(6)固定安装在所述二号基座(8)，使得待测轴(12)平行于所述实验底板(9)，待测轴(12)一端朝向一号基座(7)伸出、另一端朝向三轴位移台(10)伸出，其中朝向三轴位移台(10)伸出部分长于朝向一号基座(7)伸出部分；

所述力传感器(4)通过传感器安装组件安装在所述一号基座(7)上，并在传感器安装组件的控制下做上下直线运动，待测轴(12)朝向一号基座(7)伸出部分位于力传感器(4)的直线运动路径下方；

所述光学测微仪(11)安装在所述三轴位移台(10)上，通过所述三轴位移台(10)的调整，使得待测轴(12)朝向三轴位移台(10)伸出部分位于所述光学测微仪(11)的测量区域中。

2.如权利要求1所述的一种轴孔配合间隙的测量装置，其特征在于，所述传感器安装组件包括传感器安装板(1)、单轴位移台(2)、L型转接板(3)以及缓冲橡胶(5)

所述单轴位移台(2)通过所述L型转接板(3)固定在所述一号基座(7)上，使得所述单轴位移台(2)的移动方向为上下移动；

所述传感器安装板(1)为L型平板，其中L型一边固定于单轴位移台(2)上，另一边设有传感器安装孔，其中设有传感器安装孔的一边朝下；

所述力传感器(4)通过所述传感器安装孔安装于所述传感器安装版(1)下方；

所述缓冲橡胶(5)固定于所述力传感器(4)下方。

3.如权利要求2所述的一种轴孔配合间隙的测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对力传感器(4)及光学测微仪(11)进行标定；

步骤2、建立所述三轴位移台(10)的空间坐标系oxyz，其中沿所述待测轴(12)从三轴位移台(10)指向二号基座(8)为x轴正方向；调整所述三轴位移台(10)使得所述光学测微仪(11)朝x轴负方向运动，此时光学测微仪(11)示数变化，当光学测微仪(11)示数无变化时，停止远离；

步骤3、调整所述三轴位移台(10)使得所述光学测微仪(11)朝x轴正方向运动，当光学测微仪(11)的示数从无到有时，记录此时三轴位移台x向示数；

步骤4、调节三轴位移台(10)沿x轴正方向进给距离d；记录此时光学测微仪(11)示数h，测量此时待测轴(12)左端面距轴套(13)右端面的距离D；其中x轴正方向为右向；

步骤5、调节单轴位移台(2)使力传感器(4)带着缓冲橡胶(5)对待测轴(12)的右端施加压力；待测轴(12)受到压力的作用后产生俯仰运动，此时光学测微仪(11)测量待测轴(12)产生俯仰运动后的竖直方向上位移△h；当光学测微仪(11)示数无变化时，单轴位移台(2)停止下移，记录此时光学测微仪(11)示数H；则△h＝H-h；

步骤6、光学测微仪(11)光幕打到轴上的位置距轴套(13)右侧的距离为△d＝D-d-L；

步骤7、计算轴孔间隙σ：

$\mathrm{\σ}=L\frac{H-h}{D-d-L}$

其中L为轴套厚度；

步骤8、重复步骤1～7设定次数，取计算的间隙值的平均值作为间隙值最终结果。