CN1068114C - 孔轴混合零部件的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种孔轴混合零部件的测量装置及方法。用于测量摩托车曲柄的轴径、孔径、中心距。装置由专用夹具、传感器和单片机组成，夹具又由支座，夹具体、铰链摇杆机构构成。将被测件放入夹具内，使其微动，即可自动达到三个特殊位置，单片机通过安装在夹具上的三个传感器获取运动参数，按给出的数学模型进行数据分析处理，获得所测尺寸。该测量装置及方法精度高、速度快、标定简单、工作可靠，且可在多个技术领域中应用。

Description

孔轴混合零部件的测量装置及方法

本发明是一种摩托车曲柄的轴径、孔径、中心距的测量装置与方法。

该类零件有孔、轴和测量基准面，孔的轴线和轴的轴线平行。孔和轴的外圆可以是分离的，如图6、图7示；或少量相割的，如图8、图9示，相割两圆弧中任一圆弧的最大弧度小于π/4，测量基准面与孔和轴的轴线垂直，测量基准面为精加工面，且相对于孔和轴的垂直度精度较高。现有的单独测量轴径和单独测量孔径的方法均很多，但测量孔轴之间的中心距的方法却很少，且很困难，特别是在测量孔轴相割的零部件的中心距时，更是困难重重。即便是有些仪器能检测出中心距，但一般使用的方法都很繁琐，精度不高，且只局限于在实验室里检测。如日本MITUTOYO MFG，有限公司的市销产品三坐标测量机是由传感器探头、变送器、光栅、A/D转换器、计算机等部分组成，该测量机可用于测量上述零件的轴径、孔径、中心距，但只能分别对轴径、孔径、中心距进行测量，测量速度缓慢，特别是三坐标测量机使用的环境要求苛刻，不宜在工厂等较为恶劣的环境中使用。又如登载在《电动工具》1992年4期上的《轴与孔中心距的精密测量》一文中提出了一种借助于杠杆千分表与万能工具显微镜测量中心距的方法，其测量步骤为：1、用常规工具测量轴径、孔径；2、确定中心位置；3、寻找测量位置；4、在圆柱面和孔壁上测量5个点，依次等精度各测5次，得出纵、横读数值；5、把读数值代入计算公式，即可计算出中心距。由此可看出，其操作步骤复杂，不易掌握，测量周期长，且由于使用常规测量工具检测轴径、孔径，测量精度不高。

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足之处，设计了一种孔轴混合零部件的测量装置及方法，可同时测出轴径、孔径、中心距，操作步骤简单，速度快，精度高，工作可靠。

为实现本发明的目的，其技术方案是：在位移传感器探头、变送器、A/D转换器、单片机等部分组成的孔轴混合零部件的测量装置的基础上，设计了专用的夹具。该夹具包括支座，固定在支座上的夹具体，装在被测孔和该孔所对的夹具体孔内且与夹具体孔为过盈配合的芯柱，装在支座外侧中上部其摇杆通过被测件的中心线上方、摇杆中部安装的小顶尖尖端与被测件中心的盲孔接触的铰链摇杆机构，支座的中部有一通孔，夹具体中部有一比被测件轴径的略大通孔，该通孔为具有两段相互平行的垂直于摇杆的直线段，两直线段间的距离略大于被测件的轴径，在两直线段范围内垂直于两直线段且与摇杆所在的夹具体中心线重合的位置加工有两个与夹具体中部通孔相通且安装有传感器探头的同轴的通孔，且芯柱到两孔的轴线的距离为被测件的轴孔中心距的基本尺寸，在芯柱中心所在的与两通孔中心线垂直的夹具体的中心线上有一与夹具体中部孔连通的、安装有传感器探头的通孔。对于被测件孔轴分离的情况，芯柱为完整的阶梯圆柱，图4给出了这种形状，对于被测件孔轴相割的情况，芯柱为的阶梯圆柱，其圆柱的部分实体被削去，以便被测件能够顺利安装在夹具上，图5给出了这种形状。

本发明的测量方法分为检测方法与标定方法。其电气测量图如图11所示。

检测的步骤顺序为：1、将被测件放入夹具体内；2、操纵铰链摇杆机构，带动被测件运动；3、监测被测件的位置，判断是否已达到三个特殊位置；4、如已到达三个特殊位置一次以上，按给出的数学模型算出轴径、孔径、中心距；5、显示打印结果。如图15所示。

被测件放入夹具体内的方法是将被测件的轴放入夹具体中部的通孔中，将被测件的孔套在芯柱上，使被测件的测量基准面与夹具体的定位面紧密贴合。

操纵铰链摇杆机构，使安装在摇杆上的顶尖放入被测件的中心盲孔内，微向下压摇杆，并在水平面内来回转动，带动被测件运动，由于受夹具体中部通孔的两直边的限制，其运动方向为芯柱孔所在夹具体的中心线方向，在运动过程中，使被测件分别到达三个特殊位置一次以上，这三个特殊位置分别是：被测件的轴心在摇杆所在夹具体的中心线上的位置，如图12所示，被测件的轴靠近芯柱一侧的极限位置，如图13所示，被测件的轴远离芯柱一侧的极限位置，如图14所示。

在被测件放入夹具内之后，本装置自动进入测量状态。单片机通过A/D转换器，分别获取摇杆方向的两个传感器探头和垂直于摇杆方向的传感器探头经变送器输出的电压值V₀₁、V₀₂、V₀₃，并进行平滑滤波处理，得到处理后的电压值V₁、V₂、V₃；根据V₁、V₂、V₃判断被测件是否达到三个特殊位置。

在被测件到达这三个位置至少各一次后，获取在这三个特殊位置上变送器的输出值，然后按以下推导的公式计算轴径、孔径、中心距。

设：垂直于摇杆方向的传感器探头到芯柱轴心的初始距离为L₁，摇杆方向的两个位移传感器探头之间的初始距离为L₂，芯柱的直径为D_dabber，被测件的轴径为D_ahaft，被测件的孔径为D_hole，被测件的中心距为D_centre，摇杆方向的两个传感器探头和垂直于摇杆方向的传感器探头的灵敏度系数分别为a₁、a₂、a₃，其量纲是mm/mv。

当被测件的轴心在摇杆所在夹具体的中心线上时，如图12所示，(a₁V₁+a₂V₂)为放入被测件后的极小值，用(a₁V₁+a₂V₂)_min表示，则：

D_ahaft=L₂-(a₁V₁+a₂V₂)_min                          (1)

当被测件运动到靠近芯柱一侧的极限位置时，垂直于摇杆方向的传感器探头输出值为放入零件后的极大电压值V_3max，如图13所示，则：

D_centre=L₁-a₃V_3max-1/2D_shaft+1/2(D_hole-D_dabber)    (2)

当被测件运动到远离芯柱一侧的极限位置时，垂直于摇杆方向的传感器探头输出值为放入零件后的极小值电压V_3mia，如图14所示，则：

D_centre=L₁-a₃V_3min-1/2D_shaft-1/2(D_hole-D_dabber)    (3)将(1)、(2)、(3)式组成方程组，解之，并令：

A=L₂；

B=D_dabber；

C=L₁-1/2L₂；其中：A表示摇杆方向的两个位移传感器探头之间的初始距离；

B表示芯柱的直径；

C表示垂直于摇杆方向的传感器探头到芯柱轴心的初始距离与摇杆方向的两个传感器探头之间的初始距离一半的差；可得：

D_shaft=A-(a₁V₁+a₂V₂)_min                            (4)

D_hole=B+a₃(V_3max-V_3min)                                (5)

D_centre=C+1/2(a₁V₁+a₂V₂)_min-1/2a₃(V_3max+V_3min)    (6)(4)、(5)、(6)式中：A、B、C、a₁、a₂、a₃在标定时确定；

其标定方法为：

当该装置工作在标定状态下时，将两个尺寸已知且轴径、孔径、中心距三个参数的数值均相差较远的标准零件相继放入夹具体内进行测量，测量的原理同前。当单片机系统显示的测量值与标准零件的已知值不符时，通过装置面板上的键将之修改为已知值，存入单片机系统中保存。摇杆方向的两个传感器的一致性很好，在不影响测量精度的前提下，可以认为a₁=a₂。根据(4)、(5)、(6)式与在标定过程中测出的两个标准零件在三个特殊位置上的传感器输出的电压值，可得到：

U=T^-1W                             (7)

(7)式中，U=[A,B,C,a₁,a₃]^T

W=[D_sshaft1,D_shole1,D_scentre1,D_sshaft2,D_shole2,D_scentre2]^T其中：A,B,C,a₁,a₃的含义同前述；

D_sshaft1,D_shole1,D_scentre1分别为第一个标准零件的轴径、孔径、中心距的已知值；

D_sshaft2,D_shole2,D_scentre2分别为第二个标准零件的轴径、孔径、中心距的已知值；

(V_s11+V_s12)_min与(V_s21+V_s22)_min分别为第一与第二个标准零件在运动过程中(V₁+V₂)的极小值。

V_s13max、V_s13min分别为测量第一个标准零件时V₃的极大值、极小值；

V_s23max、V_s23min分别为测量第二个标准零件时V₃的极大值、极小值。

(7)式的计算机软件实施流程图如图16所示。

本发明可适用于冲压模具的上下模零部件、内燃机曲柄、机床工装夹具中的轴孔混合零部件、行星齿轮减速器支架的轴径、孔径、中心距的检测；可在多个技术领域中得到应用。本发明的优点在于：

1．精度高，测量精度可达2μm，重复精度可达1μm；

2．操作方法简单，测量速度高，特别是在测量孔轴相割的零部件时，简便快捷；

3．可同时测量三个参数，可分组，可自动打印；

4．标定方法简单、快捷，不需专门的标定仪器，可在现场直接标定；

5．本装置可在车间等较恶劣的环境中使用；

图1为该装置夹具装配图的主视图。

图2为该装置夹具装配图的俯视图。

图3为该装置夹具装配图的左视图。

图4为当被测零件的孔轴不相割时测量芯柱的形状。

图5为当被测零件的孔轴相割时测量芯柱的形状。

图6为被测零件的孔轴不相割时的主视图。

图7为被测零件的孔轴不相割时的俯视图。

图8为被测零件的孔轴相割时的主视图。

图9为被测零件的孔轴相割时的俯视图。

图10为夹具体的俯视剖面图。

图11为测量系统电气连接示意图。

图12、图13、图14为零件运动过程中所到的三个特殊位置示意图。

图15为测量系统软件流程总框图。

图16为标定程序系数计算框图。

图1、图2、图3中，1-支座，2-夹具体，3-芯柱，4-小顶尖，5-被测零件，6-传感器探头，7-传感器探头，8-传感器探头，9-摇杆，10-螺栓，11-圆套，12-短销，13-小支架，14-转轴，15-短销。

图12、图13、图14中，O1-芯轴的轴心，O2-特殊形状孔的中心，O3、O3′、O3″-被测零件的孔心，O4、O4′、O4″-被测零件的轴心。

实施例：

本发明的应用实施例是用于摩托车曲柄的孔径、轴径和中心距的测量，被测零件5的基本尺寸及公差为：孔径φ23.025±0.010，轴径φ20.000±0.010，中心距24.750±0.010，外形轮廓大圆直径为φ94，端面圆盘部分厚度为20，轴长80，中心顶尖孔的直径为φ6，由此设计的夹具结构如下：支座1的上表面为正方形，边长为160，中部通孔为方孔，边长为80，且有四个支脚。夹具体2为正方形，边长为100，下部四角有螺纹盲孔，夹具体2安装在支座1的上表面中部，在支座1上对应于夹具体2的四个螺纹盲孔的位置加工有四个通孔，夹具体2用螺钉经此四个通孔紧固在支座1上。夹具体2的对称中心加工有通孔，该孔是由两段平行且对称的直边和两个半圆光滑连接而成的封闭孔，用于测量时容纳被测零件的轴，两直边的边长为1，两直边间的距离为20.030，两半圆的直径为φ20.030，如图10所示。在该孔的两直边的对称线上距该孔24.750处，加工有直径为φ16的圆孔，大端直径为φ22.980的芯柱3以过盈配合安装在该圆孔中。在两短直边的平行对称线和垂直对称线上，加工有三个直径为φ6的传感器探头安装孔。在三个安装孔中安装有传感器探头6、传感器探头7、传感器探头8。在支座1的外侧两短直边的垂直对称线上，以螺钉紧固安装有小支架13，小支架13上竖直方向加工有直径为φ10的圆孔，转轴14下端以间隙配合安装在圆孔中，转轴14的下端用直径为φ6的短销12以过盈配合将圆套11紧固在转轴上，圆套11用于防止转轴14从小支架13中脱出。转轴14的上端开有槽，在垂直于槽的方向加工有直径为φ6的圆孔，摇杆9安装在槽中，摇杆9的头部加工有直径为φ6的圆孔，直径为φ6的短销15将摇杆9和转轴14联接起来，短销15与转轴14为较大的过盈配合，短销15与摇杆9为较大的间隙配合，摇杆9可以短销15为中心在竖直平面内转动，摇杆9上加工有直径为φ8的圆孔，小顶尖4用M8的螺母10紧固安装在该圆孔中，顶尖4的顶尖部分直径为φ8，当摇杆水平时，顶尖轴线到转轴14轴线的距离为110。传感器6、传感器7、传感器8均为差动变压器式位移传感器，传感器探头位置调整合适后，用环氧树脂封固。单片机用MCS-51单片机。

将摩托车曲柄放入测量夹具中，操纵摇杆，将小顶尖放入被测零件的中心盲孔内，微向下压，并在水平面内来回转动，使零件到达三个特殊位置，按本发明给出的计算方法计算轴径、孔径、中心距。图15为测量系统的软件程序框图。表1例出某两个零件的基本尺寸与测量值的比较情况。

表1

Claims (5)

1、一种孔轴混合零部件的测量装置，包括传感器探头、变送器、A/D转换器、单片机、打印机，其特征在于该测量装置的专用夹具包括支座，固定在支座上部的夹具体，装在被测孔和该孔所对的夹具体孔内且与夹具孔为过盈配合的芯柱，在支座外侧的中上部装有一个其摇杆通过被测件中心线上方、摇杆中部上的小顶尖尖端与被测件中心的盲孔接触的铰链摇杆机构，支座的中部有一通孔，夹具体中部有一比被测件轴径略大的通孔，在摇杆所在的夹具体的中心线上，各有一个安装位移传感器探头的通孔，两孔均与夹具体的中部孔连通，且两孔的中心线到芯柱的距离为被测件轴孔中心距的基本尺寸，在与两通孔中心线垂直，且芯柱孔中心所对的夹具体的中心线上有一与夹具体中部孔连通，安装有一位移传感器探头的通孔。

2、根据权利要求1所述的孔轴混合零部件的测量装置，其特征在于夹具体中部的通孔为两段相互平行的线段的两端各与一段圆弧连接构成的环形通孔，对于被测件孔轴分离的情况，芯柱为完整的阶梯圆柱，对于被测件孔轴相割的情况，芯轴为削去了部分实体的阶梯圆柱。

3、根据权利要求1所述的孔轴混合零部件的测量装置，其特征在于铰链摇杆机构包括固定在支座侧面上的小支架，一端穿过小支架的孔，其端部装有短销，短销上套有圆套，其另一端与摇杆一端通过短销铰链连接的转轴，在被测件中心盲孔所对的摇杆上装有螺母的小顶尖。

4、一种实施权利要求1所述测量装置的检测方法，其特征在于检测步骤为：

(1)将被测件放入夹具中；

(2)操纵铰链摇杆机构，带动被测件运动，使被测件分别达到该件轴心在摇杆所在夹具体的中心位置、该件轴靠近芯柱一侧的极限位置和该件轴远离芯柱一侧的极限位置这三个特殊位置一次以上；

(3)监测被测件的位置，判断是否已达到三个特殊位置；

(4)获取这三个特殊位置上变送器的输出值，按以下数学模型算出轴径、孔径、中心距：

D_shaft=A-(a₁V₁+a₂V₂)_min                               (1)

D_hole=B+a₃(V_3max-V_3min)                                   (2)

D_centre=C+1/2(a₁V₁+a₂V₂)_min-1/2a₃(V_3max-V_3min)       (3)在(1)式中：

D_shaft-被测件的轴径，

A-摇杆方向的两个位移传感器探头之间的初始距离，

a₁-摇杆方向的两个位移传感器探头中的一个传感器的灵敏度系数，其量纲是mm/mv，

V₁-灵敏度系数为a₁的传感器的输出电压值，

a₂-摇杆方向的两个位移传感器探头中的一个传感器的灵敏度系数，其量纲是mm/mv，

V₂-灵敏度系数为a₂的传感器的输出电压值，

(a₁V₁+a₂V₂)_min-(a₁V₁+a₂V₂)的极小值；在(2)式中：

D_hole-被测件的孔径，

B-芯轴的直径，

a₃-垂直于摇杆方向的传感器探头的灵敏度系数，其量纲是mm/mv，

V_3max-放入被测件后灵敏度系数为a₃的传感器的输出电压值的极大值，

V_3min-放入被测件后灵敏度系数为a₃的传感器的输出电压值的极小值；在(3)式中：

 D_centre-被测件的孔轴中心距，

 C-垂直于摇杆方向的传感器探头到芯轴的初始距离与摇杆

方向的两个传感器探头之间的初始距离一半的差，其他字母所代表的物理意义同(1)、(2)式；(5)显示打印计算结果。

5、一种实施权利要求1所述测量装置的标定方法，其特征在于标定步骤为：

(1)当该装置在标定状态时，将两个尺寸已知的且轴径、孔径、中心距三个参数的数值均相差较远的标准零件相继放入夹具内进行测量；

(2)当单片机系统显示的测量值与标准零件的已知值不符时，修改显示值，使之等于已知值，并存入单片机中；

(3)根据D_shaft=A-(a₁V₁+a₂V₂)_min，D_shole=B+a₃(V_3max-V_3min)，D_centre=C+1/2(a₁V₁+a₂V₂)_min-1/2a₃(V_3max-V_3min)和在标定测出的两个标准零件在三个特殊位置上的传感器输出的电压值，得到：

U=T-1W                                        (4)在(4)式中：

U=[A、B、C、a₁、a₃]^T                      (5)

在(5)式中：

A、B、C、a₁、a₃的物理意义同权利要求4中A、B、C、a₁、a₃的物理意义，

在(6)式中：

V_s11-放入第一个标准件后灵敏度系数为a₁的传感器的输出电压值，

V_s12-放入第一个标准件后灵敏度系数为a₂的传感器的输出电压值，

V_s21-放入第二个标准件后灵敏度系数为a₁的传感器的输出电压值，

V_s22-放入第二个标准件后灵敏度系数为a₂的传感器的输出电压值，

(V_s11+V_s12)_min-第一个标准件在运动过程中(V₁+V₂)的极小值，

(V_s21+V_s22)_min-第二个标准件在运动过程中(V₁+V₂)的极小值，

V_s13max-放入第一个标准件后灵敏度系数为a₃的传感器的输出电压值的极大值，

V_13min-放入第一个标准件后灵敏度系数为a₃的传感器的输出电压值的极小值，

V_s23max-放入第二个标准件后灵敏度系数为a₃的传感器的输出电压值的极大值，

V_s23min-放入第二个标准件后灵敏度系数为a₃的传感器的输出电压值的极小值，

在(7)式中：

D_sshaft1-第一个标准零件轴径已知值，

D_shole1-第一个标准零件孔径已知值，

D_scentre1-第一个标准零件中心距已知值，

D_sshaft2-第二个标准零件轴径已知值，

D_shole2-第二个标准零件孔径已知值，

D_scentre2-第二个标准零件中心距已知值。

Images