CN110345897B - 一种阶梯孔精度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阶梯孔精度测量装置，属于机电一体化测试技术领域，包括旋转轴，转动设置于阶梯孔内且与阶梯孔共轴；测量组件，设有至少两个且垂直于旋转轴，包括测量块、测距单元、弹性件和测量头，测量块一端连接于旋转轴且在旋转轴的轴向上的位置可调，测多个量块具有测量平面，弹性件位于测量平面和测距单元之间且处于压缩状态，测距单元被配置为实时测量其与测量平面之间的距离，测量头一端抵接于测距单元，另一端抵接于对应的孔的内壁。本发明提供的一种阶梯孔精度测量装置，通过对每个孔的不同测量区域的轮廓进行测量，得到每个孔的多个轮廓的表面轨迹图，对表面轨迹图拟合得到每个孔的孔径、圆度、圆柱度及各个孔的同轴度。

Description

一种阶梯孔精度测量装置
技术领域
本发明涉及机电一体化测试技术领域，尤其涉及一种阶梯孔精度测量装置。
背景技术
在旋转机械领域，轴承孔的精度不仅是保证传动轴、齿轮副精确安装和正常运转的必要条件，而且对齿轮及轴承的运转寿命、传动效率及振动噪声都有着至关重要的影响。
在很多场合，比如轴承对的安装、驱动桥主齿轴承座结构等都需要将两个轴承安装在同一双孔轴承座的轴线上，此时要保证传动系统的正常运行，不单单是单个轴承孔的精度达到要求就满足需求的，需要两个轴承孔的精度以及相对位置精度均满足要求才能实现。在实际工况中，影响双孔轴承座的轴承座孔的精度主要有两个方面：一是每个轴承座孔因加工制造带来的孔径、圆度、圆柱度误差因素；二是两个轴承座孔的同轴度等位置误差因素。因此，如何同时测量两个轴承座孔的精度以及两者的相对位置精度是一个必须考虑的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阶梯孔精度测量装置，实现同时测量阶梯孔中每个孔的精度以及各个孔的相对位置精度。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种阶梯孔精度测量装置，包括：
旋转轴，能够转动地设置于所述阶梯孔内且与所述阶梯孔共轴；
测量组件，设置有至少两个，所述测量组件垂直于所述旋转轴，包括测量块、测距单元、弹性件和测量头，所述测量块一端连接于所述旋转轴且在所述旋转轴的轴线方向上的位置可调，所述测量块上具有一测量平面，所述弹性件位于所述测量平面和所述测距单元之间且处于压缩状态，所述测距单元被配置为实时测量其与所述测量平面之间的距离，所述测量头一端抵接于所述测距单元，另一端抵接于对应的轴承座孔的内壁。
进一步地，所述阶梯孔精度测量装置还包括支撑座，所述支撑座设置于所述阶梯孔内，所述支撑座上设置有精密轴承，所述精密轴承与所述阶梯孔共轴，所述旋转轴穿设于所述精密轴承的中心孔内。
进一步地，还包括定位螺母，所述定位螺母设置于所述精密轴承上，所述定位螺母套设于所述旋转轴上，所述旋转轴上设置有与所述定位螺母的内螺纹相配合的外螺纹，所述定位螺母被配置为调整所述测量块在所述旋转轴轴线方向上的位置。
进一步地，所述阶梯孔精度测量装置还包括压板，所述阶梯孔内设置有环形凸台，所述支撑座和所述压板分别位于所述凸台的两侧，且所述压板和所述支撑座通过紧固件固定连接。
进一步地，所述环形凸台沿其周向设置有第一锥面，所述支撑座沿其周向设置有与第一锥面相配合的第二锥面。
进一步地，所述阶梯孔精度测量装置还包括温度检测器，所述温度检测器设置于所述阶梯孔的外周上，被配置为检测所述阶梯孔的温度。
进一步地，所述测量块上沿所述旋转轴的轴线方向开设有通槽，所述测量块远离所述旋转轴的一端开设有连通所述通槽的穿设孔，所述通槽的其中一内壁面为所述测量平面，所述弹性件位于所述测量平面和所述测距单元之间，所述测量头穿设于所述穿设孔内。
进一步地，所述测量组件还包括固定套，所述测距单元设置于所述固定套内，所述弹性件位于所述测量平面和所述固定套之间。
进一步地，所述测量块上开设有通孔，且开设有连通所述通孔的第一紧固孔，所述旋转轴穿设于所述通孔内，且所述旋转轴上开设有第二紧固孔，锁紧件穿过所述第一紧固孔并插入所述第二紧固孔内实现所述测量块的锁紧。
进一步地，还包括驱动件和联轴器，所述驱动件的输出端连接所述联轴器，所述联轴器连接于所述旋转轴。
本发明的有益效果为：
本发明提出的阶梯孔精度测量装置，通过测量块和弹性件对每个测量组件的长度进行标定，使得每个测量组件的长度等于对应孔半径的标称值，测量头与孔的内壁接触，将孔的径向尺寸的变化转化为测距单元与测量平面之间的距离，并且测量组件在旋转轴轴线方向上的位置可调，从而实现对每个孔的不同测量区域的轮廓进行测量，得到每个孔的多个测量区域的表面轨迹图，通过表面轨迹图能够准确定位阶梯孔的缺陷的位置，并通过对表面轨迹图拟合得到阶梯孔的每个孔的孔径、圆度、圆柱度及各个孔的同轴度。
附图说明
图1是本发明提供的阶梯孔精度测量装置的结构示意图；
图2是本发明提供的测量组件的结构示意图。
图中：
1、控制器；2、驱动件；3、联轴器；4、旋转轴；5、测量组件；51、测量块；511、通孔；512、第一紧固孔；52、测距单元；53、固定套；531、紧固螺钉；54、弹性件；55、测量头；61、支撑座；62、精密轴承；63、压板；64、紧固件；65、定位螺母；66、锁紧件；7、温度检测器；8、双孔轴承座；81、阶梯面；82、凸台；801、第一孔；802、第二孔。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本实施例提供了一种阶梯孔精度测量装置，主要用于测量双孔轴承座8上的阶梯轴承座孔的精度，具体为孔径、圆度、圆柱度、同轴度等参数。当然在其他实施例中，也可以测量单孔轴承座上的轴承座孔的精度，还可以测量其他阶梯孔的精度。本实施例以双孔轴承座8为例，双孔轴承座8上具有阶梯孔，为了便于理解，阶梯孔包括相连通的第一孔801和第二孔802，其中第二孔802的直径大于第一孔801的直径，第二孔802和第一孔801之间具有阶梯面81，当然在其他实施例中，阶梯孔还可以包括三个或三个以上共轴的孔。
如图1和图2所示，该阶梯孔精度测量装置包括旋转轴4和测量组件5，旋转轴4能够转动地设置于阶梯轴承孔内，且旋转轴4与阶梯轴承孔共轴，测量组件5设置于旋转轴4上，能够随旋转轴4同步转动。
在本实施例中，旋转轴4竖直设置，阶梯轴承孔的轴线方向即为竖直方向。可选地，本实施例提供的阶梯孔精度测量装置还包括驱动件2和联轴器3，驱动件2的输出端连接联轴器3，联轴器3连接于旋转轴4，通过驱动件2来带动旋转轴4转动，优选地，在本实施例中，驱动件2为步进电机，步进电机的步长角度、转动频率根据实际需要进行设置，比如步长角度为1°，转动频率为0.01Hz。步进电机和联轴器3均为现有技术中的常见结构，在此不再详细赘述。
为了保证旋转轴4能够始终保持与阶梯孔共轴且稳定的转动，该阶梯孔精度测量还包括支撑座61，支撑座61设置于阶梯孔内，支撑座61的中间位置开设有安装通槽，安装通槽内设置有精密轴承62，精密轴承62的外周面与安装通槽的内壁面过盈配合，旋转轴4穿设于精密轴承62的中心孔内。精密轴承62的中心孔的轴线与阶梯孔的轴线重合，旋转轴4的轴线与中心孔的轴线重合，从而使得旋转轴4始终与阶梯孔共轴，并且通过精密轴承62使得旋转轴4能够稳定转动，避免旋转轴4发生移位。
在本实施例中，为了实现支撑座61的固定，第一孔801和第二孔802之间具有环形凸台82。在旋转轴4的轴线方向上，凸台82的其中一个侧面与第一孔801和第二孔802之间的阶梯面81共面。该阶梯孔精度测量装置还包括压板63，支撑座61和压板63分别位于环形凸台82在旋转轴4轴线方向上的两侧，并且支撑座61和压板63通过紧固件64固定连接。优选地，在本实施例中，紧固件64为紧固螺栓。通过设置压板63，并通过紧固件64将压板63和支撑座61固定在环形凸台82上，能够避免支撑座61在旋转轴4转动过程中产生振动，保证旋转轴4能够稳定的转动，使得旋转轴4始终与阶梯孔保持共轴。此外，环形凸台82沿其周向设置有第一锥面，第一锥面通过在环形凸台上设置倒角形成。支撑座61沿其周向设置有与第一锥面相配合的第二锥面。在将支撑座61设置于环形凸台上时，通过第一锥面和第二锥面能够实现支撑座61的自动定心，使得支撑座61上的精密轴承62与阶梯孔共轴。
当然在其他实施例中，若阶梯孔内没有环形凸台82，则支撑座61可靠自身的重力搭接在阶梯面81上，此时为了避免支撑座61振动，支撑座61可选用密度较大的材料制成，以增加自身重力，或者设置增重结构来增加支撑座61的重量，增重结构可以为能够套设在安装通槽的外部的环形结构。
为了便于对测量块51在旋转轴4轴线方向上的位置进行调整，本实施例提供的阶梯孔精度测量装置还包括定位螺母65，定位螺母65设置于精密轴承62上，定位螺母65套设于旋转轴4上，旋转轴4与定位螺母65相配合的部位设置有与定位螺母65的内螺纹相配合的外螺纹，通过旋拧定位螺母65来调节测量块在旋转轴4的轴线方向(竖直方向)上的位置，从而使得两个测量组件5能够分别测量第一孔801和第二孔802在各自轴向上不同测量区域(与测量头55抵接的环形区域)的精度，比如第一孔801和第二孔802在各自的轴线方向上，内壁面划分为五个环形区域，通过定位螺母65能够调整两个测量组件5的位置，从而使得两个测量组件5分别能够测量第一孔801和第二孔802的五个环形区域的精度。具体而言，旋拧定位螺母65使得旋转轴4穿过精密轴承62的长度改变，进而使得旋转轴4上的测量块51的位置发生改变(向上或向下移动)。
如图1和图2所示，测量组件5垂直于旋转轴4，在本实施例中，测量组件5设置有两个，两个测量组件5分别位于精密轴承62的两侧，分别用于测量第一孔801和第二孔802的精度，当然在其他实施例中，当阶梯孔包括三个或三个以上的孔时，测量组件5可对应地设置有三个或三个以上。
两个测量组件5的结构相同，以测量第二孔802的测量组件5为例进行说明。测量组件5包括测量块51、测距单元52、弹性件54和测量头55，测量块51一端连接于旋转轴4且在旋转轴4的轴线方向上的位置可调，测量块51上具有一测量平面。测量头55一端抵接于测距单元52，另一端抵接于第二孔802的内壁。弹性件54位于测量平面和测距单元52之间且处于压缩状态，通过弹性件54能够对测量头55施加一预紧力，使得测量头55能够始终与第二轴承孔802的内壁接触，同时又不影响测量头55移动。在本实施例中，弹性件54优选为弹簧，测距单元52能够实时测量其自身与测量平面之间的距离，测距单元52可以为位置传感器、电涡流位移传感器等，在此不做具体限制，若测距单元52为位置传感器，则位置传感器优选为非接触式，热稳定好，测量精度为1μm。
具体而言，测量块51沿旋转轴4的轴线方向开设有通槽，测量块51远离旋转轴4的一端开设有穿设孔，弹性件54和测距单元52设置于通槽内，在本实施例中，通槽的横截面为四边形，其靠近旋转轴4的一侧面为测量平面，弹性件54位于测量平面和测距单元52之间，测量头55穿设于穿设孔内。测量组件5还包括固定套53，固定套53设置于通槽内，测距单元52设置于固定套53内，并通过紧固螺钉531进行固定，测距单元52远离测量头55的一端(探头端面)穿出固定套53，弹性件54位于测量平面和固定套53之间。
测量块51上沿旋转轴4的轴线方向还开设有通孔511，且开设有连通通孔511的第一紧固孔512，第一紧固孔512的轴线垂直于旋转轴4的轴线。旋转轴4穿设于通孔511内，且旋转轴4开设有沿其轴线方向分布的多个第二紧固孔，第二紧固孔的轴线同样垂直于旋转轴4的轴线，锁紧件66穿过第一紧固孔512并插入对应的第二紧固孔内实现测量块51的锁紧，并且能够在旋转轴4的轴线方向上调整测量组件5的位置，具体而言，在本实施例中，相邻两个第二紧固孔之间的间距为10mm。此外，在本实施例中，锁紧件66为锁紧螺钉，此时第一紧固孔512和第二紧固孔均为与锁紧螺钉相配合的螺纹孔。通过第一紧固孔512和第二紧固孔，能够实现在旋转轴4的轴线方向上调整两个测量块51之间的距离，从而根据第一孔801和第二孔802的轴向长度调整两个测量块51之间的距离。
本实施例提供的阶梯孔精度测量装置还包括温度检测器7和控制器1，步进电机、测距单元52和温度检测器均连接于控制器1，温度检测器7设置于阶梯孔的外周上。通过设置温度检测器7，能够通过该阶梯孔测量装置测量不同温度下阶梯孔的热变形。为了保证在不同温度下的测量结果的准确性，在本实施例中，支撑座61、旋转轴4、测量块51、固定套53、测量头55都采用低热膨胀钢材料制成。保证该阶梯孔精度测量装置的热稳定性。此外，在本实施例中，控制器1可以是集中式或分布式的控制器1，比如，控制器1可以是一个单独的单片机，也可以是分布的多块单片机构成，单片机中可以运行控制程序，进而控制步进电机、温度检测器7和测距单元52实现其功能，并对温度检测器7和测距单元52的测量数据进行记录和存储。
以下将对该阶梯孔精度测量装置的工作过程进行详细的说明。
第一步：根据第一孔801和第二孔802孔径的标称值来选取两个测量组件5的测量块51，比如在本实施例中，第一孔801孔径的标称值为150mm，第二孔802孔径的标称值为170mm，第一孔801和第二孔802的轴向中心安装距离(阶梯孔的轴线方向上，第一孔801的中心和第二孔802的中心之间的距离)为50mm，此对应第一孔801的测量块51能够测量的圆孔的孔径为140mm-160mm，具体选择为150mm；对应第二孔802的测量块51能够测量的圆孔的孔径为160mm-180mm，具体选择为170mm。
第二步：将测距单元52、固定套53、弹性件54和测量头55安装在测量块51的通槽内，并且通过弹性件54对测量头55施加一预紧力，使得测量头55能够与对应的孔的内壁始终保持接触，但是又不影响测量头55的移动。随后分别选用170mm和150mm的标准块对两个测量组件5进行标定，并对两个测距单元52的测量数据进行采集，标记为零点。
第三步：将两个测量组件5均安装于旋转轴4上，且通过第一紧固孔512、第二紧固孔和锁紧件66调整每个测量组件5的位置，使得两个测量组件5在旋转轴4的轴线方向的距离为50mm。
第四步：将该阶梯孔精度测量装置固定在双孔轴承座8上，调节定位螺母65使得两个测量组件5的测量头55分别抵接于第一孔801和第二孔802内的第一测量区域，记录此时两个测量头55的位置。
第五步：随后通过控制器1同时控制步进电机和数据采集组件工作，步进电机带动旋转轴4转动，从而带动两个测量组件5分别对第一孔801和第二孔802进行测量，步进电机正转，步长角度为1°，转动频率为0.01Hz，步进电机转动360°，控制器1实时记录两个测距单元52的测量数据。
第六步：通过定位螺母65调整旋转轴4穿过精密轴承62的长度，使得两个测量组件5均下降5mm，分别对第一孔801和第二孔802的第二测量区域进行测量。
第七步：重复第六步，直至完成第五测量区域的测量。
第八步：最后通过控制器1记录的数据得出第一孔801的五个测量区域的表面轨迹图以及第二孔802的五个测量区域的表面轨迹图，并且进行拟合得出第一孔801和第二孔802各自的孔径、圆度、圆柱度以及两者的同轴度等参数。
当需要测量在不同温度下阶梯孔的热变形时，可改变阶梯孔所处的环境温度，并通过温度检测器7进行温度的准确测量，并且在不同温度下重复上述第六步至第八步，最终通过数据采集单元1记录的数据综合分析得到阶梯孔的热变形。
综上，本实施例提供的阶梯孔精度测量装置，通过测量块51和弹性件54对每个测量组件5的长度进行标定，使得每个测量组件的长度等于对应孔半径的标称值，测量头55与孔的内壁接触，在随旋转轴4转动的过程中，将孔的径向尺寸的变化转化为测距单元52与测量平面之间的距离的变化，并且通过测距单元52实时测量，并且测量组件5在旋转轴4轴线方向上的位置可调，进而能够实现测量组件5对其对应的孔的不同测量区域的轮廓进行测量，得到每个孔的多个测量区域的表面轨迹图，通过表面轨迹图能够准确定位阶梯孔的缺陷的位置，并通过对表面轨迹图拟合得到阶梯孔的每个孔的孔径、圆度、圆柱度及各个孔的同轴度。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种阶梯孔精度测量装置，其特征在于，包括：
旋转轴(4)，能够转动地设置于所述阶梯孔内且与所述阶梯孔共轴；
测量组件(5)，设置有至少两个，所述测量组件(5)垂直于所述旋转轴(4)，包括测量块(51)、测距单元(52)、弹性件(54)和测量头(55)，所述测量块(51)一端连接于所述旋转轴(4)且在所述旋转轴(4)的轴线方向上的位置可调，所述测量块(51)上具有一测量平面，所述弹性件(54)位于所述测量平面和所述测距单元(52)之间且处于压缩状态，所述测距单元(52)被配置为实时测量其与所述测量平面之间的距离，所述测量头(55)一端抵接于所述测距单元(52)，另一端抵接于对应的孔的内壁；
支撑座(61)，所述支撑座(61)设置于所述阶梯孔内，所述支撑座(61)上设置有精密轴承(62)，所述精密轴承(62)与所述阶梯孔共轴，所述旋转轴(4)穿设于所述精密轴承(62)的中心孔内；
定位螺母(65)，所述定位螺母(65)设置于所述精密轴承(62)上，所述定位螺母(65)套设于所述旋转轴(4)上，所述旋转轴(4)上设置有与所述定位螺母(65)的内螺纹相配合的外螺纹，所述定位螺母(65)被配置为调整所述测量块(51)在所述旋转轴(4)轴线方向上的位置。
2.根据权利要求1所述的阶梯孔精度测量装置，其特征在于，所述阶梯孔精度测量装置还包括压板(63)，所述阶梯孔内设置有环形凸台(82)，所述支撑座(61)和所述压板(63)分别位于所述凸台(82)的两侧，且所述压板(63)和所述支撑座(61)通过紧固件(64)固定连接。
3.根据权利要求2所述的阶梯孔精度测量装置，其特征在于，所述环形凸台(82)沿其周向设置有第一锥面，所述支撑座(61)沿其周向设置有与第一锥面相配合的第二锥面。
4.根据权利要求1所述的阶梯孔精度测量装置，其特征在于，所述阶梯孔精度测量装置还包括温度检测器(7)，所述温度检测器(7)设置于所述阶梯孔的外周上，被配置为检测所述阶梯孔的温度。
5.根据权利要求1所述的阶梯孔精度测量装置，其特征在于，所述测量块(51)上沿所述旋转轴(4)的轴线方向开设有通槽，所述测量块(51)远离所述旋转轴(4)的一端开设有连通所述通槽的穿设孔，所述通槽的其中一内壁面为所述测量平面，所述弹性件(54)位于所述测量平面和所述测距单元(52)之间，所述测量头(55)穿设于所述穿设孔内。
6.根据权利要求5所述的阶梯孔精度测量装置，其特征在于，所述测量组件(5)还包括固定套(53)，所述测距单元(52)设置于所述固定套(53)内，所述弹性件(54)位于所述测量平面和所述固定套(53)之间。
7.根据权利要求1所述的阶梯孔精度测量装置，其特征在于，所述测量块(51)上开设有通孔(511)，且开设有连通所述通孔(511)的第一紧固孔(512)，所述旋转轴(4)穿设于所述通孔(511)内，且所述旋转轴(4)上开设有第二紧固孔，锁紧件(66)穿过所述第一紧固孔(512)并插入所述第二紧固孔内实现所述测量块(51)的锁紧。
8.根据权利要求1所述的阶梯孔精度测量装置，其特征在于，还包括驱动件(2)和联轴器(3)，所述驱动件(2)的输出端连接所述联轴器(3)，所述联轴器(3)连接于所述旋转轴(4)。
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