CN110645946B - 便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪及其测量方法，其构成主要包括：圆柱筒结构的仪器壳体、对称可径向滑动地安装在仪器壳体上的第一测量组件和第二测量组件、安装在仪器壳体内可轴向滑动的楔形块、安装在仪器壳体底端用于测量楔形块前端位移变化的位移传感器、与仪器壳体固定连接的操纵手柄、推动楔形块轴线滑动的推杆和设置在操纵手柄上的显示屏；测量方法：根据被测件的螺纹中径设计一圆柱孔测量标准件，利用测量仪分别测量出于标准件和待测件下楔形块前端与位移传感器之间的距离，根据两次距离差和楔形块的楔角计算得到测量组件径向位移差，进而计算得到待测件的实际中径。本发明具有结构紧凑，操作方便，测量效率高等优点。

Description

便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及内螺纹中径测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种大直径深孔内螺纹中径在位测量仪及其测量方法。

技术背景

螺纹中径是表征内螺纹是否合格的一个重要指标。对于常规尺寸内螺纹，通常采用国标规定的通端螺纹塞规和止端螺纹塞规测量判断内螺纹中径是否合格。由于直径超过Φ100mm的螺纹塞规加工工艺复杂，导致制造成本极高，因此，现有技术很少用螺纹塞规来测量直径超过Φ100mm的内螺纹中径。对于此类大尺寸内螺纹中径的测量，目前主要有两种测量方法，一种为三球测量法，另一种为组合量具测量法。

采用三球测量法测量大直径内螺纹中径，是将三个带磁性的测量钢球放置于同一螺纹槽内，借助万能工具显微镜测量出三个测量钢球的球心坐标，进而计算出待测内螺纹的中径。利用该方法可以解决很多测量问题，但是存在安装测量过程过于复杂，不能进行在位、在线测量。

采用组合量具测量法测量大直径内螺纹中径，所述组合量具主要由测杆、球形测头、固定套管和千分表组成，根据待测内螺纹的设计参数，选择对应的测杆和球形测头，把测杆装在固定套管上，再将球形测头装在仪器左右两侧。利用组合量块进行校准置零，将仪器手动放入螺纹孔，使其两端测头置于螺纹槽中，读取千分表示值，计算螺纹中径。该方法结构简单，但不适用于深孔内螺纹中径在位测量。

为了提高大直径深孔内螺纹中径的检测效率，尽快开发出操作简单，结构紧凑，适用于大尺寸深孔内螺纹中径测量的检测仪，实现对大尺寸深孔内螺纹中径在位、在线测量，是所述领域的科技工作者共同面临的重要课题。

发明内容

针对大尺寸深孔内螺纹中径测量技术的现状与不足，本发明的第一个目的是提供一种便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪；本发明的第二个目的是提供一种在位测量大尺寸深孔内螺纹中径方法，以提高大尺寸深孔内螺纹中径的检测效率。

针对本发明的第一个目的，本发明提供的便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪，其构成主要包括：圆柱筒结构的仪器壳体、对称可径向滑动地安装在仪器壳体上的第一测量组件和第二测量组件、安装在仪器壳体内可轴向滑动的楔形块、安装在仪器壳体底端用于测量楔形块前端位移变化的位移传感器、与仪器壳体固定连接的操纵手柄、推动楔形块轴线滑动的推杆和设置在操纵手柄上的显示屏；第一测量组件包括外端设有两个枝杈杆的第一测杆、设置在两个枝杈杆外端分别与被测件两个相邻螺纹槽匹配的第一测头和第二测头、设置在第一测杆内端与楔形块楔面构成高副连接的触头和第一复位弹簧，第二测量组件包括第二测杆、设置在第二测杆外端与被测件螺纹槽匹配的第三测头、设置在第二测杆内端与所述楔形块构成高副连接的触头和第二复位弹簧；所述第三测头在轴线方向的位置位于所述第一测头和第二测头之间，且第三测头与第一测头相差1/2螺距，第一测头与第二测头相差1螺距；所述位移传感器通过信号采集处理电路与显示屏连接。

为了更好地实现发明目的，本发明可在上述技术方案的基础上进一步采取以下技术措施，下述各项技术措施可单独实施，也可组合实施，甚至一并实施。

所述第一测头、第二测头和第三测头为结构相同的测头，均为钢珠测头，钢珠的直径与被测螺纹中径螺距相匹配；所述钢珠优先选用0级钢珠作为测头，以消除测头形状误差对测量结果的影响。

安装在测杆内端与所述楔形块楔面构成高副连接的所述触头，优先选用滚动轴承，利用滚动轴承实现高副接触来减小对测量结果的影响。

所述楔形块为两侧面为楔面、上下面和前后端面为平面的偏平楔形块；楔形块的长度满足位移传感器量程和测头量程需要；楔形块的楔角α优选150-200；所述楔形块其上下面设计有与导轨座构成导轨滑动副导向结构，通过固定设置在仪器壳体内的导轨座可轴向滑动地安装在仪器壳体内。

与仪器壳体固定连接的操纵手柄优先采用中空管结构手柄；所述推杆优先采取从所述中空管结构手柄中穿过作用于楔形块，推杆前端设计有球头，与楔形块大端面的作用为球头点接触。

用于读取楔形块前端与位移传感器之间的距离的显示屏优先采用LCD显示屏。

第一测量组件中的第一复位弹簧和第二测量组件的第二复位弹簧，分别套置在其对应的测杆外，一端作用于测杆，另一端作用于设置在仪器壳体上的弹簧座。

针对本发明的第二个目的，在位测量大直径深孔内螺纹中径的方法，以本发明提供的所述测量仪为测量工具，包括以下测量步骤:

(1)根据被测件的螺纹中径设计一圆柱孔测量标准件，标准件的内径d_标准件按下述公式确定：

d_标准件＝d_{待测螺纹中径}+2△＝d_{待测螺纹中径}+2r_钢球*(1-sin(Φ/2))，

其中Φ是待测螺纹的牙型角，r_钢球是仪器第一测头，第二测头和第三测头所用钢球的半径；

(2)将所述测量仪置于测量标准件内，推动推杆驱使楔形块向前移动，楔形块两侧楔面挤压第一测头、第二测头和第三测头沿仪器壳体径向移动，使其抵紧测量标准件内壁面，由位移传感器、信号采集处理电路和显示屏测出楔形块前端与位移传感器之间的距离，记为S0；

(3)将所述测量仪置于待测件螺纹孔内，操控操纵手柄和推杆，使第一测量组件的第一测头和第二测头及第二测量组件的第三测头进入被测件相应的螺纹槽内，推动推杆驱使楔形块向前移动，楔形块两侧的楔面挤压第一测头、第二测头和第三测头沿仪器壳体径向移动，使其抵紧被测件螺纹槽，转动操纵手柄(10)使三个测头沿待测件螺纹槽旋转2-3圈，由位移传感器、信号采集处理电路和显示屏测出楔形块前端与位移传感器之间的距离，记为S1；

(4)根据楔形块的楔角α和步骤(2)和步骤(3)测得的楔形块前端与位移传感器之间的距离之差△S＝S1－S0，计算出步骤(2)和步骤(3)两次测量在径向方向的径向差△r＝△S×sinα；α为楔形块的楔角；

(5)由步骤(4)得到的径向差△r和标准件的内径d_标准件得到被测件的螺纹中径d_中＝d_标准件+2△r。

在上述测量中，当S1大于S0，△S为正值，相应地△r也为正值，及螺纹孔的实际中径大于螺纹孔的理论中径，及d_中大于d_标准件，若△r在规定的范围，即待测件的螺纹是满足要求的，是合格的，否则是不合格的。当S1小于S0，△S为负值，相应地△r也为负值，及螺纹孔的实际中径小于螺纹孔的理论中径，及d_中小于d_标准件，若△r在规定的范围，即待测件的螺纹是满足要求的，是合格的，否则是不合格的。

在上述测量方法，其中钢球半径r，螺纹中径和牙型角Φ可以通过查机械手册获得。

在上述测量方法中，所述标准件采用光滑圆柱通孔的标准件，采用光滑圆柱通孔标准件可以降低标准件加工成本。标准件的长径比(H/d)控制在1-1.5之间，重量允许的情况下最好是1.5，其目的是避免标定时测头翘曲；壁厚控制在12-15mm，防止变形。在外壁面可加工一些环形槽，以减轻重量。

本发明提供的用于大尺寸深孔内螺纹中径在位测量方法，除了用于普通三角螺纹中径在位测量之外，还可应用于其它内螺纹检测。

本发明提供的便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪，结构紧凑，设计巧妙，操作简单，使用方便，为在位测量大尺寸深孔内螺纹中径提供了一个十分有效的工具。采用本发明所述测量仪和方法测量大直径深孔内螺纹中径，检测效率高，能实现对大尺寸深孔内螺纹中径在位在线测量，解决了长期困扰大直径深孔内螺纹中径测量的问题。

本发明是根据接触式测量原理进行设计的，可降低待测零件中铁削，油脂对测量结果的影响，采用通孔为标准件对仪器进行置零校准，降低了大直径内螺纹标准件的制造成本，结构紧凑，操作方便，可适用于大直径深孔内螺纹中径的在位测量。

附图说明

附图1是本发明所述测量仪的结构示意图；

附图2是测量仪中所述楔形块的结构示意图，其中(a)是楔形块的主视图，(b)是楔形块的左视图，(c)是楔形块的俯视图，(d)是楔形块的轴侧图；

附图3是标准件的结构示意图，其中(a)是标准件的外形图；(b)是视图(a)中标准件A-A向剖视图；

附图4是标准件内孔直径计算示意图。

在上述附图中，各图示标号所标识的对象为：1-待测零件；2-壳体；3-第一测头；4-第二测头；5-导轨；6-传感器；7-螺纹；8-第三测头；9-楔形块；10-操纵手柄；11-推杆；12-LCD显示屏；13-第一复位弹簧；14-第一复位弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好的理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

本发明提供的用于大尺寸深孔内螺纹中径在位检测仪，其结构如附图1、2所示，包括圆柱筒结构的仪器壳体2、对称可径向滑动地安装在仪器壳体上的第一测量组件和第二测量组件、安装在仪器壳体内可轴向滑动的楔形块9、安装在仪器壳体底端用于测量楔形块前端位移变化的位移传感器6、与仪器壳体固定连接的操纵手柄10、推动楔形块轴线滑动的推杆11和设置在操纵手柄上的LCD显示屏12；所述楔形块为两侧面为楔面、上下面和前后端面为平面的偏平楔形块，楔形块的楔角α为17°，其长度满足位移传感器量程和测头量程需要；第一测量组件包括外端设有两个枝杈杆的第一测杆、设置在两个枝杈杆外端分别与被测件两个相邻螺纹槽匹配的第一测头3和第二测头4、设置在第一测杆内端与楔形块楔面构成高副连接的滚动轴承和第一复位弹簧13；第二测量组件包括第二测杆、设置在第二测杆外端与被测件螺纹槽匹配的第三测头8、设置在第二测杆内端与所述楔形块构成高副连接的滚动轴承和第二复位弹簧14；所述第三测头在轴线方向的位置位于所述第一测头和第二测头之间，且第三测头与第一测头相差1/2螺距，第一测头和第二测头相差1螺距；第一复位弹簧和第二复位弹簧，分别套置在其对应的测杆外，一端作用于测杆，另一端作用于设置在仪器壳体上的弹簧座；第一测头第二测头和第三测头均为半径r相同的钢球；与仪器壳体固定连接的操纵手柄为中空管结构的手柄；所述推杆从所述中空管结构手柄中穿过作用于楔形块，推杆前端设计有球头，与楔形块大端面的作用为球头点接触；所述位移传感器通过信号采集处理电路与显示屏连接。

待测件为深孔内螺纹零件，其螺纹公称直径D＝120mm,螺距P＝6mm，螺纹为三角螺纹，牙型角Φ为60°，查机械设计手册知该螺纹的理论中径D2＝116.103mm。仪器测头选用直径为3mm的0级钢球。待测件的实际内螺纹中径直径按以下方式进行测量：

(1)根据被测件的螺纹理论中径设计一圆柱孔测量标准件，标准件的结构如图3所示；参见附图4，标准件的内径根据下述公式确定：

d_标准件＝d_{待测螺纹中径}+2△＝d_{待测螺纹中径}+2r_钢球*(1-sin(Φ/2))，

其中Φ是待测螺纹牙型角，r_钢球是仪器第一测头，第二测头和第三测头所用0级钢球半径；计算出标准件内径d_标准件＝116.103+2*1.5(1-sin30°)＝117.603mm

(2)将所述测量仪置于测量标准件内，推动推杆驱使楔形块向前移动，楔形块两侧楔面挤压第一测头、第二测头和第三测头沿仪器壳体径向移动，使其抵紧测量标准件内壁面，由LCD显示屏读取楔形块前端与位移传感器之间的距离，记为S0＝13.1086mm；

(3)将所述测量仪置于待测件螺纹孔内，操控操纵手柄和推杆，使第一测量组件的第一测头和第二测头及第二测量组件的第三测头进入被测件相应的螺纹槽内，推动推杆驱使楔形块向前移动，楔形块两侧的楔面挤压第一测头、第二测头和第三测头沿仪器壳体径向移动，使其抵紧被测件螺纹槽，转动操纵手柄使三个测头沿待测件螺纹槽旋转2-3圈，确认三个测头已经准确进入待测零件螺纹槽后，由LCD显示屏读取楔形块前端与位移传感器之间的距离，记为S1＝13.1189mm；

(4)根据楔形块的楔角α和步骤(2)和步骤(3)测得的楔形块前端与位移传感器之间的距离之差△S＝S1－S0＝0.0103mm，计算出步骤(2)和步骤(3)两次测量在径向方向的径向差△r＝△S×sin17°＝0.003mm；

(5)由步骤(4)得到的径向差△r和标准件的内径d_标准件得到被测件的螺纹中径d_中＝d_标准件+2△r＝117.603+2*0.003＝117.609mm。

Claims (8)

1.一种便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪，其特征在于：包括圆柱筒结构的仪器壳体(2)、对称可径向滑动地安装在仪器壳体上的第一测量组件和第二测量组件、安装在仪器壳体内可轴向滑动的楔形块(9)、安装在仪器壳体底端用于测量楔形块前端位移变化的位移传感器(6)、与仪器壳体固定连接的操纵手柄(10)、推动楔形块轴线滑动的推杆(11)和设置在操纵手柄上的显示屏(12)；第一测量组件包括外端设有两个枝杈杆的第一测杆、设置在两个枝杈杆外端分别与被测件两个相邻螺纹槽匹配的第一测头(3)和第二测头(4)、设置在第一测杆内端与楔形块楔面构成高副连接的触头和第一复位弹簧(13)，第二测量组件包括第二测杆、设置在第二测杆外端与被测件螺纹槽匹配的第三测头(8)、设置在第二测杆内端与所述楔形块构成高副连接的触头和第二复位弹簧(14)；所述第三测头在轴线方向的位置位于所述第一测头和第二测头之间，且第三测头与第一测头相差1/2螺距，第一测头与第二测头相差1螺距；所述测头为钢珠测头，钢珠的直径与被测螺纹中径、螺距以及牙型角相匹配；所述触头为滚动轴承；所述位移传感器通过信号采集处理电路与显示屏连接。

2.根据权利要求1所述的便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪，其特征在于：所述楔形块为两侧面为楔面、上下前后面为平面的楔形块。

3.根据权利要求2所述的便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪，其特征在于:所述楔形块的楔角α为15°-20°。

4.根据权利要求3所述的便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪，其特征在于:所述楔形块通过固定设置在仪器壳体内的导轨座可轴向滑动地安装在仪器壳体内。

5.根据权利要求1所述的便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪，其特征在于:与仪器壳体固定连接的操纵手柄为中空管结构手柄。

6.根据权利要求5所述的便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪，其特征在于:推杆(11)从所述中空管结构手柄中穿过通过球头端作用于楔形块。

7.根据权利要求1至6之一所述的便携式大直径深孔内螺纹中径在位测量仪，其特征在于:所述显示屏为LCD。

8.根据权利要求1至7之一所述测量仪在位测量大直径深孔内螺纹中径的方法，其特征在于包括以下测量步骤:

(1)根据被测件的螺纹中径设计一圆柱孔测量标准件，标准件的内径d_标准件＝d_{待测螺纹中径}+2△＝d_{待测螺纹中径}+2r_钢球*(1-sin(Φ/2))，其中Φ是待测螺纹牙型角，r_钢球是仪器第一测头，第二测头和第三测头所用钢球半径；

(2)将所述测量仪置于测量标准件内，推动推杆驱使楔形块向前移动，楔形块两侧楔面挤压第一测头、第二测头和第三测头沿仪器壳体径向移动，使其抵紧测量标准件内壁面，由位移传感器、信号采集处理电路和显示屏测出楔形块前端与位移传感器之间的距离，记为S0；

(3)将所述测量仪置于待测件螺纹孔内，操控操纵手柄和推杆，使第一测量组件的第一测头和第二测头及第二测量组件的第三测头进入被测件相应的螺纹槽内，推动推杆驱使楔形块向前移动，楔形块两侧的楔面挤压第一测头、第二测头和第三测头沿仪器壳体径向移动，使其抵紧被测件螺纹槽，转动操纵手柄(10)使三个测头沿待测件螺纹槽旋转至少2圈，由位移传感器、信号采集处理电路和显示屏测出楔形块前端与位移传感器之间的距离，记为S1；

(4)根据楔形块的楔角α和步骤(2)和步骤(3)测得的楔形块前端与位移传感器之间的距离之差△S＝S1－S0，计算出步骤(2)和步骤(3)两次测量在径向方向的径向差△r＝△S×sinα；α为楔形块的楔角；

(5)由步骤(4)得到的径向差△r和标准件的内径d_标准件得到被测件的螺纹中径d_中＝d_标准件+2△r。

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