CN113175902B - 一种用于微小孔径的气动测量装置与方法 - Google Patents

一种用于微小孔径的气动测量装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种用于微小孔径的气动测量装置与方法，将标准工件的微小孔径转换为等效测量间隙，根据不同工况下的测量压力与等效测量间隙的关系式绘制Px‑S计算曲线；测量标准工件的各微小孔，得到不同孔径下的测量压力，通过实验得到Px‑S实验曲线；比较计算曲线和实验曲线，若两条曲线趋势接近，则获取Px‑S实验曲线中的线性段，并计算Px‑S变换倍率，得到线性段的直线表达方程；测量被测工件的微小孔，得到该孔径下的测量压力，根据线性段直线方程计算等效间隙，带入计算被测工件的微小孔的直径。本发明能够得到微小孔全部截面的平均直径，具有精度高、响应快、使用寿命长的优点，还可通过改变节流孔的大小来调整测量范围。

Description

一种用于微小孔径的气动测量装置与方法
技术领域
本发明属于微小孔径气动测量技术领域，特别涉及一种用于微小孔径的气动测量装置与方法。
背景技术
微孔广泛应用于精密制造领域，特别是在医疗设备、航空航天、燃气轮机等高端装备中发挥着重要的作用。微孔这里指是直径在1mm以下的小孔，加工方法通常有电火花加工、激光钻孔和电化学加工等，微小孔的尺寸精度和形位精度影响着装备的使用性能，因此还需要一定的测量装备对微小孔的参数进行检测，以评估其加工质量和使用性能。微孔测量方法一般有光学显微测量、三坐标测量机测量、电子塞规测量、气动测量等方法，但测量微孔时使用接触方法会损伤微孔内表面并大大降低测量精度，因此应当首选非接触、高精度的测量方法。
气动测量具有非接触测量、测量精度高、测量力小、自洁能力强、寿命长等特点，广泛应用于小孔内径测量中。但是，目前国内气动测量只能够测量0.8mm直径的微孔，并且依然采用传统的气动塞规方式。用于微孔测量的气动方法还有小孔流量法，但是流量测量方式相较压力测量方式，响应时间长、精度差，并非为首选的测量方式。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于微小孔径的气动测量装置与方法，采用压力测量方式，能够对直径0.3mm-0.4mm的微孔进行测量，得到被测微孔所有截面的平均直径数据。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于微小孔径的气动测量装置，包括气路部分1、测量部分2以及标准工件，其中所述测量部分2包括气动轴向测头201，气动轴向测头201的末端端面上设置有O型圈202，所述标准工件的上端面为平面，且分布有多个孔径递增的标准微小孔，各微小孔的长度方向与上端面垂直，所述气路部分1连接气动轴向测头201为其提供测量动力，利用气路部分1和测量部分2对标准工件上的标准微小孔进行测量获取不同孔径对应的压力并进行数据拟合，在测量被测工件3的微小孔径时，根据测量的压力结合数据拟合结果获取对应的孔径，所述被测工件3的微小孔径处于所述标准工件微小孔径范围内。
所述气路部分1包括依次连接的气源101、空气过滤装置102、稳压装置103和气电转换装置104，其中所述气源101以空气压缩机为主体，提供压缩空气，所述气电转换装置104包括通气管道、气压传感器和节流孔。
所述标准工件为模具钢板，所述微小孔的深度3-5mm，直径0.28-0.42mm，且带有微小孔部位的钢板底部距离工作台2mm以上。
本发明还提供了具体的微小孔径测量方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将标准工件的微小孔径d′转换为等效测量间隙S，等效测量间隙S为气动轴向测头204假想喷嘴与假想挡板之间的垂直距离；
步骤(2)，根据不同工况下的测量压力Px与等效测量间隙S的关系式绘制Px-S计算曲线；
步骤(3)，测量标准工件的各微小孔，得到不同孔径d′下的测量压力Px，通过实验得到Px-S实验曲线；
步骤(4)，比较步骤(2)的计算曲线和步骤(3)得到的实验曲线，若两条曲线趋势接近，则获取Px-S实验曲线中的线性段，并计算Px-S变换倍率，得到线性段的直线表达方程；
步骤(5)，测量被测工件3的微小孔，得到该孔径下的测量压力Px0，根据线性段直线方程计算等效间隙S0；
步骤(6)，计算被测工件3的微小孔的直径d。
所述步骤(1)中，等效测量间隙公式如下：
Figure BDA0003027231290000031
d′为标准工件的微小孔直径，d0为假想喷嘴直径。
所述步骤(2)中，共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种工况，相应地，对应的测量压力Px为PxⅠ、PxⅡ、PxⅢ、PxⅣ，分别为工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ下的气动轴向测头201测量气室的绝对压力，对应的Px-S计算公式依次如下：
Figure BDA0003027231290000032
Figure BDA0003027231290000033
Figure BDA0003027231290000034
Figure BDA0003027231290000035
式中，P0为绝对大气压力，Pc为气电转换装置104的节流孔前的工作压力(绝对压力)，d1表示气电转换装置104的节流孔直径，κ为定熵指数，c1为流过节流孔时的流量系数，c2为气动轴向测头201喷嘴处的流量系数，
Figure BDA0003027231290000036
根据气路稳压输出的工作压力Pc的数值大小，能够得知等效测量间隙S从0逐渐增大过程中的工况，不同的测量间隙范围内根据工况选择计算公式，并绘制计算曲线。
所述步骤(3)中，以标准工件作为被测对象，利用气动轴向测头201和O型圈202密封测量标准工件的孔径，并通过气电转换装置104获得测量压力Px，利用最小二乘法对数据进行拟合并绘制Px-S实验曲线。
所述步骤(4)中，计算Px-S实验曲线中线性段的直线方程如下式所示：
Px＝aS+b
其中a为Px-S变换倍率，即线性段斜率，b为常数。
所述步骤(5)中，将气电转换装置104读取的测量压力Px0带入所述线性段直线方程得到该孔径的等效测量间隙S0，将S0带入公式
Figure BDA0003027231290000041
得到被测工件3的微小孔的直径d。
所述步骤(1)、(2)、(3)、(4)只需在使用前调整一次，便可对多个工件的孔径进行测量，即后续测量只需操作步骤(5)、(6)，所述步骤(6)中，测得的微小孔径数值为该微小孔全部截面上的平均直径。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述步骤(1)、(2)、(3)、(4)只需在使用前调整一次，便可对多个工件的孔径进行测量，即后续测量只需操作步骤(5)和步骤(6)便可实现对工件微小孔径的测量，操作方便。
本发明测得的微小孔径数值为该微小孔全部截面上的平均直径，并且具有测量精度高、响应快、使用寿命长等优点。
本发明利用Px-S实验曲线的线性段来对工件微孔进行测量，可通过改变气电转换装置中节流孔的尺寸来调整测量范围而实现对不同尺寸范围的微小孔径测量。
本发明采用的气动轴向测头末端带有沟槽，沟槽内圆直径略大于O型圈内径，O型圈可套在测头的沟槽内圆上，测量时台架上的夹持机构夹持测头并对测头施加压紧O型圈的力，O型圈形变实现对测头和工件的密封。
本发明所采用的气路部分结构简单，便于搭建，经济性好。
附图说明
图1是本发明优选实施例实现装置的具体流程图。
图2是本发明优选实施例的测量部分组成图。
图3是本发明优选实施例的气动轴向测头、O型圈和被测工件的A-A截面示意图。
图4是本发明优选实施例的气路图。
图5是本发明实施例中绘制的Px-S实验曲线。
附图标记：
1-气路部分；2-测量部分；3-被测工件；101-气源；102-空气过滤装置；103-稳压装置；104-气电转换装置；201-气动轴向测头(带O型圈沟槽)；202-O型圈；203-台架；204-假想的带喷嘴轴向测头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1、图2和图3所示，本发明一种用于微小孔径的气动测量装置，包括气路部分1、测量部分2以及标准工件，其中为模具钢板，其上端面为平面，且分布有多个(为保证精度，一般至少应为5个，数量越多，测量精度越高)孔径递增的标准微小孔，微小孔的深度3-5mm，直径分布范围0.28-0.42mm，精度±0.002mm以上，各微小孔的长度方向与上端面垂直，且带有微小孔部位的钢板底部距离工作台2mm以上，被测工件3的微小孔径应处于标准工件微小孔径范围内。
测量部分2主要包括气动轴向测头201、O型圈202以及台架203，台架203连接气动轴向测头201，为气动轴向测头201提供轴向运动限位，
气动轴向测头201的末端端面上设置有环形沟槽，沟槽内圆直径略大于O型圈202的内径，O型圈202可套在沟槽内圆上，测量时台架203上的夹持机构夹持气动轴向测头201并对其施加压紧O型圈202的力，O型圈202形变实现对气动轴向测头201和标准工件或被测工件3的密封，进而对微小孔的内径进行气动测量。
气路部分1连接气动轴向测头201为其提供测量动力，具体地，参考图4，气路部分1包括依次连接的气源101、空气过滤装置102、稳压装置103和气电转换装置104，气源101一般采用空气压缩机，作为动力源为测量装置提供一定压力的压缩空气；空气过滤装置102能够净化压缩空气中的固体杂质，并进行气液分离，净化空气中的液体；稳压装置103(通常为减压阀)稳定气路压力并输出特定压力的空气；气电转换装置104包括通气管道、气压传感器和节流孔，节流孔设置在通气管道中部，稳压后的空气经由带节流孔的通气管道送至气动轴向测头201，气压传感器能够实现气路压力信号转换为电信号，监测节流孔前后的气体压力，其中节流孔后的气体压力等于气动轴向测头201测量室内的压力Px。
利用气路部分1和测量部分2可对标准工件上的标准微小孔进行测量获取不同孔径对应的压力并进行数据拟合，在测量被测工件3的微小孔径时，根据测量的压力结合数据拟合结果获取对应的孔径。
基于上述装置，本发明微小孔径测量方法包括以下步骤：
步骤(1)，利用等效转换思想，将标准工件的微小孔径d′转换为等效测量间隙S。
由于气动轴向测头204无需挡板机构，气体流出面积为被测孔的截面积
Figure BDA0003027231290000061
将气体流出面积为直径d′的圆截面转换为假想喷嘴直径d0、测量间隙S的圆柱面的侧面积：
Figure BDA0003027231290000062
利用公式(1)可以将气动轴向测头201和标准工件的小孔直径d′等效为假想喷嘴直径d0、测量间隙S的喷嘴挡板机构，等效测量间隙S的公式如下：
Figure BDA0003027231290000071
步骤(2)，根据不同工况下的测量压力Px与等效测量间隙S的关系式绘制Px-S计算曲线。
气动测量的四种工况如下表：
工况 Pc/Px 节流孔的流动状态 Px/P0 喷嘴的流动状态
Ⅰ <1.894 亚临界状态 <1.894 亚临界状态
Ⅱ ≥1.894 临界状态 <1.894 亚临界状态
Ⅲ <1.894 亚临界状态 ≥1.894 临界状态
Ⅳ ≥1.894 临界状态 ≥1.894 临界状态
上述四种公开对应的测量压力Px为PxⅠ、PxⅡ、PxⅢ、PxⅣ，分别为工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ下的气动轴向测头201测量气室的绝对压力，对应的Px-S计算公式依次如下：
Figure BDA0003027231290000072
Figure BDA0003027231290000073
Figure BDA0003027231290000074
Figure BDA0003027231290000075
式中，P0为绝对大气压力(0.1MPa)，Pc为气电转换装置104的节流孔前的工作压力(即进气室气体的绝对压力)，d1表示气电转换装置104的节流孔直径，k为定熵指数(对空气，κ＝1.4)，c1为流过节流孔时的流量系数，c2为气动轴向测头201喷嘴处的流量系数，
Figure BDA0003027231290000081
Figure BDA0003027231290000082
根据气路稳压输出的工作压力Pc的数值大小，能够得知等效测量间隙S从0逐渐增大过程中的工况，不同的测量间隙范围内根据工况选择计算公式，并绘制计算曲线。
步骤(3)，以标准工件作为被测对象，利用气动轴向测头201和O型圈202密封测量标准工件的孔径，并通过气电转换装置104获得测量压力Px，得到不同孔径d′下的测量压力Px，利用最小二乘法对数据进行拟合并绘制Px-S实验曲线。
步骤(4)，比较步骤(2)的计算曲线和步骤(3)得到的实验曲线，若两条曲线趋势接近，则获取Px-S实验曲线中的线性段，并计算Px-S变换倍率，得到线性段的直线表达方程，如下式所示：
Px＝aS+b
其中a为Px-S变换倍率，即线性段斜率，b为常数。
步骤(5)，测量被测工件3的微小孔，将气电转换装置104读取的测量压力Px0带入线性段直线方程得到该孔径的等效测量间隙S0。
步骤(6)，将S0带入公式
Figure BDA0003027231290000083
计算得到被测工件3的微小孔的直径d，所得结果是该微小孔全部截面上的平均直径。
其中，上述步骤(1)、(2)、(3)、(4)只需在使用前调整一次，便可对多个工件的孔径进行测量，即后续测量只需操作步骤(5)、(6)，本发明中，标准工件上的微小孔数量越多，则相应的中间数据点越多，线性段方程越精确。
以下是一个具体的测量示例：
利用带有直径d′分别为0.28mm、0.30mm、0.32mm、0.34mm、0.36mm、0.38mm、0.40mm、0.42mm的深3mm微小孔的标准工件进行标定。
取d0＝1mm，经步骤1)可以得到以上微小孔的等效测量间隙S分别为0.0196mm、0.0225mm、0.0256mm、0.0289mm、0.0324mm、0.0361mm、0.0400mm、0.0441mm；
经步骤3)对上述标准工件进行测量，得到的测量压力Px分别见下表：
微小孔直径d′/mm 等效测量间隙S/mm 测量气室压力Px/Pa
0.28 0.0196 331749
0.30 0.0225 313981
0.32 0.0256 297205
0.34 0.0289 282266
0.36 0.0324 265235
0.38 0.0361 249683
0.40 0.04 232343
0.42 0.0441 218724
利用上述数据绘制Px-S的实验曲线如图5所示，从Px-S实验曲线可以得到线性段的直线方程为Px＝-4603116.93595S+417285.34255，其中a＝-4603116.93595,b＝417285.34255。
采用步骤5)测量被测工件上的微小孔，此时测得该孔径d条件下的测量压力Px0＝273425Pa，由上述线性段直线方程可以计算出等效测量间隙S0＝0.03125mm，再利用步骤4)所述公式，可以得到被测孔的直径d＝0.3536mm。
可见，本发明利用气动测量方法对微小孔径进行测量，能够得到微小孔全部截面的平均直径，并且具有精度高、响应快、使用寿命长等优点，可通过改变节流孔的大小来调整测量范围，操作方便、气路结构简单、经济性好。

Claims (9)

1.一种用于微小孔径的气动测量装置，其特征在于，包括气路部分(1)、测量部分(2)以及标准工件，其中所述测量部分(2)包括气动轴向测头(201)，气动轴向测头(201)的末端端面上设置有O型圈(202)，所述标准工件的上端面为平面，且分布有多个孔径递增的标准微小孔，各微小孔的长度方向与上端面垂直，所述气路部分(1)连接气动轴向测头(201)为其提供测量动力，利用气路部分(1)和测量部分(2)对标准工件上的标准微小孔进行测量获取不同孔径对应的压力并进行数据拟合，在测量被测工件(3)的微小孔径时，根据测量的压力结合数据拟合结果获取对应的孔径，所述被测工件(3)的微小孔径处于所述标准工件微小孔径范围内，所述标准微小孔的直径0.28-0.42mm。
2.根据权利要求1所述用于微小孔径的气动测量装置，其特征在于，所述气路部分(1)包括依次连接的气源(101)、空气过滤装置(102)、稳压装置(103)和气电转换装置(104)，其中所述气源(101)以空气压缩机为主体，提供压缩空气，所述气电转换装置(104)包括通气管道、气压传感器和节流孔。
3.根据权利要求1所述用于微小孔径的气动测量装置，其特征在于，所述标准工件为模具钢板，所述微小孔的深度3-5mm，且带有微小孔部位的钢板底部距离工作台2mm以上。
4.基于权利要求2所述用于微小孔径的气动测量装置的微小孔径测量方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将标准工件的微小孔径d′转换为等效测量间隙S，等效测量间隙S为气动轴向测头(204)假想喷嘴与假想挡板之间的垂直距离；
步骤(2)，根据不同工况下的测量压力Px与等效测量间隙S的关系式绘制Px-S计算曲线；
步骤(3)，测量标准工件的各微小孔，得到不同孔径d′下的测量压力Px，通过实验得到Px-S实验曲线；
步骤(4)，比较步骤(2)的计算曲线和步骤(3)得到的实验曲线，若两条曲线趋势接近，则获取Px-S实验曲线中的线性段，并计算Px-S变换倍率，得到线性段的直线表达方程；
步骤(5)，测量被测工件(3)的微小孔，将气电转换装置(104)读取的测量压力Px0带入线性段直线方程得到该孔径的等效测量间隙S0；
步骤(6)，将S0带入公式
Figure FDA0004119593130000021
得到被测工件(3)的微小孔的直径d，其中，d0为假想喷嘴直径。
5.根据权利要求4所述微小孔径测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中，等效测量间隙公式如下：
Figure FDA0004119593130000022
d′为标准工件的微小孔直径。
6.根据权利要求5所述微小孔径测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种工况，相应地，对应的测量压力Px为PxⅠ、PxⅡ、PxⅢ、PxⅣ，分别为工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ下的气动轴向测头(201)测量气室的绝对压力，对应的Px-S计算公式依次如下：
Figure FDA0004119593130000023
Figure FDA0004119593130000024
Figure FDA0004119593130000031
Figure FDA0004119593130000032
式中，P0为绝对大气压力，Pc为气电转换装置(104)的节流孔前的工作压力，d1表示气电转换装置(104)的节流孔直径，κ为定熵指数，c1为流过节流孔时的流量系数，c2为气动轴向测头(201)喷嘴处的流量系数，
Figure FDA0004119593130000033
Figure FDA0004119593130000034
根据气路稳压输出的工作压力Pc的数值大小，能够得知等效测量间隙S从0逐渐增大过程中的工况，不同的测量间隙范围内根据工况选择计算公式，并绘制计算曲线。
7.根据权利要求5所述微小孔径测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中，以标准工件作为被测对象，利用气动轴向测头(201)和O型圈(202)密封测量标准工件的孔径，并通过气电转换装置(104)获得测量压力Px，利用最小二乘法对数据进行拟合并绘制Px-S实验曲线。
8.根据权利要求7所述微小孔径测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，计算Px-S实验曲线中线性段的直线方程如下式所示：
Px＝aS+b
其中a为Px-S变换倍率，即线性段斜率，b为常数。
9.根据权利要求4所述微小孔径测量方法，其特征在于，所述步骤(1)、(2)、(3)、(4)只需在使用前调整一次，便可对多个工件的孔径进行测量，即后续测量只需操作步骤(5)、(6)，所述步骤(6)中，测得的微小孔径数值为该微小孔全部截面上的平均直径。
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