專利名稱：孔軸混合零部件的測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種摩托車曲柄的軸徑、孔徑、中心距的測量裝置與方法。
該類零件有孔、軸和測量基準面，孔的軸線和軸的軸線平行。孔和軸的外圓可以是分離的，如圖6、圖7示；或少量相割的，如圖8、圖9示，相割兩圓弧中任一圓弧的最大弧度小于π/4，測量基準面與孔和軸的軸線垂直，測量基準面為精加工面，且相對于孔和軸的垂直度精度較高?，F(xiàn)有的單獨測量軸徑和單獨測量孔徑的方法均很多，但測量孔軸之間的中心距的方法卻很少，且很困難，特別是在測量孔軸相割的零部件的中心距時，更是困難重重。即便是有些儀器能檢測出中心距，但一般使用的方法都很繁瑣，精度不高，且只局限于在實驗室里檢測。如日本MITUTOYO MFG，有限公司的市銷產(chǎn)品三坐標測量機是由傳感器探頭、變送器、光柵、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機等部分組成，該測量機可用于測量上述零件的軸徑、孔徑、中心距，但只能分別對軸徑、孔徑、中心距進行測量，測量速度緩慢，特別是三坐標測量機使用的環(huán)境要求苛刻，不宜在工廠等較為惡劣的環(huán)境中使用。又如登載在《電動工具》1992年4期上的《軸與孔中心距的精密測量》一文中提出了一種借助于杠桿千分表與萬能工具顯微鏡測量中心距的方法，其測量步驟為1、用常規(guī)工具測量軸徑、孔徑；2、確定中心位置；3、尋找測量位置；4、在圓柱面和孔壁上測量5個點，依次等精度各測5次，得出縱、橫讀數(shù)值；5、把讀數(shù)值代入計算公式，即可計算出中心距。由此可看出，其操作步驟復(fù)雜，不易掌握，測量周期長，且由于使用常規(guī)測量工具檢測軸徑、孔徑，測量精度不高。
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，設(shè)計了一種孔軸混合零部件的測量裝置及方法，可同時測出軸徑、孔徑、中心距，操作步驟簡單，速度快，精度高，工作可靠。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，其技術(shù)方案是在位移傳感器探頭、變送器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機等部分組成的孔軸混合零部件的測量裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計了專用的夾具。該夾具包括支座，固定在支座上的夾具體，裝在被測孔和該孔所對的夾具體孔內(nèi)且與夾具體孔為過盈配合的芯柱，裝在支座外側(cè)中上部其搖桿通過被測件的中心線上方、搖桿中部安裝的小頂尖尖端與被測件中心的盲孔接觸的鉸鏈搖桿機構(gòu)，支座的中部有一通孔，夾具體中部有一比被測件軸徑的略大通孔，該通孔為具有兩段相互平行的垂直于搖桿的直線段，兩直線段間的距離略大于被測件的軸徑，在兩直線段范圍內(nèi)垂直于兩直線段且與搖桿所在的夾具體中心線重合的位置加工有兩個與夾具體中部通孔相通且安裝有傳感器探頭的同軸的通孔，且芯柱到兩孔的軸線的距離為被測件的軸孔中心距的基本尺寸，在芯柱中心所在的與兩通孔中心線垂直的夾具體的中心線上有一與夾具體中部孔連通的、安裝有傳感器探頭的通孔。對于被測件孔軸分離的情況，芯柱為完整的階梯圓柱，圖4給出了這種形狀，對于被測件孔軸相割的情況，芯柱為的階梯圓柱，其圓柱的部分實體被削去，以便被測件能夠順利安裝在夾具上，圖5給出了這種形狀。
本發(fā)明的測量方法分為檢測方法與標定方法。其電氣測量圖如

圖11所示。
檢測的步驟順序為1、將被測件放入夾具體內(nèi)；2、操縱鉸鏈搖桿機構(gòu)，帶動被測件運動；3、監(jiān)測被測件的位置，判斷是否已達到三個特殊位置；4、如已到達三個特殊位置一次以上，按給出的數(shù)學模型算出軸徑、孔徑、中心距；5、顯示打印結(jié)果。如圖15所示。
被測件放入夾具體內(nèi)的方法是將被測件的軸放入夾具體中部的通孔中，將被測件的孔套在芯柱上，使被測件的測量基準面與夾具體的定位面緊密貼合。
操縱鉸鏈搖桿機構(gòu)，使安裝在搖桿上的頂尖放入被測件的中心盲孔內(nèi)，微向下壓搖桿，并在水平面內(nèi)來回轉(zhuǎn)動，帶動被測件運動，由于受夾具體中部通孔的兩直邊的限制，其運動方向為芯柱孔所在夾具體的中心線方向，在運動過程中，使被測件分別到達三個特殊位置一次以上，這三個特殊位置分別是被測件的軸心在搖桿所在夾具體的中心線上的位置，如圖12所示，被測件的軸靠近芯柱一側(cè)的極限位置，如圖13所示，被測件的軸遠離芯柱一側(cè)的極限位置，如圖14所示。
在被測件放入夾具內(nèi)之后，本裝置自動進入測量狀態(tài)。單片機通過A/D轉(zhuǎn)換器，分別獲取搖桿方向的兩個傳感器探頭和垂直于搖桿方向的傳感器探頭經(jīng)變送器輸出的電壓值V01、V02、V03，并進行平滑濾波處理，得到處理后的電壓值V1、V2、V3；根據(jù)V1、V2、V3判斷被測件是否達到三個特殊位置。
在被測件到達這三個位置至少各一次后，獲取在這三個特殊位置上變送器的輸出值，然后按以下推導的公式計算軸徑、孔徑、中心距。
設(shè)垂直于搖桿方向的傳感器探頭到芯柱軸心的初始距離為L1，搖桿方向的兩個位移傳感器探頭之間的初始距離為L2，芯柱的直徑為Ddabber，被測件的軸徑為Dshaft，被測件的孔徑為Dhole，被測件的中心距為Dcontre，搖桿方向的兩個傳感器探頭和垂直于搖桿方向的傳感器探頭的靈敏度系數(shù)分別為a1、a2、a3，其量綱是mm/mv。
當被測件的軸心在搖桿所在夾具體的中心線上時，如圖12所示，(a1V1+a2V2)為放入被測件后的極小值，用(a1V1+a2V2)min表示，則Dshaft＝L2-(a1V1+a2V2)min(1)當被測件運動到靠近芯柱一側(cè)的極限位置時，垂直于搖桿方向的傳感器探頭輸出值為放入零件后的極大電壓值Vamax，如圖13所示，則Dcontre＝L1-a3V3max-1/2Dshaft+1/2(Dhole-Ddabber)(2)
當被測件運動到遠離芯柱一側(cè)的極限位置時，垂直于搖桿方向的傳感器探頭輸出值為放入零件后的極小值電壓V3min，如圖14所示，則Dcontre＝L1-a3V3min-1/2Dshaft-1/2(Dhola-Ddabber)(3)將(1)、(2)、(3)式組成方程組，解之，并令A(yù)＝L2；B＝Ddabber；C＝L1-1/2L2；其中A表示搖桿方向的兩個位移傳感器探頭之間的初始距離；B表示芯柱的直徑；C表示垂直于搖桿方向的傳感器探頭到芯柱軸心的初始距離與搖桿方向的兩個傳感器探頭之間的初始距離一半的差；可得Dshaft＝A-(a1V1+a2V2)min(4)Dhole＝B+a3(V3max-V3min)(5)Dcontre＝C+1/2(a1V1+a2V2)min-1/2a3(V3max+V3min)(6)(4)、(5)、(6)式中A、B、C、a1、a2、a3在標定時確定；其標定方法為當該裝置工作在標定狀態(tài)下時，將兩個尺寸已知且軸徑、孔徑、中心距三個參數(shù)的數(shù)值均相差較遠的標準零件相繼放入夾具體內(nèi)進行測量，測量的原理同前。當單片機系統(tǒng)顯示的測量值與標準零件的已知值不符時，通過裝置面板上的鍵將之修改為已知值，存入單片機系統(tǒng)中保存。搖桿方向的兩個傳感器的一致性很好，在不影響測量精度的前提下，可以認為a1＝a2。根據(jù)(4)、(5)、(6)式與在標定過程中測出的兩個標準零件在三個特殊位置上的傳感器輸出的電壓值，可得到U＝T-1W(7)
(7)式中，U＝[A，B，C，a1，a3]T W＝[Dashaft1，Dshole1，Dscotre1，Dashaft2，Dshole2，Dscontre2]T其中A，B，C，a1，a3的含義同前述；Dashaft1，Dshole1，Dscontre1分別為第一個標準零件的軸徑、孔徑、中心距的已知值；Dashaft2，Dshole2，Dscontre2分別為第二個標準零件的軸徑孔徑、中心距的已知值；(Va11+Va12)min與(Va21+Va22)min分別為第一與第二個標準零件在運動過程中(V1+V2)的極小值。
Va13max、Va13min分別為測量第一個標準零件時V3的極大值、極小值；Va23max、Va23min分別為測量第二個標準零件時V3的極大值、極小值。
(7)式的計算機軟件實施流程圖如圖16所示。
本發(fā)明可適用于沖壓模具的上下模零部件、內(nèi)燃機曲柄、機床工裝夾具中的軸孔混合零部件、行星齒輪減速器支架的軸徑、孔徑、中心距的檢測；可在多個技術(shù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。本發(fā)明的優(yōu)點在于1.精度高，測量精度可達2μm，重復(fù)精度可達1μm；2.操作方法簡單，測量速度高，特別是在測量孔軸相割的零部件時，簡便快捷；3.可同時測量三個參數(shù)，可分組，可自動打?。?.標定方法簡單、快捷，不需專門的標定儀器，可在現(xiàn)場直接標定；5.本裝置可在車間等較惡劣的環(huán)境中使用；圖1為該裝置夾具裝配圖的主視圖。
圖2為該裝置夾具裝配圖的俯視圖。
圖3為該裝置夾具裝配圖的左視圖。
圖4為當被測零件的孔軸不相割時測量芯柱的形狀。
圖5為當被測零件的孔軸相割時測量芯柱的形狀。
圖6為被測零件的孔軸不相割時的主視圖。
圖7為被測零件的孔軸不相割時的俯視圖。
圖8為被測零件的孔軸相割時的主視圖。
圖9為被測零件的孔軸相割時的俯視圖。
圖10為夾具體的俯視剖面圖。
圖11為測量系統(tǒng)電氣連接示意圖。
圖12、圖13、圖14為零件運動過程中所到的三個特殊位置示意圖。
圖15為測量系統(tǒng)軟件流程總框圖。
圖16為標定程序系數(shù)計算框圖。
圖1、圖2、圖3中，1-支座，2-夾具體，3-芯柱，4-小頂尖，5-被測零件，6-傳感器探頭，7-傳感器探頭，8-傳感器探頭，9-搖桿，10-螺栓，11-圓套，12-短銷，1 3-小支架，14-轉(zhuǎn)軸，15-短銷。
圖12、圖13、圖14中，O1-芯軸的軸心，O2-特殊形狀孔的中心，O3、O3’、O3”-被測零件的孔心，O4、O4’、O4”-被測零件的軸心。
實施例本發(fā)明的應(yīng)用實施例是用于摩托車曲柄的孔徑、軸徑和中心距的測量，被測零件5的基本尺寸及公差為孔徑φ23.025±0.010，軸徑φ20.000±0.010，中心距24.750±0.010，外形輪廓大圓直徑為φ94，端面圓盤部分厚度為20，軸長80，中心頂尖孔的直徑為φ6，由此設(shè)計的夾具結(jié)構(gòu)如下支座1的上表面為正方形，邊長為160，中部通孔為方孔，邊長為80，且有四個支腳。夾具體2為正方形，邊長為100，下部四角有螺紋盲孔，夾具體2安裝在支座1的上表面中部，在支座1上對應(yīng)于夾具體2的四個螺紋盲孔的位置加工有四個通孔，夾具體2用螺釘經(jīng)此四個通孔緊固在支座1上。夾具體2的對稱中心加工有通孔，該孔是由兩段平行且對稱的直邊和兩個半圓光滑連接而成的封閉孔，用于測量時容納被測零件的軸，兩直邊的邊長為1，兩直邊間的距離為20.030，兩半圓的直徑為φ20.030，如圖10所示。在該孔的兩直邊的對稱線上距該孔24.750處，加工有直徑為φ16的圓孔，大端直徑為φ22.980的芯柱3以過盈配合安裝在該圓孔中。在兩短直邊的平行對稱線和垂直對稱線上，加工有三個直徑為φ6的傳感器探頭安裝孔。在三個安裝孔中安裝有傳感器探頭6、傳感器探頭7、傳感器探頭8。在支座1的外側(cè)兩短直邊的垂直對稱線上，以螺釘緊固安裝有小支架13，小支架13上豎直方向加工有直徑為φ10的圓孔，轉(zhuǎn)軸14下端以間隙配合安裝在圓孔中，轉(zhuǎn)軸14的下端用直徑為φ6的短銷12以過盈配合將圓套11緊固在轉(zhuǎn)軸上，圓套11用于防止轉(zhuǎn)軸14從小支架13中脫出。轉(zhuǎn)軸14的上端開有槽，在垂直于槽的方向加工有直徑為φ6的圓孔，搖桿9安裝在槽中，搖桿9的頭部加工有直徑為φ6的圓孔，直徑為φ6的短銷15將搖桿9和轉(zhuǎn)軸14聯(lián)接起來，短銷15與轉(zhuǎn)軸14為較大的過盈配合，短銷15與搖桿9為較大的間隙配合，搖桿9可以短銷15為中心在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，搖桿9上加工有直徑為φ8的圓孔，小頂尖4用M8的螺母10緊固安裝在該圓孔中，頂尖4的頂尖部分直徑為φ8，當搖桿水平時，頂尖軸線到轉(zhuǎn)軸14軸線的距離為110。傳感器6、傳感器7、傳感器8均為差動變壓器式位移傳感器，傳感器探頭位置調(diào)整合適后，用環(huán)氧樹脂封固。單片機用MCS-51單片機。
將摩托車曲柄放入測量夾具中，操縱搖桿，將小頂尖放入被測零件的中心盲孔內(nèi)，微向下壓，并在水平面內(nèi)來回轉(zhuǎn)動，使零件到達三個特殊位置，按本發(fā)明給出的計算方法計算軸徑、孔徑、中心距。圖13為測量系統(tǒng)的軟件程序框圖。表1例出某兩個零件的基本尺寸與測量值的比較情況。表1
權(quán)利要求
1.一種孔軸混合零部件的測量裝置，包括傳感器探頭、變送器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、打印機，其特征在于該測量裝置的專用夾具包括支座，固定在支座上部的夾具體，裝在被測孔和該孔所對的夾具體孔內(nèi)且與夾具體孔為過盈配合的芯柱，在支座外側(cè)的中上部裝有一個其搖桿通過被測件中心線上方、搖桿中部上的小頂尖尖端與被測件中心的盲孔接觸的鉸鏈搖桿機構(gòu)，支座的中部有一通孔，夾具體中部有一比被測件軸徑略大的通孔，在搖桿所在的夾具體的中心線上，各有一個安裝位移傳感器探頭的通孔，兩孔均與夾具體的中部孔連通，且兩孔的中心線到芯柱的距離為被測件軸孔中心距的基本尺寸，在與兩通孔中心線垂直，且芯柱孔中心所對的夾具體的中心線上有一與夾具體中部孔連通，安裝有一位移傳感器探頭的通孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔軸混合零部件的測量裝置，其特征在于夾具體中部的通孔為兩段相互平行的線段的兩端各與一段圓弧連接構(gòu)成的環(huán)形通孔，對于被測件孔軸分離的情況，芯柱為完整的階梯圓柱，對于被測件孔軸相割的情況，芯柱為削去了部分實體的階梯圓柱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔軸混合零部件的測量裝置，其特征在于鉸鏈搖桿機構(gòu)包括固定在支座側(cè)面上的小支架，一端穿過小支架的孔，其端部裝有短銷、短銷上套有圓套、其另一端與搖桿一端通過短銷鉸鏈連接的轉(zhuǎn)軸，在被測件中心盲孔所對的搖桿上裝有螺母的小頂尖。
4.一種實施權(quán)利要求1所述測量裝置的測量方法，包括檢測方法與標定方法，其特征在于(1)檢測步驟為①將被測件放入夾具體內(nèi)，②操縱鉸鏈搖桿機構(gòu)，帶動被測件運動，使被測件分別達到三個特殊位置一次以上，③監(jiān)測被測件的位置，判斷是否已達到三個特殊位置，④獲取這三個特殊位置變送器的輸出值，按以下數(shù)學模型算出軸徑、孔徑、中心距Dshaft＝A-(a1V1+a2V2)min(1)Dhola＝B+a3(V3max-V3min) (2)Dcantre＝C+1/2(a1V1+a2V2)min-1/2a3(V3max+V3min)(3)在(1)式中Dshaft---被測件的軸徑，A---搖桿方向的兩個位移傳感器探頭之間的初始距離，a1---搖桿方向的兩個傳感器探頭中的一個傳感器的靈敏度系數(shù)，其量綱是mm/mv，V1---靈敏度系數(shù)為a1的傳感器的輸出電壓值，a2---搖桿方向的兩個傳感器探頭中的另一個傳感器的靈敏度系數(shù)，其量綱是mm/mv，V2---靈敏度系數(shù)為a2的傳感器的輸出電壓值，(a1V1+a2V2)min---(a1V1+a2V2)的極小值，在(2)式中Dhola---被測件的孔徑，B---芯柱的直徑，a3---垂直于搖桿方向的傳感器探頭的靈敏度系數(shù)，其量綱是mm/mv，V3max---放入被測件后靈敏度系數(shù)為a3的傳感器的輸出電壓值的極大值，V3min---放入被測件后靈敏度系數(shù)為a3的傳感器的輸出電壓值的極小值，在(3)式中Dcantre---被測件的孔軸中心距，C---垂直于搖桿方向的傳感器探頭到芯柱軸心的初始距離與搖桿方向的兩個傳感器探頭之間的初始距離一半的差，其他字母所代表的物理意義同(1)式、(2)式，⑤顯示打印計算結(jié)果；(2)標定方法①當該裝置工作在標定狀態(tài)下時，將兩個尺寸已知的且軸徑，孔徑、中心距三個參數(shù)的數(shù)值均相差較遠的標準零件相繼放入夾具體內(nèi)進行測量，②當單片機系統(tǒng)顯示的測量值與標準零件的已知值不符時，修改顯示值，使之等于已知值，并存入單片機中，③根據(jù)(1)、(2)、(3)式和在標定過程中測出的兩個標準零件在三個特殊位置上的傳感器輸出的電壓值，得到U＝T-1W(4)在(4)式中U＝[A，B，C，a1，a3]T(5) W＝[Dashaft1，Dshole1，Dscontre1，Dashaft2，Dshcle2，Dscontre2]T(7)在(5)式中A、B、C、a1、a3的含義同前述，在(6)式中Va11---放入第一個標準零件后靈敏度系數(shù)為a1的傳感器的輸出電壓值，Va12---放入第一個標準零件后靈敏度系數(shù)為a2的傳感器的輸出電壓值，Va21---放入第二個標準零件后靈敏度系數(shù)為a1的傳感器的輸出電壓值，Va22---放入第二個標準零件后靈敏度系數(shù)為a2的傳感器的輸出電壓值，(Va11+Va12)min---第一個標準零件在運動過程中(V1+V2)的極小值，(Va21+Va22)min---第二個標準零件在運動過程中(V1+V2)的極小值，Va13max---放入第一個標準零件后靈敏度系數(shù)為a3的傳感器的輸出電壓的極大值，Va13min---放入第一個標準零件后靈敏度系數(shù)為a3的傳感器的輸出電壓的極小值，Va23max---放入第二個標準零件后靈敏度系數(shù)為a3的傳感器的輸出電壓的極大值，Va23min---放入第二個標準零件后靈敏度系數(shù)為a3的傳感器的輸出電壓的極小值，在(7)式中Dashaft1---第一個標準零件軸徑已知值，Dshole1---第一個標準零件孔徑已知值，Dscontre1---第一個標準零件中心距已知值，Dashaft2---第二個標準零件軸徑已知值，Dshole2---第二個標準零件孔徑已知值，Dscontre2---第二個標準零件中心距已知值。
全文摘要
一種孔軸混合零部件的測量裝置及方法。用于測量摩托車曲柄的軸徑、孔徑、中心距。裝置由專用夾具、傳感器和單片機組成，夾具又由支座、夾具體、鉸鏈搖桿機構(gòu)構(gòu)成。將被測件放入夾具內(nèi)，使其微動，即可自動達到三個特殊位置，單片機通過安裝在夾具上的三個傳感器獲取運動參數(shù)，按給出的數(shù)學模型進行數(shù)據(jù)分析處理，獲得所測尺寸。該測量裝置及方法精度高、速度快、標定簡單、工作可靠，且可在多個技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用。
文檔編號G01B7/00GK1144905SQ9511146
公開日1997年3月12日 申請日期1995年8月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月8日
發(fā)明者劉飛, 鄢萍, 易潤忠, 江澤佳, 徐宗俊 申請人:重慶大學