轴类零件多功能全自动智能测量仪的设计木-数控机床市场网

轴类零件多功能全自动智能测量仪的设计木

2016-9-9 来源：上海电气集团股份有限公司中央研究院作者：陈伟伟严隽藩娄云鸽

摘要：为实现对轴类零件的圆度、圆柱度、同轴度、跳动、表面粗糙度和硬度等多种质量指标的综合检测，满足轴类零件高精度、高效率、多误差的检测需求，采用现代机床设计理念，创新设计了轴类零件定位夹持回转机构和轴类零件测量机构，研制了一种契合企业生产节拍，测量环境要求低的多功能全自动智能测量仪。该测量仪自动化程度高、检测精度高、检测功能多、应用范围广。

关键词：轴类零件测量仪自动化多功能机械设计

轴类零件是装备制造业动力驱动部件的关键零件，其性能及精度直接关系到该动力驱动部件的整体性能。在工件质量要求不断提高、加工难度越来越大的情况下，基于质量指标综合检测和分析的测量仪正向着高精度、高效率、万能性方向发展，如三坐标测量仪、多坐标测量仪等。这些测量仪主要以测量零件尺寸为主，并不是专门用于检测轴类零件的各项精度。因此，笔者采用现代机床设计理念。研制了一种符合企业生产节拍和测量环境要求、成本低且检测效率高的全自动智能测量仪，能对多尺寸多类型轴类零件的圆度、圆柱度、同轴度、跳动、硬度、表面粗糙度等各项精度进行测量，其测量功能将更适合市场的需求，具有很重要的意义D-s]。

目前。转台式测量方法和接触式测量方法应用于轴类零件测量方面比较成熟。多功能全自动智能测量仪结合以上测量原理，其总体结构类似于立式机床，由轴类零件夹持回转系统、X-Z轴测量系统、配重系统3部分组成。如图1所示。

1．X—Z轴测鼙系统2．轴类零件夹持回转系统3．配重系统

▲图l测量仪结构

1、智能测量仪的床身

在超精密测量过程中振动因素会造成严重影响，振动源一般来自于测量仪内部和外部的振动[6]。因此，测量仪必须具有较好的抗振和减振性能，其床身的设计和选材非常重要。矿物复合材料以其优良的减振性、高尺寸精度和形状完整性、低热导性和吸湿性、绝佳的耐蚀性和抗磁性等优势。成为取代传统金属或天然石材，是制造精密床身的理想材料。

同时，为了减轻床身的质量，需对床身进行减重设计。矿物铸件所涉及的紧固件、管路、线缆、孔腔可以预埋到结构中，嵌件材料包括金属、石材、陶瓷、塑料等。根据上述信息，减重设计从3方面来考虑：①床身的结构刚度和强度；②矿物铸件的工艺性能；③减重量多少。智能测量仪床身采用蜂窝状布置的PVC圆管和钢管预埋件，从左至右将两个侧面贯穿，钢管预埋件用于床身的搬运。所有预埋件无需脱模，同时保证工作面和背面厚度为180 mm。其减重后的质量为6．5 t。通过SolidWorks软件对床身三维模型进行有限元分析．材料采用山东美克公司的矿物复合材料．设定底面固定在基座上。从顶面和工作面同时施加垂直表面的力为50 kN，从表面应力变化和变形量来检验该床身减重方案后的强度及刚度，如图2所示。我们可知：该方案的变形量最大为0．03 l 7 mm。表面应力值最大为1．034 MPa。

▲图2蜂窝状床身结构图及有限元分析图

测量仪的床身采用矿物复合材料一次浇铸成型，出模尺寸精度约为0．1-0．3 mm／m．再通过研磨对测量平台完成超高精度的加工，最终使测量平台的平面度达到15恤m，具体的测量平台尺寸为1 600mmx2 300 rnnl。

2、智能测量仪的测量机构设计

轴类零件多功能全自动测量仪的测量机构包括拖板部件和X轴部件。拖板部件采用内、外双拖板加滚珠丝杠传动结构，采用柔性连接件将内、外拖板进行柔性连接。柔性连接件将运动所需的力矩传递给气体静压导轨，确保了气浮拖板的直线运动精度。侧头安装在X轴部件上．闭环测量元件采用海德汉高精度光栅线位移传感器，拖板部件在伺服电机的驱动下实现上下运动．控制测头实现被测工件在轴向不同位置的形状和尺寸精度的测量。X轴滑板在直线电机的驱动下实现水平方向的移动，通过直线电机的直接驱动和高精度光栅线位移传感器共同控制测头，实现对被测工件的形状和尺寸精度的测量。

2．1拖板结构设计

拖板整体结构采用封闭框架式结构，如图3所示。该结构具有较高的刚性和稳定性，具有长期使用不变形的优点。组成拖板的主要零件均采用钢板焊接工艺，焊接结构在系统轻量化的进怖断程中发挥着重要作用。完成、轴焊接工艺后，经过充分的时效和研磨工艺处理．得到了具备较好的稳定性及高刚度的拖板框架式结构。移动导轨采用超精密气体静压导轨结构，气体静压轴承采用多孔质石墨材料，其气孔及形成的气膜厚度均匀，运动性能平稳。超精密气体静压直线轴承气膜厚度设定为4～5斗m，保证气膜的刚度及导轨的稳定性。

▲图3拖板部件整体结构图

测量仪的拖板部件突破了滚珠丝杠传动的传统模式，采用内、外双拖板结合滚珠丝杠的传动结构，如图4所示。拖板运动时，滚珠丝杠通过丝杠螺母将电机输出的力矩及丝杠传动过程中产生的变形和误差传递给内侧的驱动拖板，驱动拖板通过一个多功能柔性连接件将力矩传递给外侧的气浮拖板，使其在气浮导轨上平稳运动。其中，多功能柔性连接件的作用是利用其自身不同方向的柔性缓冲单元消除丝杠传动过程中产生的变形和误差，从而提高气浮拖板的直线运动精度。

2．2 X轴部件结构设计

X轴部件三维模型如图5所示，是整个测量系统中非常关键的部件，通过螺钉安装在气浮拖板底板上，为了减轻X轴部件的质量，其主要零件均采用焊接结构，采用加强筋提高零件的刚性，经过时效和研磨工艺处理后，零件获得较好的刚度和稳定性。X轴部件采用高精度直线电机直接驱动。应用德国海德汉公司的高精度光栅尺组成闭环反馈系统，导轨采用气体静压导轨，测量仪的测头安装在X轴部件的滑板上。

3、智能测量仪的回转系统设计

智能测量仪的回转系统用于夹持被测的轴类零件，零件是否夹持牢靠、回转稳定，是决定测量精度高低的关键条件之一。因此，在设计夹持回转机构的时候，需从以下几方面考虑：①夹持方式可靠性；②回转稳定性；③机构的通用性；④承载能力。目前，很多用于轴类零件检测和加工的设备，大都采用顶尖中心定位的单一方式进行夹持．极少数使用柔性的相位夹持机构予以辅助。缺乏柔性的相位夹持机构，轴类零件在回转时易产生中心定位失准，使测量精度降低、测量误差增大。而采用相位夹持机构的测量设备大都是手动操作，测量效率较低，且负载能力和适用范围均很小。

针对以上问题．智能测量仪采用了顶尖中心定位，并设计具有柔性的夹持机构来实现辅助相位定位。同时为了保证双顶尖中心线一致，采用调心调平机构为基座。通过以上机构综合作用，可保证零件回转时顶尖中心定位稳定性和测量精度。结合夹爪可换和气浮承载的优点，应用气浮转台，可实现对多类型不同质量的轴类零件的夹持．适用范围广。

根据上述设计目标，轴类夹持回转机构主要由头架和尾架两部分组成。实现双顶尖夹持，如图6、图7所示。头架由调心调平机构、回转夹持机构组成。尾架同样采用内、外拖板形式，由驱动电机驱动拖板沿导轨方向移动，在通过气缸驱动尾架顶尖，一双顶尖方式将轴类零件定心加持。

3.1调心调平机构设计

为了保证测量仪的测量稳定性，就需确保被测零件夹持的可靠性及回转稳定[7]。采用双顶夹持轴类零件的方式，不仅要保证头、尾架顶尖同轴线，还要保证整个轴类夹持回转机构水平位置不会产生侧向倾斜。因此，设计调心调平机构具有重要意义。

如图8所示调平调心机构，调心调平机构由安装板、基座上底板、基座下底板、基座内滑板、基座导向块及调节螺钉组成。整个机构采用手动旋动调节螺钉的方式，实现平台的调心和调平功能。调平可通过调平安装板上的3个调节螺钉进行调平操作；调心可通过调心基座上的2个调节螺钉来实现水平双向调心操作。

3．2轴类零件回转夹持机构设计

具有柔性的夹持回转机构实现了零件夹持和回转两大功能，其设计必须满足以下要求：①承载大；②夹持范围广，通用性强；③夹持牢靠。

针对以上要求．采用气浮转台用于零件的承载和回转，辅助相位定位的夹持机构和顶尖方式实现了轴类零件的夹持。因为气动控制具有动作迅速、反应快、工作环境适应性好、成本低和环保等优点，所以辅助夹持机构采用气动控制。

综合上述要求．智能测量仪是采用一种柔性夹持回转机构，该机构采用气浮转台，转台面直径为300mm，在气浮转台中心布置气路，转台上设计安装柔性的辅助相位定位机构。

辅助相位定位机构采用气缸联动自平衡的全新夹紧方式，经过尺寸优化后，其机构原理图如图9所示。从原理图可以看出．该辅助相位定位机构由两根相同

连杆L1、L2和两根L型连杆L3、L4组成。L型连杆L3短边端部通过铰链点如与连杆L2一端相连，长边端部通过铰链点Pl，与连杆Ll一端相连。L型连杆L4短边端部通过铰链点Pl。与连杆L1另端相连，长边端部通过铰链点心与连杆L2另端相连。4根连杆对称布置形成矩形。连杆L1、L2可沿杆长方向伸缩运动，从而带动固定杆长的L型连杆运动。当L1、L2同时缩短时，L3、L4同时向圆心运动，零件被夹紧；当L1、L2伸长时，L3、L4背离圆心移动，零件被松开。

应用SolidWorks软件绘制该机构的三维模型图，如图10所示。分析上述机构，可知其特点是：①零件被夹紧时，气缸杆L1、L2缩紧，这对于其刚性要求较低；②气缸力即为夹紧零件的力，选用气缸联动来进行控制．从而保证零件夹紧的可靠性；③通过三维测量，机构的高度仅49．5 mm。整个夹紧机构比较紧凑；④该夹紧机构只需4个零件即可实现夹紧功能，实际应用范围较广。

3．3尾架设计

如图7所示，尾架实现尾架顶尖的夹紧运动，其驱动结构与测量机构相似，采用内外拖板的方式及气浮导轨和导轨导向。外拖板上安装气浮转台支架和配重连接梁，支架上固定D200气浮转台，配重连接梁与钢丝绳相连。内拖板上安装气缸底座及固定顶尖驱动气缸。当需要夹紧轴类零件时，伺服电机驱动拖板移动到一定位置，再由气缸杆作用，使尾架顶尖顶紧零件。

4、结论

目前，该测量仪与数控磨床、上下料桁架机器人结合，形成“检测一加工一检测”一体化系统，已在上海电气集团股份有限公司实验测试，如图11所示。整个智能磨削系统自动化程度高、检测精度高、功能多、应用范围广，具有较高的性价比及很好的市场前景。