一种接触式圆柱体直径测量方法及装置研究

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圆柱体零件是机械行业中应用非常广泛的-类零件，在制造过程中，受加工设备精度所限，以及工件在装夹、调整过程中存在误差，使零件产生加工误差。目前，圆柱体直径测量方法有接触式测量和非接触式测量两种。其中，接触法测量主要有坐标测量机测量法、电接触法、尺寸规划法等[2-引，它们的缺点是接触力的存在会引起测杆和测头的机械变形，容易造成较大的误差；非接触法主要有光学测量法和气动测量方法等 ，但缺点是造价昂贵，维修成本较高6J。本文提出-种圆柱体在两平行板问转动实现直径测量的方法，该方法具有成本低、效率高、测量装置结构简单等特点。

1测量原理测量原理如图 1所示：(a)测量初始位置 (b)某-点的测量位置图 1 测量原理图Fig.1 Me emem principle收稿日期：2012-12-10；修改日期：2013-01-12作者简介： (1985-)，男，安徽舒城人，硕士生，主要从事机电-体化方向研究(Email：-ahb1985-163.com)：吴玉国(1961-1，时礼平(1983-)，王小芍f1987-、，男，安徽安庆人，男，安徽枞阳人，女，山东菏泽 人，教授，硕士，主要从事机电-体化系统的研究和开发(Email：vgwu###ahut.edu.cnk讲 ，.硕士，孝要从事复合材料及表面工程技术研究， -mail：xiaoinguoshi###l 硕士生， 主耍从事机电-体化方向研究fE.mail：wang)ia0sha0###l26.com1。

井冈山大学学报(自然科学版) 67图1中，被测圆柱体被两块垂直的平行板接触包夹，其中左边的挡板固定不动，右边的挡板-端与圆柱体接触，另-端连接-根弹簧，弹簧的另-端固定。圆柱体在两平行板间的初始位置的直径尺寸记为d，被测圆柱体在两块挡板之间转动，由于弹簧的弹性力，使两平行板和圆柱体紧密接触。右边的挡板随着圆柱体各位置直径尺寸变化而左右移动，把弹簧的位移量记为 ，圆柱体的实际直径即为 ，这个数值是变化的，即圆柱体上的各个位置处的直径。

2测量装置2.1 测量装置的结构1-静挡板，2-圆柱体工件 ，3-动挡板，4-侧支架，5-连接架 ，6-线性滑块，7.上工作台，8X.Y工作台，9.燕尾槽导轨，10-弹簧尾架，11 固定支架，12.光栅尺读数头，13.光栅尺主尺，14，主支架图2 测量装置总体方案Fig.2 Device for measuring overal programme测量装置的结构如图2所示，其机械结构由上下两层组合而成，两层的结构基本相同，均由滚珠丝杠副与直线滚动导轨副组成。运动由伺服电机经联轴器传给丝杠，使与滚珠螺母相联接的滑板沿导轨的承导件移动。上层导轨的底板与下层导轨的滑座联接在-起，使上层导轨可随下层导轨的滑座-起移动，上层导轨的滑座还可沿其本身的导轨移动，从而使与该滑座相联接的测量部分实现二维运动 。

为了保证导轨具有较高的导向准确度，每层导轨采用双导轨导向，滚珠丝杠布置在两导轨的中间，并使其轴线处于导轨的导向平面内，从而消除滑座移动时产生转动的趋势，使滑台移动平稳而灵活 。

为了提高滚珠丝杠副的定位准确度，在每层导轨的轴承座旁安装了电感传感器，滑座上安装了调节螺杆，滑座每次退回的精确位置由传感器测出，保证了滚珠丝杠的零位准确，有利于减小累积误差的影响。

滚珠丝杠的两端由滚动轴承支承，轴承座上还装有行程开关，将滑座的行程控制在-定的范围内 。

2.2 测量的工作过程测量装置的工作过程是：通过单片机控制伺服电机驱动，经传动机构带动工作台分别在 x 和 Y方向移动，调节动挡板的位置，使其与静挡板之间和圆柱体工件刚性接触，保持静挡板不动，动挡板通过摩擦力带动圆柱体工件缓熳转动，圆柱体由于制造过程中精度问题会产生圆柱度误差，在圆柱体工件移动过程中连接动挡板的主支架会带动线性滑块在 X方向有-个很小的线性位移，由于线性滑块的尾端安装有弹簧，从而可以保证两平行挡板和圆柱体工件之间紧密接触，同时安装在测量装置上的光栅尺可以记录下来该过程中的移动距离。而从测量动挡板初始位置到刚接触圆柱体工件这个位置的距离我们可以通过控制伺服电机的转动得到，用光栅尺的移动距离再加上动静挡板之间的距离即可得出圆柱体工件具体的直径。

2.3 被测工件的受力分析当工件运动时，其受力分析图如图 3所示：图3 被测工件受力分析图AFig.3 Force diagram A of the measured work piece工件受到静挡板给它的压力 及摩擦力 ，动挡板给它的压力 和摩擦力 ，以及受到-个力偶 的作用。其中动挡板水平移动，静挡板固定不动。

则： ： ， ·2R (1)由于圆柱体工件在输送带上旋转时，接触面也将产生摩擦力。摩擦力对圆柱体轴线之矩即为摩擦力 。如图4所示：井冈山大学学报(自然科学版)l图 4 被测工件受力分析图BFig.4 Forcediagram B ofthemeasuredworkpiece从 圆 柱 体 底 面 上 取 出 环 形 微 面 积ds21rpdp，ds上的压强为P。则此环形微面积上的正压力为dFNPds，摩擦力为 2 2Pds (2)已知圆柱体的尺寸和密度， 则圆柱体质量为：pVpR2h (3)输送带上底板材料的摩擦系数 2，压强P为：P phg (4)A R 、对回转轴线的摩擦力矩dM2为：dM2p ： Pds (5)圆柱体下底面的总摩擦力矩： Pds2zq.t：fPp dp2/r/./2P- R3： -2#-2p rcg～R3h(6)由于 M2，即 ·2RME，则：ME/2R：-l2-Pzc R2hg (7)又因为 · ，其中 为动挡板和圆柱体工件之间的摩擦系数， 则 (8)即为保证圆柱体前行的动挡板所要给它的最小压力，此力将会由圆柱螺旋压缩弹簧提供。

3 结论1本文研究的是-种接触式圆柱体直径测量方法及装置研究，该测量装置具有如下优点：11本装置采用X-YSE作台，利用单片机控制伺服电机驱动，经传动机构带动工作台运动，速度和效率可以得到有效控制；21通过动静两个平行挡板直接接触圆柱体工件，并利用摩擦带动圆柱体工件转动，可以方便的测出圆柱体的最大直径处的数值；3 通过在线性滑块的尾端安装-个弹簧，可以有效的保证动挡板与静挡板可以和圆柱体工件之间紧密接触。

2该装置机械部分结构相对简单，所用传感器成本低，所以整个设备成本较低。本装置适合于大批量圆柱体零件直径的检测。