基于虚交点的圆锥孔端面尺寸数显测量装置.docx

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基于虚交点的圆锥孔端面尺寸数显测量装置

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摘要

在机械加工中，常常会碰到圆锥孔的测量问题。

圆锥孔的主要控制参数是锥孔锥度和锥孔端面直径尺寸。

在圆锥孔大小端端面直径尺寸已知的情况下，圆锥孔的锥度可以通过简单的计算获得。

故测量圆锥孔端面直径尺寸显得特别重要。

圆锥孔由于结构的特殊性导致其端面直径不易测量。

在机械加工中，通常采用锥度塞规涂色法作为圆锥孔加工和终检的量具，通过塞规与圆锥孔的接触面积来判断锥度和尺寸是否合格；也可用正弦规或三坐标测量仪等进行检测。

但这些测量方式或者效率较低，或者成本过高，难以适应现场批量生产时的检测需要。

特别是对那些精度要求较高的圆锥孔，由于缺少合适的现场测量工具，往往很难保证达到要求的精度[1]。

本文设计一种基于虚交点的圆锥孔端面尺寸数显测量装置，可在机直接测量，不需计算，数显直读，且结构简单，测量范围大，有效地解决了生产现场检测锥孔端面直径的问题，也可用于间接测量椎孔的锥度。

关键词：

圆锥孔端面直径，测量装置，精度分析，容栅位移传感器

Basedonthevirtualend-pointofintersectionoftheconicalholesizedigitalmeasuringdevice

Abstract

Inmachining,theoftenencounteredproblemofcone-holemeasurement.Conicalholeisthemaincontrolparametersandconetapertaperholediameterfacehole.Holeintheconediameterthesizeofend-to-endfaceofknowncases,theconeofthetaperholecanbeobtainedthroughsimplecalculation.Therefore,measurementofend-conediameterholeisofparticularimportance.Conicalholeasaresultofthespecificityofthestructureledtoeasymeasurementofthediameterofitsend.Inmachining,taperpluggaugeusedasacoloringprocessandtheendofconicalholemeasuringlocation,withtheconethroughtheplugholetodeterminethecontactareaanddimensionsoftaperisqualified;alsobeusedsinusoidalregulationorinstrument,suchasCMMtest.However,thesemeasurementorlessefficient,orcostistoohigh,itisdifficulttoadapttothesceneatthetimeofdetectionoftheneedformassproduction.Especiallyforthosewhorequireahigheraccuracyoftheconicalholes,thefieldduetothelackofsuitablemeasurementtoolsisoftenverydifficulttoguaranteetherequiredaccuracy.Inthispaper,thedesignofavirtualpointofintersectionofthecone-basedend-hole-sizedigitaldisplaymeasuringdevicecanbedirectlymeasuredinthemachine,withoutcalculation,direct-readingdigitaldisplayandsimplestructure,widemeasurementrange,aneffectivesolutiontotheproductionscenedetectionendtaperholediameteralsocanbeusedforindirectmeasurementofthetaperforamen.

Keywords:

conicalendholediametermeasuringdevices,precisionanalysis,capacitivedisplacementsensor

1绪论

1.1目前对几何测量的研究现状

1.1.1几何量测量的基本概念

零件加工后，其几何量需加以测量或检验，以确定它们是否符合零件图上给定的技术要求。

几何量测量是指为了确定被测几何量的量值，将被测几何量X与作为计量单位的标准量E进行比较，从而得出两者比值q的过程。

这可用下式表示：

X=qE

由上式可知，任何一个几何量测量过程必须有被测对象和所采用的计量单位。

此外，还包含：

两者应怎么进行比较（即应采用适当的测量方法），并保证测量结果准确可靠（即应保证测量精度）。

1.1.2计量器具的基本技术性能指标

计量器具的基本技术性能指标是合理选择和使用计量器具的重要依据。

也是设计量具时必须要考虑的。

其中主要的指标如下：

（1）标尺刻度间距

标尺刻度间距是指计量器具标尺或分度盘上相邻两刻线中心之间的距离或圆弧长度。

为适于人眼观察，刻度间距一般为1～2.5mm。

（2）标尺分度值

标尺分度值是指计量器具标尺或分度盘上每一刻度间距所代表的量值。

一般长度计量器具的分度值有0.1mm、0.05mm、0.02mm、0.01mm、0.005mm、0.001mm等几种.

（3）分辨力

分辨力是指计量器具所能显示的最末一位数所代表的量值。

由于在一些量仪（如数字式量仪）中，读数采用非标尺或非分度盘显示，因此就不能使用分度值这一概念，而将其称作分辨力。

（4）标尺示值范围

标尺示值范围是指计量器具所能显示或指示的被测几何量起始值到终止值的范围。

（5）计量器具测量范围

计量器具测量范围是指计量器具在允许的误差限内所能测出的被测几何量量值的下限值到上限值的范围。

测量范围上限值与下限值之差为量程。

（6）计量器具的测量步确定度

计量器具的测量不确定度数指在规定条件下测量时，由于计量器具的误差而对被测几何量值不能肯定的程度。

它用测量极限误差表示。

1.1.3测量方法的分类

在几何量测量中，测量方法应根据被测零件的特点（如材料硬度、外形尺寸、结构、批量大小等）和被测对象的精度要求来选择和确定。

现有的测量方法主要有以下几种。

（1）按实测几何量是否为被测几何量划分

测量可分为直接测量和间接测量。

1）直接测量

直接测量是指被测几何量的量值直接由计量器具读出。

例如，用游标卡尺、千分尺或者侧长仪测出轴径或孔径的大小，用公法线千分尺测出齿轮公法线长度的数值。

2）间接测量

间接测量是指欲测量的几何量的量值由实测几何量的量值按一定的函数关系式运算后获得。

例如，用正弦尺和量块、指示式量仪测量外圆锥角，用三针法测量外螺纹的单一中径。

间接测量的测量精度通常比直接测量的低。

（2）按计量器具上的示值是否为被测几何量的量值划分

测量可分为绝对测量和相对测量。

1）绝对测量

绝对测量是指计量器具显示或指示的示值即是被测几何量的量值。

例如，用游标卡尺、千分尺或立式测长仪测量轴径的大小。

2）相对测量

相对测量（比较测量）是指计量器具显示出或指示出被测几何量相对于已知标准量的偏差，被测几何量的量值为已知标准量与该偏差的代数和。

一般来说，相对测量的测量精度比绝对测量的高。

（3）按测量时被测表面与计量器具的测头是否接触划分

测量可分为接触测量和非接触测量。

1）接触测量

接触测量是指测量时测量器具的测头与被测表面接触，并有机械作用的测量力。

例如，用机械比较仪测量轴径，用千分尺测量轴径。

用接触测量法测量不同形状的被测表面时，应选用相对形状的测头。

例如，测量球面、圆柱面和平面时应分别使用平面形测头、刀刃形测头和球形测头。

2）非接触测量

非接触测量是指测量时计量器具的测头步与被测表面接触。

例如，用光切显微镜测量表面粗糙度轮廓的最大高度，在工具显微镜上用影响法测量外螺纹的牙侧角、螺距和中径。

（4）按被测工件上是否有几个几何量一起划分

测量可分为单项测量和综合测量。

1）单项测量

单项测量是指分别多工件上的几个被测几何量进行独立的测量。

例如，用工具想未经分别测量外螺纹的牙侧角、螺距和中径，用渐开线测量仪和双测头式齿距比较仪分别测量同一齿轮的齿廓总偏差和单个齿距偏差。

2）综合测量

综合测量是指同时测量工件上几个相关几何量的综合效应和综合指标，以判断综合结果是否合格。

例如，用螺纹量规的通规检验螺纹单一牙侧角、螺距和中径实际值的测量结果是否合格，用齿轮双啮仪测量齿轮齿廓总偏差的综合结果是否合格。

1.1.4测量量具的分类

（1）量块

量块是指相互平行的两个测量面间具有精确尺寸且截面形状为矩形的长度计量器具。

它是长度量值传递系统中的实物标准，是实现从光波波长（自然长度基准）到测量实践之间长度量值传递的媒介，是机械制造中实际使用的长度基准。

它可以用来检定和调整计量量具、机床、工具和其他设备，也可直接用于测量工件。

（2）游标尺

游标尺有游标卡尺、游标深度尺、游标高度尺、游标测齿卡尺等几种。

它们的读数装置都由主尺和游标两部分组成，读数原理和读数方法皆分别相同。

它们用于测量线性尺寸。

（3）千分尺

千分尺（百分尺）有外径千分尺、内径千分尺、深度千分尺和专用千分尺（如公法线千分尺）等几种。

它们都是利用螺旋副运动原理制成的计量器具。

它们的读数原理和读数方法皆分别相同。

它们用于测量线性尺寸。

（4）指示表

指示表按其分度盘的分度值分为百分表（分度值为0.01mm）和千分表（分度值为0.005mm、0.002mm或0.001mm），按其外形分为钟表型指示表和杠杆型指示表。

它们利用齿轮传动将测杆的微量直线位移放大转换成指针的角位移，在分度盘上指示出来。

它们用于测量线性尺寸、行位误差和齿轮误差等。

（5）机械比较仪

比较仪按实现原始信号转换的方法分为机械式量仪、光学式量仪、电动式量仪和气动式量仪等几类。

机械比较仪是指用机械方法实现原始信号转换的量仪，如指示表、杠杆齿轮式比较仪和杠杆式比较仪等。

它们用于测量线性尺寸、形位误差和齿轮误差等。

1.1.5几何测量仪的新进展

（1）测量速度高

现代制造业进行的是大规模、大批量、专业化生产，需要多参数、实时在线测量，故要求测试仪器|仪表的测量速度高、设备轻便、操作界面直观。

如激光干涉测量技术作为精密测量的一种重要方法，各种激光干涉测量系统向着轻巧、便携、高测速的方向发展。

雷尼绍XL-80干涉仪款型小巧，可提供4m/s最大的测量速度和50kHz记录速率，可实现1nm的分辨率；激光跟踪仪可实现快速数据采集与处理，有利于测量精度的提高。

各种影像测量设备利用触摸屏可以方便直观地实现特征尺寸的测量。

（2）三维测量多样化

三维测量技术向着高精度、轻型化、现场化的方向发展。

传统基于直角坐标的三坐标测量机经过50年的发展，其技术愈加成熟，测量更加快捷，功能更加强大。

这次参展的国内外数十家坐标测量机生产厂商，各具特色，特别是国内很多厂家推出实用廉价的各种三坐标测量机，说明三坐标测量技术在我国已经走向全面实用化、特色化发展的道路。

除直角坐标测量系统外，极坐标测量仪器体现出自身独特的优势，如FARO、ROMER等厂家生产的激光跟踪仪对大尺寸结构的装备现场具有方便灵活的特点。

对于小尺寸测量，FARO、ROMER等生产的关节臂测量机因其低廉的成本、较高的精度、现场方便的操作等优势，在汽车等行业展现出广阔的应用前景。

（3）测量智能化

测量设备借助于计算机技术向着智能化、虚拟化的方向进一步发展。

测量仪器的虚拟化、接口的标准化以及测量软件的模块化，加速了测量技术的发展，使测量仪器的应用更加方便、直观、智能。

根据测量需求以及测量对象的不同，可基于同一软件平台使用不同的仪器协同工作，采用不同的测量软件模块，实现了广普测量仪器的网络化、协同化，提高了测量的自动化水平。

在这次展会上，国内一些独立的测量软件公司进行了参展，对于测量设备的智能化、网络化具有推动作用。

1.2目前对锥孔端面直径测量装置的研究现状

目前，圆锥孔端面直径的测量装置及测量方法主要有以下几种：

（1）采用锥度塞规的方法测量[2]，这种测量方法简单，但塞规的制造较困难，且不具有通用性。

（2）利用两个精密钢球和通用量具间接测量[3]，这对不同的锥孔要有相应的精密钢球，否则无法进行。

然而在实际测量中，会遇到各种尺寸、锥度不同的锥孔，一般难以提供相应的精密钢球。

（3）采用钢球式锥孔检测工具测量[4]，这种检具测量时需要多次专用的工装，并且检具中的钢球和检套要有不同的规格，测量精度也不是很高。

（4）“钢球、圆柱组合法”[5]，此测量装置需两个大小不同的精密钢球，将它们同圆柱标准心轴或“三针”等进行不同的组合，可测量任意大小的内圆锥孔。

但是此测量装置对钢球和圆柱的要求很高，制造费用较高，且测量时需要计算，测量精度不高。

（5）由深度千分尺、支承套和钢球组成的测量装置测量[6]。

支承套、钢球根据被测量零件有关尺寸及形状配置和更换。

此测量装置使用与具有深度孔的圆锥孔端面直径测量，且测量时需要计算。

1.3本次设计的意义和主要内容

圆锥孔配合在机械设备中应用十分广泛。

圆锥孔的加工虽不及内孔、平面加工那样广泛，但在机械加工中也常遇到，不同用途的锥孔的要求也不一样，在制造圆锥孔工件时，需要控制工件的锥孔直径尺寸（锥孔面与端面交线尺寸），当尺寸精度要求较高时，使用通用量具在生产现场很难实现对该尺寸的精确测量。

而且圆锥孔的端面往往有毛刺或倒角，尤其是有倒角时，所测点在实体上并不存在，转化成测空间交点距离的问题，测空间交点距离也需专用测量工具并进行计算，有时还需在工件上设置工艺孔或工艺凸台，增加了加工工序。

上述的测量方法要么不能进行定量检测、要么需专用检具，而且还不能直接测出数据，需利用所得数据进行计算才可获得所需尺寸，操作不便，测量时间也较长，不利于缩短工时，提高生产率，且不适合生产现场使用，特别是不能在机上检测。

为了解决上述种种问题，立此课题，利用大学所学的相关专业知识设计一种基于虚交点的圆锥孔端面尺寸数显测量装置。

此测量装置可在机直接测量，不需计算，数显直读，且结构简单，测量范围大，有效地解决了生产现场检测锥体端面直径的问题。

2装置的测量原理和结构

2.1装置的测量原理

如图1所示，以圆锥孔大端面直径测量为例。

直线MN和直线PQ位于定位面（定位面与圆锥孔大圆端面共面）内，且直线MN和直线PQ平行。

直线AC与直线MN垂直相交与点A，直线BD与直线PQ垂直相交与点B，且直线AC和直线BD共面，则AB即为圆锥孔大圆端面的直径，又由数学原理可知，AB分别垂直与直线MN和直线PQ，则AB即为直线MN和直线PQ间的距离。

故测圆锥孔大圆端面直径可转化为测两平行直线MN和PQ间的距离。

在设计量具时，卡脚的测量部位（可绕不完全铰链旋转，自动适应圆锥孔锥度的变化，时刻保持与圆锥孔锥面的切线重合）就是主卡脚与圆锥孔圆锥面的切线AC、游标卡脚与圆锥孔圆锥面的切线BD。

主尺和游标尺上的定位面就是图1所示的定位面。

将A、B附近的测量面镂空，即可避开A、B处的毛刺，完成对圆锥孔大圆端面直径的测量。

另外，测的圆锥孔大、小端面直径后，再测得圆锥孔长度，通过简单的数学计算即可得到圆锥孔的锥度。

2.2装置的结构

如下图2所示，测量装置的结构主要有主尺部件、游标部件和数显装置等几部分组成。

1—主测量尺；2—主测量尺半圆盖；3—主测量尺弧形垫片；4—主测量尺不完全铰链固定螺栓；5—主测量卡脚；6—主测量尺半圆盖固定螺栓；1—主测量尺；2—主测量尺半圆盖；3—主测量尺弧形垫片；4—主测量尺不完全铰链固定螺栓；5—主测量卡脚；6—主测量尺半圆盖固定螺栓；7—游标测量尺；8—游标测量尺半圆盖；9—游标测量尺卡脚；10—游标测量尺弧形垫片；11—游标测量尺半圆盖固定螺栓；12—游标测量尺不完全铰链固定螺栓；13—游标体；14—开启清零按钮；15数显关闭按钮；16—数显客体；17—数显锁紧螺钉；18—主尺体；19—磁尺；20—限位挡片；

K—指主、游标测量卡脚工作面，分别与图1中的直线AC、BD对应

L—指向主测量尺和游标测量尺的定位面，与图1所标出的定位面对应

图2圆锥孔大圆端面直径测量装置

主尺部件包括主测量尺1、主测量尺半圆盖2、主测量尺弧形垫片3、主测量尺不完全铰链固定螺栓4、主测量卡脚5、主测量尺半圆盖固定螺栓6和主尺体18等。

主尺体和主测量尺之间通过螺栓固定连接（必须保证在连接固定时主尺体和主测量尺工作面垂直）；主测量尺和主测量尺卡脚之间通过不完全铰链连接（必须保证主测量尺工作面和不完全铰链中心线共面）；主测量尺卡脚工作面K（直线AC）通过不完全铰链中心线；主测量尺上设计有定位面L（定位面），定位面也通过不完全铰链中心线，则不完全铰链的中心线相当于MN。

游标部件组包括游标测量尺7、游标测量尺半圆盖8、游标测量尺卡脚9、游标测量尺弧形垫片10、游标测量尺半圆盖固定螺栓11、游标测量尺不完全铰链固定螺栓12和游标体13等。

游标体和游标测量尺之间通过螺栓固定连接（必须保证游标体工作侧面和游标测量尺定位工作面垂直），游标测量尺和游标测量卡脚之间通过不完全铰链连接，游标测量卡脚的工作面K（直线BD）通过铰链中心线；游标测量尺上设计有定位面L（定位面），定位面也通过铰链中心线，则不完全铰链的中心线相当于PQ。

在加工装配时，必须保证主测量尺定位面和游标测量尺定位面共面，主测量尺不完全铰链中心线和主测量尺定位面共面，游标测量尺不完全铰链中心线和游标测量尺定位面共面，且主测量尺不完全铰链中心线和游标测量尺不完全铰链中心线相互平行。

3装置的测量范围分析

3.1最小测量直径的确定

最小测量直径dmin确定：

量具上不完全铰链的中心距就是所测圆锥孔大圆端面直径。

若测量端面直径过小，在移动游标体时会出现图3所示的情况，造成游标测量尺和主测量尺相撞，故图3所示的情况即为所设计的测量装置所能测量最小直径的情况。

在设计时，取主测量尺不完全铰链中心线与主测量尺右侧相距10mm（参考图3），游标测量尺不完全铰链中心线与游标尺左侧相距10mm（参考图3）。

因此不完全铰链中心线间的最小距离为20mm，所以取最小测量直径为20mm。

3.2最大测量直径的确定

最大测量直径dmax的确定：

量具上不完全铰链的中心距就是所测圆锥孔大圆端面直径。

由对圆锥孔大圆端面测量装置的工作原理分析知，在理论上所设计的测量装置能够测量无限大的圆锥孔端面直径。

但是由于主尺体的厚度只有3mm（参考图5主尺），而游标部件和数显装置的零件较多（参考图6游标部件和数显装置组合体），相对其质量也较大，当测量直径过大时，容易造成主尺体产生弯曲变形，而造成较大的测量误差，不能满足应有的测量精度，故测量直径不能过大。

由于本设计设计任务为：

最大测量直径150mm。

因此本测量装置的最大测量直径取150mm，所设计的磁尺如图4所示。

测量装置测量圆锥孔大端圆孔直径的范围定为：

20mm≤d≤150mm。

图4磁尺

图3圆锥孔大圆端面直径测量装置

图6游标部件和数显装置的组合体

3.3可测圆锥孔的锥度确定

图9为可测圆锥孔最大锥度的工作情况

有图7、8、9可知，在测量圆锥孔大端面圆直径时，有两个原因限制了测量锥度。

原因分别为：

（1）随着测量圆锥孔的锥度的增大，两测量卡脚分别绕着各自的不完全铰链中心线向内旋转，可能会造成两测量卡脚的头部面分别与主测量尺和游标测量尺上的定位面发生干涉；

（2）随着测量圆锥孔的锥度的增大，两测量卡脚向内侧靠近，两卡脚的背面（图示9所示的非工作面）可能相撞而无法继续测量。

本设计要求的最大测量锥度为120°，故测量卡脚在测量时允许的旋转角度需a≥60°。

故由图7可知欲达到最大测量锥度的要求，需r≤30°。

由图9的测量模拟可知，当所测的圆锥孔锥度相等时，圆锥孔大圆端面直径愈小愈容易发生如图9所示的相撞情况。

故只要在所能测量的圆锥孔端面直径最小的情况小，能满足锥度要求，测所设计的测量装置就满足锥度要求。

所以取测量圆锥孔大圆端面的直径为20mm，测量圆锥孔的锥度为120°的情况进行分析。

由图10可知在测量直径为d=20mm和测量锥度为a=120°的情况下，当测量卡脚宽度H=3mm时，卡脚的长度L=9.81mm。

又有图10中的几何关系可知，在卡脚宽度一定的情况下，卡脚长度愈小愈容易保障最大的测量锥度；在卡脚长度一定的情况下，卡脚的宽度愈小愈容易满足最大的测量锥度。

在此测量装置中，卡脚的宽度和长度分别取H=3mm、L=9mm。

由图10可知此测量装置能满足设计所规定的要求（最大测量锥度为a=120°）。

4装置的结构设计

4.1卡脚结构设计

卡脚结构的二维模型如图7所示，卡脚结构的三维模型如图8所示。

在对测量装置圆锥孔的锥度确定中，已经确定了卡脚的宽度、卡脚的长度和卡脚头部的相关尺寸。

参考图1测量装置的工作原理，可知测量卡脚的工作面（AC、BD）与圆锥孔锥面相切，且必须保证两测量工作面相对（共面），测量卡脚工作面和相对应的不完全铰链中心线垂直相交。

所以在设计卡脚结构时把卡脚的工作面（图8卡脚右侧面）设计成刀形，并且保证所设计的卡脚刀形工作面和不完全铰链中心线共面，从而满足设计原理的要求。

4.2不完全铰链结构设计

有测量装置图2可知，不完全铰链的主要作用是保证卡脚绕着规定的中心线（图1中的直线MN、PQ）旋转。

1—测量尺；2—测量尺半圆形盖；3—测量尺弧形垫片；4—测量尺不完全铰链固定螺栓；

5—测量尺卡脚；6—测量尺半圆形盖固定螺栓

图11不完全铰链、卡脚和测量尺的组合结构图

对测量原理的分析知，不完全铰链的中心线和卡脚的刀形工作面垂直相交，因此在不完全铰链固定中，测量尺不完全铰链固定螺栓（图11所示的零件4）的轴线和测量卡脚的刀形工作面共线（如图11所示）。

为了保证不完全铰链中心线和测量尺定位面共面，在设计时采用弧形垫片（图11所示的零件3）来调节控制使测量装置中的不完全铰链中心线和定位面共面。

测量时，卡脚和不完全铰链作为一体以不完全铰链中心线为中心线做圆周运动（如图11所示）。

4.3定位机构设计

L—测量装置的定位面

图12测量装置定位面

图12中的L面即为所设计的定位面，定位面距不完全铰链中心线有一定的距离，这样在测量时，会不受被测圆锥孔端面圆周处倒角和毛刺的影响，从而保证了测量精度。

另一方面，在设计定位面时，尽量减小定位面，否则在测量时，容易受到被测圆锥孔端面的平面度的影响，而造成较大的测量误差。

综合以上因素，设计出的定位