【正文】 兩大類。無(wú)直線 基準(zhǔn)測(cè)量和有直線測(cè)量基準(zhǔn)。 無(wú)直線基準(zhǔn)測(cè)量法： 是指被測(cè)對(duì)象直線度的測(cè)量不是與某種直線基準(zhǔn)進(jìn)行比較 ,而是沿被測(cè)表面以線值測(cè)量的方法 ,得到被測(cè)表面上各采樣點(diǎn)的偏差值 ,然后經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到被測(cè)對(duì)象的直線度誤差值。無(wú)直線基準(zhǔn)測(cè)量主要采用誤差分離法。所謂誤差分離法是指從測(cè)量結(jié)果中將標(biāo)準(zhǔn)量的誤差和被測(cè)量的誤差分離開(kāi)來(lái) ,從而提高測(cè)量精重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 管材直線度檢測(cè)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 度和測(cè)量效率。按照信息獲得的途徑不同 ,無(wú)直線基準(zhǔn)測(cè)量法又可分為反向法、錯(cuò)位法和多測(cè)頭法。反向法是將被測(cè)零件進(jìn)行兩次安裝 ,并分別進(jìn)行兩次測(cè)量 ,兩次安裝的位置正好反向 ,經(jīng)數(shù)據(jù)處理求出被測(cè)零件的直線 度誤差。根據(jù)采用的直尺的數(shù)量 ,又可分為單尺法 ,雙尺法和三尺法。 移位法是通過(guò)被測(cè)零件的起始測(cè)量位置的變動(dòng)進(jìn)行兩次測(cè)量 ,即第 1 次測(cè)量后 ,被測(cè)件向前平移一跨距 ,再進(jìn)行第 2 次測(cè)量 ,經(jīng)數(shù)據(jù)處理可消除測(cè)量基準(zhǔn)本身的直線的誤差 ,求出被測(cè)件的直線度誤 多測(cè)頭法也叫多測(cè)點(diǎn)法 ,如圖 。在測(cè)量架上安裝多個(gè)測(cè)頭 (A, B ) ,然后以測(cè)頭間距 (L )為步長(zhǎng)逐次測(cè)量 ,各次測(cè)量的首尾端點(diǎn)相接 ,并記錄下每個(gè)測(cè)頭的讀數(shù) ,然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行誤差分析 ,可同時(shí)得到被測(cè)表面的直線度和測(cè)量架的直線度偏差線。 圖 多測(cè)頭法測(cè)直線度原理圖 有直線基準(zhǔn)測(cè)量 :直線基準(zhǔn)測(cè)量法是直接采用一定的直線基礎(chǔ) ,并以此基準(zhǔn)來(lái)檢測(cè)被測(cè)表面的直線度偏差 (線差或角度值 ) ,從而獲得被測(cè)表面的直線度誤差值。所采用的直線基準(zhǔn)通常有三種 :實(shí)物基準(zhǔn)、重力水平基準(zhǔn)和光線基準(zhǔn) 光隙法是用刀口尺作為理想直線測(cè)量直線度誤差的一種方法，如圖 。直線度誤差大小可通過(guò)測(cè)刀口與表面間光隙的大小來(lái)判斷 ,誤差值大小由比對(duì)法獲得。在良好的照明條件下 ,可以清楚地判斷出 1μ m的微小間隙。 圖 光隙法測(cè)直線度示意圖 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 管材直線度檢測(cè)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 節(jié)距法把被測(cè)要素按一定長(zhǎng)度 (節(jié)距 )劃分為若干等分 ,然后使其測(cè)量微小角度的儀器測(cè)出各等分段相對(duì)于自然水平基準(zhǔn)或某一固定光軸的傾角 ,再根據(jù)等分的長(zhǎng)度將各段的角值偏差換算為線值偏差 ,最后根據(jù)該組線值偏差數(shù)據(jù)評(píng)定被測(cè)要素的直線度誤差。 三坐標(biāo)法。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是近二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種以精密機(jī)械為基礎(chǔ) ,結(jié)合光柵與激光干涉技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的測(cè)量設(shè)備。利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) (或機(jī)床 )的高精度導(dǎo)軌作為直 線基準(zhǔn) ,在工作臺(tái)沿床身導(dǎo)軌移動(dòng)過(guò)程中 ,利用固定不動(dòng)的測(cè)微表測(cè)量被測(cè)件表面各采樣點(diǎn)的偏差值。該法具有高精度、測(cè)量靈活、系統(tǒng)柔性好的優(yōu)點(diǎn) ,但測(cè)量屬于接觸測(cè)量 ,對(duì)于定位點(diǎn)的確定需要一定技巧 ,測(cè)量速度較慢。隨著測(cè)量工件的增大 ,系統(tǒng)往往需要配有高精度的長(zhǎng)導(dǎo)軌 ,不適合于在線實(shí)時(shí)測(cè)量 ,適合于離線抽檢 激光準(zhǔn)直儀法是以激光光束的能量中心線為直線基準(zhǔn) ,如圖 。它是由光電位置敏感元件進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量原理為 :由氦 2氖激光器發(fā)出的一束激光經(jīng)準(zhǔn)直后射向目標(biāo)測(cè)量靶 ,該靶中心有一塊圓形四象限硅光電池 ,兩兩相對(duì)的硅光電池接成差動(dòng)式 。其中心與靶子的機(jī)械軸線重合。上、下一對(duì)硅光電池 ,可用來(lái)測(cè)量靶子相對(duì)于激光束在垂直方向上的偏移 。左、右一對(duì)硅光電池 ,可用來(lái)測(cè)量靶子相對(duì)于激光束在水平方向上的偏移。 圖 激光準(zhǔn)直儀法測(cè)直線度 當(dāng)光電接收靶中心與激光束能量中心重合時(shí) ,相對(duì)的兩個(gè)光電池接收能量相同 ,因此輸出光電信號(hào)相等 ,無(wú)信號(hào)輸出 ,指示電表指示為零。當(dāng)靶子中心偏移激光束能量中心時(shí) ,相對(duì)的兩個(gè)光電池有差值信號(hào)輸出 ,通過(guò)運(yùn)算電路可用指示表指示出數(shù)值或用紀(jì)錄儀紀(jì)錄下曲線。因此 ,測(cè)量時(shí)首先將儀器與 靶子調(diào)整好 ,然后將靶子沿被測(cè)表面重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 管材直線度檢測(cè)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 測(cè)量方向移動(dòng) ,便能得到直線度誤差的原始數(shù)據(jù)。 直線度測(cè)量國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 世界各個(gè)國(guó)家對(duì)直線度測(cè)量領(lǐng)域一直予以高度重視 ,并不斷推出新型高精度直線度測(cè)量方法和裝置 ,以滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求。目前國(guó)內(nèi)外在圓度、平行度以及表面粗糙度等計(jì)量領(lǐng)域甚至已達(dá)到納米級(jí)測(cè)量精度水平 ,然而直線度的測(cè)量精度卻不高 ,特別是在大長(zhǎng)度范圍的直線度測(cè)量領(lǐng)域 ,其精度水平更遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他計(jì)量項(xiàng)目。國(guó)際上只有美國(guó) N IST,德國(guó) PTB,原蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局 ,美國(guó)勞侖斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 ,日本 Osaka 大學(xué) ,美國(guó) Lockheed 火箭和空間公司等達(dá)到了 011μ m /m 或更高的精度水平。我國(guó)目前仍采用長(zhǎng)平晶組分段互檢方法作為直線度檢定基準(zhǔn) ,測(cè)量精度不高 (特別是在測(cè)量大尺寸零件時(shí)尤為明顯 ) 。這種狀況嚴(yán)重制約著我國(guó)精密計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展步伐。因此 ,對(duì)國(guó)內(nèi)直線度測(cè)量方法進(jìn)行研究 ,具有重要的意義。 縱觀國(guó)內(nèi)外所報(bào)導(dǎo)的直線度測(cè)量方法 ,測(cè)量精度低于 015μ m /m 的為一般精度水平 ,高于 015μ m /m 的屬高精度測(cè)量 ,而高于 011μ m /m 者屬國(guó)際先進(jìn)水平。但由于測(cè)量方法種類繁多 ,目前尚未見(jiàn)到統(tǒng)一而合理的分類方 法。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 管材直線度檢測(cè)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 2 總體方案設(shè)計(jì) 相關(guān)參數(shù) 管材直徑為 1040mm，管長(zhǎng) 4000mm。要求直線度誤差小于 。 檢測(cè)方案設(shè)計(jì) 已有測(cè)量方案的分析 :天津大學(xué)在這方面的測(cè)試技術(shù)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)?；谝曈X(jué)測(cè)試技術(shù)度無(wú)縫鋼管直線度進(jìn)行了在線測(cè)量，測(cè)量了鋼管兩端 1 米范圍的直線度，兩端定位，如下圖所示 所示。 圖 測(cè)量示意圖 測(cè)量時(shí)鋼管由圓柱支 撐導(dǎo)軌支撐，鋼管到位后，由計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)，控制兩端的5 個(gè)視覺(jué)傳感器，快速采集 10 個(gè)光平面與鋼管相截得橢圓弧圖像，計(jì)算機(jī)對(duì) 10 副圖像進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)一定算法，得到直線度誤差。 上述方案分析有以下不足：（ 1）由于采用單線結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理，只能對(duì)鋼管截面的極小段圓弧采集數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí)得到的圓心數(shù)據(jù)不精確。（ 2）由于采用了同時(shí)段測(cè)量，數(shù)據(jù)量太大造成系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。 基于上述方案的研究，做出一些改進(jìn)。具體為：在管材的兩側(cè)各安裝一個(gè)視覺(jué)傳感器，兩個(gè)視覺(jué)傳感器的光源中心在同一條直線上，這樣兩個(gè)視 覺(jué)傳感器就形成一個(gè)傳感器組，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，對(duì)管材截面的信息獲得量大大增加，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)后得到的圓心數(shù)據(jù)精確度顯著提高。原理圖如 所示。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 管材直線度檢測(cè)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 圖 測(cè)量原理圖 將這個(gè)傳感器組安裝在一個(gè)可移動(dòng)的支架上，隨著支架的移動(dòng)，逐段的測(cè)量截面，得到多個(gè)截面的圓心數(shù)據(jù)。 檢測(cè)機(jī)結(jié)構(gòu)及機(jī)床總布置圖如圖 所示。 圖 機(jī)床總體布置圖 管材由三個(gè)支架支撐，在最右端有一個(gè)擋塊，主要作用是：放置管材時(shí)起一個(gè)定位的作用， 上下兩個(gè)對(duì)組式傳感器安裝在移動(dòng)的滑臺(tái)上，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲桿的旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過(guò)絲桿螺母的配合使滑臺(tái)向左移動(dòng)，當(dāng)程序設(shè)定的脈沖輸入結(jié)束，電機(jī)停止， LD 激光發(fā)射器發(fā)出激光， CCD 攝像機(jī)攝像，數(shù)據(jù)處理后，傳輸給計(jì)算機(jī)，通過(guò)兩個(gè) CCD 得到的數(shù)據(jù)得到第一個(gè)截面圓心的數(shù)據(jù)。如此循環(huán) 15 次后，得到 15 個(gè)截面圓心的空間坐標(biāo)，計(jì)算機(jī)得到這 15 個(gè)空間圓心坐標(biāo)，再通過(guò)一定的算法就可得到管材的直線度誤差。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 管材直線度檢測(cè)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 3 檢測(cè)機(jī)設(shè)計(jì) 測(cè)量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 要實(shí)現(xiàn)視覺(jué)傳感器的水平直線運(yùn)動(dòng)，只需要它安裝的滑 臺(tái)實(shí)現(xiàn)即可完成 .選擇絲桿和直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 。 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主體是螺旋傳動(dòng)裝置，即絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)裝置。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使得步進(jìn)電機(jī)的角位移轉(zhuǎn)化為左右方向的直線位移。步進(jìn)電機(jī)具有慣性小，不需制動(dòng)裝置，啟動(dòng)性能好，能頻繁瞬間啟動(dòng)、倒轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)由脈沖信號(hào)觸發(fā)控制。它的轉(zhuǎn)動(dòng)角度由脈沖數(shù)量決定，轉(zhuǎn)速只和脈沖頻率有關(guān)，而和電壓、電流等的大小及波動(dòng)沒(méi)有直接關(guān)系，誤差不會(huì)積累。所以 采用步進(jìn)電機(jī)。 機(jī)身部件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)工況震動(dòng)小，兩軸的對(duì)中性要求高，根據(jù)電機(jī)軸以及絲 桿的軸徑初步選擇剛性聯(lián)軸器 YL7。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中軸承主要承受軸向載荷，根據(jù)受力的特點(diǎn)選擇深溝球軸承，型號(hào)為 :6008。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要承受的載荷不大，定位精度高，因此選用三角形導(dǎo)軌和平面導(dǎo)軌的組合。考慮到本設(shè)計(jì)中導(dǎo)軌行程尺寸過(guò)大，選擇專用導(dǎo)軌。電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠的螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。選用滾珠絲桿副。 絲桿旋轉(zhuǎn)螺母相對(duì)移動(dòng)。 計(jì)算選型 電機(jī)的計(jì)算選型 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初選導(dǎo)程為 5mm 的絲杠。 a 為步進(jìn)電機(jī)步距角，初選為 176。；傳動(dòng)比 i=1。 初設(shè)滑臺(tái)工作速度 V=導(dǎo)程 p=5mm 轉(zhuǎn)速 n=pV=2r/s ； 式（ ) n=pf60 ； 式（ ) f=8Hz f 為脈沖頻率 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 管材直線度檢測(cè)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 P 為電機(jī)極對(duì)數(shù) 根據(jù)計(jì)算可得滑臺(tái)與支架的質(zhì)量約 200Kg，即 m=200Kg。 滑臺(tái)與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù) u= f=umg=10N 絲杠直徑 D=50mm 導(dǎo)程 p=5mm 根據(jù)力的三角形原理： 轉(zhuǎn)動(dòng)力 M=10X505 =1N 驅(qū)動(dòng)力矩 Mt==