CN106568387B - 一种大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大长径比深孔内型腔和外径形位公差精密检测设备领域，涉及一种大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备及检测方法。该检测设备包括：底座、测杆、内测头及运动机构、外测头及运动机构、工件支撑移动平台、标定环、被测工件以及控制处理单元。其中，工件支撑移动平台可沿X方向带动被测工件运动，内测头及安装运动机构和外测头运动机构沿Z方向运动；标定环用于建立内、外测头之间的联系；控制处理单元用于编制测量程序、采集测量数据并进行数据处理获得需要的工件形位公差。本发明的大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备及检测方法的测量精度高，测量长度长，测量效率高，便于使用。
Description
技术领域
本发明属于大长径比深孔内型腔和外径形位公差精密检测设备领域，涉及一种大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备及检测方法。
背景技术
以航空发动机动力涡轮传动轴为代表的柔性细长轴具有长径比大(大于30)、壁厚薄、告诉动平衡要求高等特点，是发动机高速旋转工件条件下的主要承力件，传递载荷，与叶盘叶片等组成转子，支撑在轴承上做高速旋转，是涡轴航空发动机的核心零件。
柔性细长轴一般都是薄壁空心轴，其内型腔表面设计成通孔或台阶孔，并带有内花键和螺纹等，最小直径小于16mm，长度大于1400mm。内孔圆跳动及直线度要求高达0.03mm，壁厚差不大于0.05mm，亟须对传动轴进行精密检测(检测误差小于0.01mm)。为了检测细长轴的合格率，现有技术中采用三坐标测量机和细长轴深孔壁厚测量装置检测细长轴的合格率。
三坐标测量机测量具体步骤为：将细长轴卧式安装在放置在三坐标平台上的两个V形铁上，测头接细长加长杆伸入深孔内腔进行检测。三坐标检测细长轴合格率的方法有如下几个缺点：
(1)由于单坐标测头传感器连接的加长杆较长，测头的负载大，造成测头不平衡，测量精度和重复精度急剧下降，坐标测量机加长杆最长可达300mm，无法检测到更深的内腔。
(2)三坐标测量壁厚差是通过中心、内外径间接计算得到，存在误差。
细长轴深孔壁厚测量装置测量具体步骤为：将细长轴安装在工作台上的调节支架上，在进行调整轴线和标定后，由测头分别运动到内孔和外圆的不同截面，触发式测量。深孔壁厚测量装置检测有如下缺点：
(1)由于测杆运动，测杆的刚性决定了测量精度，因此，测杆不能过长，无法解决1m以上深孔的测量。
(2)采用接触触发的方式进行测量，在1m的测杆上测量力对测杆的影响较大，影像测量精度。
(3)使用一个测头分别测量内径和外圆，严重影响测量效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便于大长径比空心薄壁细长轴类零件内孔外圆形位公差进行高效精密检测的测量设备和测量方法。
本发明的技术解决方案是，检测设备包括：
底座件，测量组件，
所述底座上具有X向运动导轨、Z轴、Z’轴，X向运动导轨安装在底座上表面，Z轴位于底座一端，Z轴上安装有Z向的Z轴运动导轨，Z轴运动导轨面相底座内侧；X向运动导轨垂直于Z轴运动导轨；Z’轴通过安装在底座上的龙门架支撑于X向运动导轨上，Z’轴上安装有Z’轴运动导轨；
所述测量组件包括被测工件移动平台、内测头及安装运动机构、外测头及安装运动机构、控制处理单元、被测工件以及标定环；
所述被测工件移动平台上具有标定环调整单元和被测工件调整单元的安装导轨，被测工件移动平台安装在底座的X向运动导轨上，被测工件的两端安装在被测工件调整单元上；
所述内测头及安装运动机构，包括内测头、测杆、测杆调整单元和内测头运动机构，内测头安装在测杆前端，测杆后端安装测杆调整单元，测杆调整单元安装在内测头运动机构上，内测头及安装运动机构安装在Z轴的运动导轨上，测杆位于被测工件移动平台上方并从龙门架下方穿过；
所述外测头及安装运动机构，包括外测头、外测头调整单元和外测头运动机构，外测头安装在外测头调整单元上，外测头调整单元安装在外测头运动机构上，外测头及安装运动机构安装在Z’轴运动导轨上；
所述内测头和外测头均沿Z向测量，且内测头和外测头的测量位置为X向同一位置；
所述标定环调整单元和被测工件调整单元安装在被测工件移动平台上的X向运动导轨上，被测工件调整单元安装在X向运动导轨远离Z轴的一端；标定环调整单元安装在被测工件调整单元和Z轴之间；
所述被测工件调整单元为两个V块支撑机构，每个V块支撑机构均安装在一组YZ二维调整机构上，在靠近Z轴端的V块支撑机构具有X向定位用的球轴承；
所述标定环调整单元上有一个V块支撑机构和一组YZ二维调整机构，所述标定环安装在标定环调整单元上并通过V块支撑定位；
所述被测工件的两端安装在被测工件调整单元上，通过被测工件调整单元上的两个V块支撑机构进行支撑，并通过X向定位用的球轴承进行轴向定位。
所述内测头，采用垂直发光的光谱共焦测头。
所述外测头，采用光栅式接触测头。
使用内测头和外测头同时测量被测工件的内壁和外圆。
被测工件、标定环和测杆之间为同轴调节。
被测工件移动平台采用气浮移动进给方式。
内测头及安装运动机构采用气浮移动进给方式。
利用所述的大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备进行检测的方法步骤包括：
放置步骤：根据被测工件的长度调节被测工件调整单元的轴向距离，将被测工件的两端放置在被测工件调整单元的两个V块支撑机构上并用球轴承轴向定位，完成对被测工件的支撑；
调节步骤：调整标定环调整单元使标定环的轴线与X轴平行，调节测杆调整单元使测杆的轴线与标定环的轴线平行，调整被测工件调整单元使被测工件的轴线与测杆的轴线平行；
测量步骤：根据被测工件的检测要求，确定被测工件的测量截面和测量母线，a.移动被测工件移动平台使内测头和外测头同时置于被测工件的第一个测量截面上；b.移动内测头运动机构、外测头运动机构，带动内测头、外测头获取测量壁厚数据；c.移动被测工件移动平台，测量被测工件的下一截面位置，按照步骤b进行测量，直至完成该母线的测量；d.旋转被测工件，重复步骤a、b、c完成其它母线的测量；
计算步骤：根据测量步骤中获得的各个截面的壁厚测量结果，得到各个截面上的壁厚最大值和壁厚最小值的母线位置，并计算最大壁厚值和最小壁厚值的差值，获得该截面的壁厚差，根据截面上各个壁厚测量母线的壁厚结果，以壁厚值为r坐标以母线角度为θ坐标在极坐标系下建立“壁厚圆”，“壁厚圆”圆心到极坐标系原点的偏心量和偏心角度就是该截面内孔与外圆的同轴度误差大小和误差方向，根据多个截面的在极坐标系下建立“壁厚圆柱”，“壁厚圆柱”的轴线与极坐标系Z轴之间的距离就是被测工件的同轴度。
测量步骤中，先将测杆完全穿过被测工件，从被测工件远离Z轴的一端作为第一个被测截面开始测量，向远离Z轴的方向移动被测工件移动平台，依次测量各个被测截面，直至测量完成。
从以上描述中，可以看出，本发明上述实施例实现了如下技术效果：
(1)采用本测量设备，可以达到测量精度达到2μm，测量数据稳定，测量重复性±2μm；
(2)采用本测量设备，能完成长度最长1.5m，直径最小15mm的大长径比空心薄壁细长轴的壁厚、内孔母线直线度、轴线直线度、内孔外圆同轴度的测量，测量结果可以反映零件加工效果也可以用于指导零件加工、修复；
(3)测量方法合理，自动化程度高，可靠性强，方便掌握，便于推广；
(4)装夹找正过程采用加工过程中的基准，对于同一批次零件，在进行一次找正后即可采用统一测量程序进行重复测量；
(5)采用内、外测头同步测量的方式，提高测量效率；
(6)采用工件进给的方式，减少测量过程中测杆的运动，缩短测量过程中等待测杆稳定的时间，提高测量效率；
(7)采用与被测零件壁厚相近的标定环，减小测量过程中由于标定误差引起的测量误差；
(8)采用碳纤维材料制作测杆，降低测杆变形对测量范围的影响；
(9)采用气浮平台作为内测头运动平台，减小运动过程中气浮平台的振动，提高测量过程中内测头的稳定性，提高测量精度和测量效率。
附图说明
图1大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备运动坐标系说明。
图2大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备结构示意图。
图3被测工件移动平台结构示意图。
图4内测头及安装运动机构结构示意图。
图5外测头及安装运动机构结构示意图。
图6被测工件调整单元结构示意图。
图7标定环调整单元结构示意图。
图8被测工件及被测截面位置标注。
图9被测工件被测母线标注。
具体实施方式
需要说明的是，再不冲突的情况，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明
参见图1、图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备，包括：底座00；被测工件移动平台21，安装在底座00上，用于带动被测工件24沿底座00X向进给；内测头及安装运动机构22，安装在底座00上，安装内测头13并带动内测头13在Z向进给；外测头及安装运动机构23，安装外测头17带动外测头17在Z向进给；被测工件调整单元11，安装在被测工件移动平台21上，在垂直被测工件24运动方向调整被测工件24轴线；标定环调整单元10，Y向调整标定环位置；测杆调整单元15，调整测杆轴线方向；外测头调整单元18在X向和Y向调整外测头17测量位置；在调整各调整单元使标定环25、测杆14、被测工件24轴线与X轴平行后，被测工件移动平台21带动被测工件24运动到所需测量的截面，内测头13、外测头17完成测量后，再移动到下一截面，测量完成一条母线后手动转动被测工件24，继续测量下一母线；控制处理单元控制设备自动运动到需要的测量位置进行测量，并采集测量结果。
进一步地，内测头13，采用垂直发光的光谱共焦测头。
进一步地，外测头17，采用光栅式接触测头。
进一步地，使用内测头13和外测头17同时测量被测工件24的内壁和外圆。
进一步地，被测工件24、标定环25和测杆14之间为同轴调节。
进一步地，被测工件移动平台21采用气浮移动进给方式。
进一步地，内测头及安装运动机构22采用气浮移动进给方式。
根据本发明的另一面，提供了一种大长径比空心薄壁细长轴精密检测方法，大长径比空心薄壁细长轴精密检测方法由上述的大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备实现，步骤包括：
放置步骤：根据被测工件24的长度调节被测工件调整单元11的轴向距离，将被测工件24的两端放置在被测工件调整单元11的两个V块支撑机构30上并用球轴承轴32向定位，完成对被测工件24的支撑；
调节步骤：调整标定环调整单元10使标定环25的轴线与X轴平行，调节测杆调整单元15使测杆14的轴线与标定环25的轴线平行，调整被测工件调整单元11使被测工件24的轴线与测杆14的轴线平行；
测量步骤：根据被测工件24的检测要求，确定被测工件24的测量截面和测量母线，a.移动被测工件移动平台21使内测头13和外测头17同时置于被测工件24的第一个测量截面上；b.移动内测头运动机构、外测头运动机构，带动内测头13、外测头17获取测量壁厚数据；c.移动被测工件移动平台21，测量被测工件24的下一截面位置，按照步骤b进行测量，直至完成该母线的测量；d.旋转被测工件24，重复步骤a、b、c完成其它母线的测量；
计算步骤：根据测量步骤中获得的各个截面的壁厚测量结果，得到各个截面上的壁厚最大值和壁厚最小值的母线位置，并计算最大壁厚值和最小壁厚值的差值，获得该截面的壁厚差，根据截面上各个壁厚测量母线的壁厚结果，以壁厚值为r坐标以母线角度为θ坐标在极坐标系下建立“壁厚圆”，“壁厚圆”圆心到极坐标系原点的偏心量和偏心角度就是该截面内孔与外圆的同轴度误差大小和误差方向，根据多个截面的在极坐标系下建立“壁厚圆柱”，“壁厚圆柱”的轴线与极坐标系Z轴之间的距离就是被测工件的同轴度。
进一步地，测量步骤中，先将测杆完全穿过被测工件24，从被测工件24远离Z轴的一端作为第一个被测截面开始测量，向远离Z轴的方向移动被测工件移动平台21，依次测量各个被测截面，直至测量完成。
实施例
被测工件参见附图8，图中所示41为第一测量截面，42为第二测量截面，要求测量两个截面上的壁厚差，并根据两个截面的壁厚差数据拟合出被测工件24外圆和内壁的同轴度，每个截面上测量90°等分的4个测量点。
首先，将被测工件24的两端放置在被测工件调整单元11的两个V块支撑机构30上并用球轴承轴32向定位，完成对被测工件24的支撑；
进一步地，调整标定环调整单元10使标定环25的轴线与X轴平行，调节测杆调整单元15使测杆14的轴线与标定环25的轴线平行，调整被测工件调整单元11使被测工件24的轴线与测杆14的轴线平行；
进一步地，a.移动被测工件移动平台21使内测头13和外测头17同时置于被测工件24的第一测量截面41上；b.移动内测头运动机构、外测头运动机构，带动内测头13、外测头17获取测量壁厚数据；c.移动被测工件移动平台21，测量被测工件24的第二测量截面42；d.移动内测头运动机构、外测头运动机构，带动内测头13、外测头17获取测量壁厚数据；90°旋转被测工件24，重复步骤a、b、c、d完成另外间隔90°的3条母线的测量；获得测量数据如下所示：
根据测量步骤中获得的各个截面的壁厚测量结果，得到各个截面上的壁厚最大值均为母线44位置和壁厚最小值均为母线46位置，并计算最大壁厚值和最小壁厚值的差值，获得该第一被测截面41和第二被测截面42的壁厚差均为0.002mm，根据截面上各个壁厚测量母线的壁厚结果，以壁厚值为r坐标以母线角度为θ坐标在极坐标系下建立“壁厚圆”，“壁厚圆”圆心到极坐标系原点的偏心量为和偏心角度就是该截面内孔与外圆的同轴度误差大小和误差方向，第一被测截面41和第二被测截面42的偏心量均为0.001mm，偏心方向均为圆心只向母线46的方向，根据2个测量截面的在极坐标系下建立“壁厚圆柱”，“壁厚圆柱”的轴线与极坐标系Z轴之间的距离就是被测工件的同轴度，根据2个测量截面形成的“壁厚圆柱”，“壁厚圆柱”轴线与极坐标系Z轴平行，距离0.001mm，因此，该被测工件内壁和外圆的同轴度误差为0.001mm。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则内，所做的任何修改等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备，其特征在于，检测设备包括：底座(00)件，测量组件，
所述底座(00)上具有X向运动导轨、Z轴、Z’轴，X向运动导轨安装在底座(00)上表面，Z轴位于底座(00)一端，Z轴上安装有Z向的Z轴运动导轨，Z轴运动导轨面相底座(00)内侧；X向运动导轨垂直于Z轴运动导轨；Z’轴通过安装在底座(00)上的龙门架支撑于X向运动导轨上，Z’轴上安装有Z’轴运动导轨；
所述测量组件包括被测工件移动平台(21)、内测头及安装运动机构(22)、外测头及安装运动机构(23)、控制处理单元、被测工件(24)以及标定环(25)；
所述被测工件移动平台(21)上具有标定环调整单元(10)和被测工件调整单元(11)的安装导轨(12)，被测工件移动平台(21)安装在底座(00)的X向运动导轨上，被测工件(24)的两端安装在被测工件调整单元(11)上；
所述内测头及安装运动机构(22)，包括内测头(13)、测杆(14)、测杆调整单元(15)和内测头运动机构(16)，内测头(13)安装在测杆前端，测杆(14)后端安装测杆调整单元(15)，测杆调整单元(15)安装在内测头运动机构(16)上，内测头及安装运动机构(22)安装在Z轴的运动导轨上，测杆位于被测工件移动平台(21)上方并从龙门架下方穿过；
所述外测头及安装运动机构(23)，包括外测头(17)、外测头调整单元(18)和外测头运动机构(19)，外测头(17)安装在外测头调整单元(18)上，外测头调整单元(18)安装在外测头运动机构(19)上，外测头及安装运动机构(23)安装在Z’轴运动导轨上；
所述内测头和外测头均沿Z向测量，且内测头和外测头的测量位置为X向同一位置；
所述标定环调整单元(10)和被测工件调整单元(11)安装在被测工件移动平台(21)上的X向运动导轨上，被测工件调整单元(11)安装在X向运动导轨远离Z轴的一端；标定环调整单元(10)安装在被测工件调整单元(11)和Z轴之间；
所述被测工件调整单元(11)为两个V块支撑机构(30)，每个V块支撑机构均安装在一组YZ二维调整机构(31)上，在靠近Z轴端的V块支撑机构具有X向定位用的球轴承(32)；
所述标定环调整单元(10)上有一个V块支撑机构(30)和一组YZ二维调整机构(31)，所述标定环(25)安装在标定环调整单元(10)上并通过V块支撑定位；
所述被测工件(24)的两端安装在被测工件调整单元(11)上，通过被测工件调整单元(11)上的两个V块支撑机构(30)进行支撑，并通过X向定位用的球轴承(32)进行轴向定位；检测的方法步骤包括：
放置步骤：根据被测工件(24)的长度调节被测工件调整单元(11)的轴向距离，将被测工件(24)的两端放置在被测工件调整单元(11)的两个V块支撑机构(30)上并用球轴承轴(32)向定位，完成对被测工件(24)的支撑；
调节步骤：调整标定环调整单元(10)使标定环(25)的轴线与X轴平行，调节测杆调整单元(15)使测杆(14)的轴线与标定环(25)的轴线平行，调整被测工件调整单元(11)使被测工件(24)的轴线与测杆(14)的轴线平行；
测量步骤：根据被测工件(24)的检测要求，确定被测工件(24)的测量截面和测量母线，a.移动被测工件移动平台(21)使内测头(13)和外测头(17)同时置于被测工件(24)的第一个测量截面上；b.移动内测头运动机构、外测头运动机构，带动内测头(13)、外测头(17)获取测量壁厚数据；c.移动被测工件移动平台(21)，测量被测工件(24)的下一截面位置，按照步骤b进行测量，直至完成该母线的测量；d.旋转被测工件(24)，重复步骤a、b、c完成其它母线的测量；
计算步骤：根据测量步骤中获得的各个截面的壁厚测量结果，得到各个截面上的壁厚最大值和壁厚最小值的母线位置，并计算最大壁厚值和最小壁厚值的差值，获得该截面的壁厚差，根据截面上各个壁厚测量母线的壁厚结果，以壁厚值为r坐标以母线角度为θ坐标在极坐标系下建立“壁厚圆”，“壁厚圆”圆心到极坐标系原点的偏心量和偏心角度就是该截面内孔与外圆的同轴度误差大小和误差方向，根据多个截面的在极坐标系下建立“壁厚圆柱”，“壁厚圆柱”的轴线与极坐标系Z轴之间的距离就是被测工件的同轴度。
2.根据权利要求1所述的大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备，其特征在于，所述内测头(13)，采用垂直发光的光谱共焦测头。
3.根据权利要求1所述的大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备，其特征在于，所述外测头(17)，采用光栅式接触测头。
4.根据权利要求1所述的大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备，其特征在于，使用内测头(13)和外测头(17)同时测量被测工件(24)的内壁和外圆。
5.根据权利要求1所述的大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备，其特征在于，被测工件(24)、标定环(25)和测杆(14)之间为同轴调节。
6.根据权利要求1所述的大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备，其特征在于，被测工件移动平台(21)采用气浮移动进给方式。
7.根据权利要求1所述的大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备，其特征在于，内测头及安装运动机构(22)采用气浮移动进给方式。
8.根据权利要求1所述的一种大长径比空心薄壁细长轴精密检测设备，其特征在于，方法步骤中，先将测杆完全穿过被测工件(24)，从被测工件(24)远离Z轴的一端作为第一个被测截面开始测量，向远离Z轴的方向移动被测工件移动平台(21)，依次测量各个被测截面，直至测量完成。
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