直线度控制

直线度控制（精选7篇）

直线度控制 篇1

前言

塔器属于高耸结构, 直线度的控制可最大限度地减小弯曲应力, 是塔器安全运行的必要条件, 也是产品质量的关键。生产制作过程中分析发现各筒节尺寸、圆度、对接环缝的质量、间隙是影响直线度的主要因素。

1 钛制精馏塔结构及特性

钛制精馏塔由钢裙座、钛裙座、钛封头、钛筒体及接口、内件构成, 全长21.05m, 内径2.6m。钛塔体 (包括钛裙座、钛封头、钛筒体) 总长为19m, 由三种不同板厚 (δ=10mm, δ=8mm, δ=6mm) 组成, 中间无法连接。受设施、厂房限制, 不能采用直线度较易保证的立装, 只可卧装, 制作较为困难。钛制容器在同容积容器中具有筒壁较薄、弹性、挠性较大, 焊缝塑性差的特点, 这些都是钛制精馏塔生产过程中的技术难点。

2 钛制精馏塔塔体直线度控制

2.1 筒节尺寸控制

由于塔体板厚较薄, 易椭圆, 不易组对, 加工过程中最大限度地减少焊缝, 不但可以使塔体直线度较易保证, 还能使开孔避开焊缝, 极大地降低了开孔及其焊接变形对直线度的影响, 因此不用宽度为1.0m的常规钛板, 采用定尺宽钛板, 最上端筒节下料预留长度, 根据图纸及开孔情况布料情况如图1 (两纵缝之间的距离大于300mm) 。

此外由于塔体板厚不同, 各筒节下料应待封头冲压后, 实测计算出封头直径, 各筒节按中径尺寸配下。采用实样法直接在板料上1:1划线, 用效验过的同一把直尺、卷尺多次测量后确定。在板料可去除部分打样冲眼, 划线深度不大于0.1mm。。各筒节四边拼接坡口不可手工打磨后修型, 使用龙门刨找正后刨边成型。每块板料板尽量为矩型, 其对角线差≤2mm, 从源头上控制塔体直线度。

2.2 各筒节园度控制

钛板卷筒为冷态弯曲, 使用的对轴式三辊卷板机主要缺点是板料两端有较长一段直边, 钛材焊缝的塑性比钢材低, 校圆量不能太大, 要求焊接前对接面基本达到成品圆弧形状。经多次试验, 用已弯至成品圆弧尺寸的垫板对板料两端先进行预弯, 垫板厚度为板料的两倍, 有效地减少了直边长度, 对接边圆弧基本达到要求。

卷筒时, 需采用少压多滚的原则, 逐次调整上滚的压下量, 不可过量。以免过弯而形成搭接;随时校正圆弧母线与端边平行, 端口轴向错位≤1~2mm。由于钛板较薄, 弹性大, 卷筒时常出现翻边及鼓肚现象。用一块同宽度的铁皮随卷使筒节各部分受力均匀, 可以很好地解决这一问题。

筒节由于自重而变形, 内部用十字撑撑圆, 两端用L型固定卡固定, 中部用T字型调整卡调整好对口错边量、间隙后点焊, 如图2所示。b根据板厚定, δ10mm为5mm;δ8mm, 为4mm;δ6mm, 为3mm, 为使筒节的圆度更加理想, 筒节焊后还要校型。为防止校型过程中焊缝出现裂纹, 最后二遍封焊待校型后进行。

2.3 焊缝质量控制

塔体钛焊缝采用手工钨极氩弧焊, 焊接电流为140-160A, 电压24-28V, 99.99%纯氩正反两面保护。为达到最小焊接变形, 使用TA2的准3mm焊丝, 少量多道次焊接。板厚10mm, 外面焊5遍, 8mm四遍, 6mm三遍, 筒内都熔一遍。焊缝按JB/T4730-2005《压力容器无损检测》标准100%射线探伤, Ⅱ级合格。焊接后测量发现有卡具固定的焊缝收缩量比没有卡具保护的减小约40%-70%, 但由于钛材具有一定的延性, 可塑性变形, 因此卡具固定产生的内应力并不影响产品的强度。焊接时, 在一些需要的部位点焊加固拉筋, 其材料与筒节相同。

钛材首遍焊缝引起的变形最大, 后几遍的变形方向与其一致。焊完第一遍后, 里面先熔焊, 再焊第二遍, 最大限度地减小焊接变形。环缝对接时将两个筒节沿外周均匀地至少分8等分, 点焊等份点, 再根据错边情况在等份点之间增加点焊点。使周长较长筒节的长出部分可沿圆周均匀分布, 不集中在一起。制作相应的卡具保证对口错变量、棱角度及间隙。如图3所示。

2.4 环焊缝对接间隙控制。

环焊缝对接在托辊上, 水平仪测平后进行。钛材焊缝的横向收缩量随焊缝宽度的增加而增加。对接筒节四等分点长度基本一致的情况下, 第一遍焊接从间隙最小处开始。环缝每焊完一遍, 都需根据再次测量的结果确定下一遍焊接的起焊点。

塔体四等分点长、短处若相差3mm以上, 从长处开始焊, 根据情况可在其他部位焊两遍后再焊最短处, 以使长处收缩, 短处间隙的收缩受到牵制测量四点长度始终用筒体的一个端面为基准, 当这个端面无法再用时, 从该端面向筒体内部引线, 以保证测量基准不变。按国标要求方法测量直线度, 测量点离纵焊缝的距离不小于100mm, 因筒体厚度不同, 计算直线度需减去厚度差。经过检查直线度完全达到要求。

3 结束语

3.1 下料时, 保证每块板料都是矩形, 是筒体直线度能得到保证的理论基础。

3.2 利用工装夹具, 采取必要的措施, 严格控制各筒节椭圆度为筒体直线度的保证奠定了基础。

3.3 合理的焊接工艺, 控制好环焊缝间隙, 使塔体直线度要求圆满实现。

摘要：本文从钛制大型塔器的特殊要求, 依据钛材特性, 在生产加工过程中考虑了影响其直线度的各因素, 并采取了相应措施, 为此类设备的制造积累了可供借鉴的方法和经验。

关键词：钛塔体,直线度控制,研究分析

参考文献

[1]GB150-1998.钢制压力容器[S].

[2]JB/T4745-2002.钛制焊接容器[S].

[3]郑品森.化工机械制造工艺[M].北京:化学工业出版社, 1978.

长轴直线度检测系统 篇2

轴类零件是工业生产中常见的一类零件。长轴零件的直线度是该类零件质量的一个重要指标。如无缝钢管生产中使用的芯棒,其直线度对无缝钢管的质量(钢管壁厚的均匀度、内壁的光洁度等)有很大影响。

直线度检测有许多方法。文献[1]介绍了采用四象限检测装置进行直线度检测的方法;文献[2]介绍了一种新的基于离轴成像技术的远距离、大范围二维直线度测量仪;文献[3]介绍了采用转台检测大尺寸回转体型面点坐标及形芯轴线的方法;文献[4]介绍了在采用激光检测直线度时,如何消除空气抖动带来的影响;还有综合各种技术的许多其它方法[5,6,7,8,9,10]。本文介绍一种采用十字线激光束作为直线基准进行长轴直线度检测的方法,该方法结构简单,操作方便,测量准确。

2 检测系统结构和工作原理

检测系统由激光源、检测小车、激光测距反射靶和计算机等组成,如图1所示。

十字线激光源置于被测长轴的一端,激光测距反射靶置于被测长轴的另一端,检测小车可以在被测长轴上移动。

检测小车的结构如图2所示。支架左右两侧成90°角,每侧装有两根滚动轴。支架的正上方装有CCD摄像机,用来获取十字线激光器发出的十字线激光束图像。支架上另外安装了一台激光测距仪,检测小车在被测长轴上移动时,激光测距仪发出的激光经激光测距反射靶的反射后被激光测距仪接收,测量检测小车的位置。检测小车上的水泡在检测初始时提供角度基准。

检测时,先调整激光源的位置和角度,保证检测小车在被测长轴的各个检测位置(一般只需保证两端点处)十字线均在CCD摄像机的有效范围内;输入被测长轴的直径,允许被测长轴各处的直径不同,但在直径变化时只需输入一次即可。对于第一测量点(位置可以是任意的),尽可能将水泡调平(对于其余测量点并无此要求,只需保证图像完整即可)后开始该点的测量。然后,再将检测小车移动到欲检测位置进行其它各点的测量。计算机依据CCD摄像机获取的十字线激光图像计算出十字线中心点(交叉点)的坐标和水平线的倾角,结合激光测距仪给出的位置等信息,计算出被测长轴的直线度参数。

3 检测数据处理

长轴直线度检测系统的检测数据处理主要由两部分组成。一是对十字线激光图像的处理,主要目的是检测出图像的中心点(十字线交叉点)的坐标和水平线的倾角;二是将在各检测点获取的中心点坐标和水平线倾角进行处理,获取被测长轴的直线度参数。

3.1 图像处理

图像处理时,首先要进行边缘检测。文献[11]~[14]介绍和总结了一些边缘检测方法。针对十字线激光图像和工程应用的特点,边缘检测必须准确、快捷。为此,我们采用“屋脊形”边缘点(即十字线上最大亮度点)按以下步骤进行图像处理:

第一,确定检测起始直线。这实际上是寻找十字线中两条直线的大致中心线,以后的边缘检测将在这两条中心线的附近进行。这样可以大大降低处理量,提高运算速度。

第二,在检测起始直线附近寻找像素级的边缘点。我们采用一个检测圆,将检测圆在检测起始直线附件移动并计算圆内所有像素点的亮度和,取亮度和最大的检测圆所在的圆心为像素级边缘点。

第三,用快速简单的插值法对这些像素级的边缘点进行亚像素处理,提高检测精度;最后,用最小二乘法[15]计算出两条直线及交点坐标和横线的倾角。

在本文介绍的边缘检测方法中,有些处理理论上应当沿十字线中每条线的垂直方向进行。考虑到实际应用中被测物体的角度变化范围很小,光学系统在设计时又有意使十字线的横线呈水平状态。为了简化运算,这些处理都按图像的坐标轴方向进行。为了避免十字线激光在被测轴上反射对检测结果的影响,提高图像处理的速度和精度,十字线激光器和光靶均以45°设置。

图3所示为一幅图像的处理结果,图中“x”标记了边缘点。由于在十字线激光图像中,两条线相交的区域相互干扰较大,严重影响了边缘点的精度,因而将两条线交点周围的边缘点删除,以确保计算精度。

3.2 直线度数据处理

采用十字线激光束对长轴进行直线度检测的本质是以十字线激光束的中心线为基准,检测长轴上各检测点处轴心相对于基准的位置,导出长轴的直线度参数。

数据处理时采用的各坐标系如图4。设计和标定时,将检测小车放在标准平移台上,利用检测小车上的水泡把检测小车调整至水平状态。再将平移台分别沿水平方向和垂直方向移动,标定出光靶的分辨率k、水平倾角β和c点在光靶中的坐标。c点为a、b两点的中间点,而a、b两点位于检测小车两侧滚动轴轴面夹角的角平分线上,且分别为光靶上下两端的边缘点。设d点为两侧滚动轴轴面的交点,加工装配时,c、d两点间的距离已知。检测时,输入被测长轴的直径后,可求出被测长轴轴心e到c点的距离,以下记为l。

为简化计算,在数据计算时采用直角坐标系,并将坐标原点取在c点,取x轴和y轴平行于光靶的侧边。此时,轴心e点的坐标为

为简化使用和操作,直线度参数用极坐标表示。取十字线激光束中心点g点为坐标原点,水平方向为极轴γ。

极径ρ为被测轴心e到十字线中心点g的距离,并且有:

其中:xe、ye由式(1)给出,而xg、yg为十字线激光图像中心点坐标,由图像处理给出。

检测时,对于第一个检测点,先用水泡将检测小车调平,然后对该点进行检测,并记此时图像处理的水平线的倾角为α0。此时,极角θ0为

其中arctan((ye-yg)/(xe-xg))∈[180°,270°]。

对于其它各检测点,为使操作方便,并不要求每次都调平检测小车,但应保证其基本水平。为了保证检测精度,对由于检测小车不水平导致的误差应予以修正。记除第一点外其它各点的十字线的水平倾角为α,则长轴直线度的极坐标表示形式为

为了使用方便,各检测点的参数可用直角坐标系表示。在图4所示的坐标系中,以十字线中心点为坐标原点,极轴γ为x′轴,各检测点可表示为

各检测点检测完毕后,依据距离信息,取连接首尾两轴心点的直线为轴,将各点数据做相应处理,即可获得长轴的直线度参数。

4 实验与应用结果和误差分析

为了验证检测方法,我们采用波长为658nm的激光器,640pixel×480pixel的摄像机,光靶分辨率为0.097 3mm/pixel,在1m、9m和18m处分别摄取50幅图像,测量结果的标准偏差如表1所示。

结果已应用到工业生产实际中。比如我们为某无缝钢管生产厂提供的芯棒直线度检测系统,其对直线度检测要求为8mm/16m和1mm/1m,最大检测长度16m,芯棒半径43~155mm。我们为其研制了两套检测小车支架来满足芯棒半径的变化范围。

检测误差主要有激光基准线误差和检测数据处理误差。激光基准线误差随检测距离的增大而增大。我们在20m处对激光基准线进行标定,标准偏差小于5µm。和检测数据处理误差相比,此项误差很小,可以忽略不计。

以δx′、δy′、δρ和δθ分别表示x′、y′、ρ和θ的误差,由式(5),检测误差为

在图4所示的坐标系中:

其中:l为c、e两点间的距离,lcg为c、g两点间的距离(g为十字线中心点)。而

其中lcd为c、d两点间的距离,是检测小车的设计参数。

另记lt和wt分别为光靶的长和宽,因实际检测时,十字线中心点绝不会在光靶之外,于是:

将式(7)、式(8)和式(9)带入式(6)中,可得:

在本文的实际应用中,rmax=155mm,lcd=30.4mm,lt=60.0mm,wt=45.0mm,在表1中取偏差最大的18m处的数据,由式(10),可得横向误差为

可见水平方向上的检测误差主要由角度误差引起。

同理可分析垂直方向上的检测误差。由于检测结构的原因,角度误差对垂直方向的检测影响很小。篇幅所限,此处不再推导。

在本文的应用实例中,此检测误差完全满足检测需求。

5 结论

大长尺寸光滑精密导轨直线度测量 篇3

随着我国制造业的讯速发展, 大型工业设备制造需求量增加, 对大尺寸精密导轨检测提出更高要求。世界各个国家对直线度测量领域一直予以高度重视, 并不断推出新型高精度直线度测量方法和装置, 以满足日益增长的对产品质量的要求。目前国内对直线度的测量精度却不高, 特别是在大长度范围的直线度测量领域。广州计量院为进一步加强大长度领域精密测量精度, 建成50m光滑精密导轨, 此精密导轨标准可以比较完整地解决标准钢卷尺、基线尺、激光干涉仪、测距仪等的长距离校准问题, 以及激光跟踪仪、经纬仪组合系统等便携式坐标测量仪器的实验室校准问题。本文对50m光滑精密导轨直线度进行比较测量探索大长度尺寸的精密测量方法。

二测量方法介绍

目前, 直线度测量方法种类较多, 但总体上可分为两类测量方法:一、无直线基准的测量方法。二、有直线基准的测量方法。本文介绍有直线基准的节距法及双频激光干涉法的对比测量方法。

目前工作现场多采用水平仪和光学平直仪等测角量仪对导轨直线度误差进行测量, 即用节距法获得测量的量值。这种测量方法的原理是把被测表面分成若干段, 使用测量微小角度的仪器分别测出各段相对于选定测量基准的倾斜角度误差。再根据等分的长度将各段的角值偏差换算为线值偏差。最后根据该组线值偏差数据评定被测要素的直线度误差。

激光干涉测量法利用双频激光发生器发出的光分成频率不同的两束光, 且使这两束光产生干涉, 以涡拉斯顿棱镜作为位置敏感元件进行测量。其优点是测量距离大、测量速度高、抗干扰能力强, 尤其是抗空气扰动的能力强。因此它适于在车间等环境稍差些的场合应用。

本文对大长尺寸光滑精密导轨直线度测量采用的测量标准为XL-80型的双频激光干涉仪, 系统准确性可达到±0.5ppm (线性模式) 和1nm的分辨率。可以实时测量长导轨的直线度并补偿阿贝误差, 使得在工作台的任意位置上都能达到测量精度。

三测量方法应用及结果

将双频激光干涉仪XL-80架设在50m光滑精密导轨的一端 (如图1所示) , 测量干涉镜安装在精密导轨的固定平台上, 测量反射镜安装在气浮导轨的滑动平台上, 依据激光干涉仪工作原理, 发射光与反射光平行, 利用气浮导轨的滑动平台调整好测量起始点与测量终止点间的准直光路, 以满足测量要求。

通过测量50米精密导轨不同间断点, 依据激光干涉仪系统软件对导轨直线度进行评判, 以最佳均方逼近法计算其值约为274.6μm, 导轨直线度测量结果如图2所示。

利用节距法测量50米精密导轨水平面内的直线度。采用分度值为0.0001mm/m的电子水平仪和桥板组件对导轨直线度进行测量。将水平仪平放在桥板上, 再把水平仪、桥板组件安放在精密导轨上, 沿导轨按等距离500mm分别测量后一点相对于前一点的量。桥板在移动中的轨迹, 除注意保证在前后二次测量中, 桥板首尾应很好的衔接外, 还应注意其移动轨迹成一条直线。取N=100, 以最小二乘法计算评估精密导轨的直线度, 其值约为283.7μm。

由上述两种方法测量结果可知, 可采用激光测量法测量精密导轨垂直面的直线度, 以满足节距法无法测量导轨垂直面直线度的缺陷。测得紧密导轨垂直面直线度约为214.8μm。

四结论

通过两种方式检测50米精密导轨直线度, 激光干涉仪测量直线度为274.6μm, 电子水平仪节距法测量结果为280.2μm。可以看出两者测量结果相差无几, 激光干涉仪在测量大尺寸可满足节距法不容易检测的部分, 且激光干涉仪在测量大尺寸工件直线度方面比传统测量直线度的方法更方便、快捷、直观, 且测量结果与节距法 (电子水平仪) 的测量结果基本一致。

参考文献

[1]张善钟, 赵辉.国内外高精度直线度测量技术现状[J]现代计量测试, 1994 (3) :2-5.

[2]宁延平, 刘战锋.国内外高精度直线度测量技术的研究现状[J].仪器仪表与检测, 2005 (6) :82-84.

[3]陈岚.电子水平仪测量机床导轨直线度的方法[J].化学工程与装备, 2010 (9) :147-148.

[4]冷玉国, 陶磊, 徐健.基于80m测量装置的双频激光干涉仪系统精度及影响因素分析[J]计量与测试技术, 2011, 38 (9) :47-49.

外圆旋风铣削加工直线度误差分析 篇4

关键词：旋风铣削,直线度,误差校正

0 引言

旋风铣削法是重点推广的高效绿色制造技术, 具有生产效率高、加工面表面粗糙度值低等优点, 在批量生产中具有明显的优越性。本文涉及的外圆旋风铣床主要用于加工固定直径的细长轴类零件外圆, 相较于传统的车削加工方法可显著提高零件的加工效率[1]。为检验外圆旋风铣床铣削加工的细长轴类零件是否能满足加工精度要求, 本文对细长轴类零件的轴线直线度误差进行了理论分析研究。

1 外圆旋风铣床运动原理

外圆旋风铣床俗称“扒皮机”, 主要用于铣削固定直径细长轴类工件外圆表面, 可加工直径为Φ35mm~Φ85mm、长达9 000mm的轴类零件, 具有较强的刚性和稳定性, 切削效率高, 在批量生产中具有明显的优越性。外圆旋风铣床组成结构如图1所示。

1-液压站;2-上料架;3-外圆旋风铣床头;4-下料架

根据轴类零件材料铣削的实际情况, 铣削前调节液压站节流阀控制进给速度, 调节液压站调压阀控制前后跟刀架夹紧力, 预防工件加工时产生滑动。铣削加工时液压缸推动上料架上的工件进给至床头前跟刀架的中间位置, 前跟刀架关闭, 工件锁紧后主轴电机启动, 带动刀盘高速铣削, 等工件运动至后跟刀架中间位置, 后跟刀架闭合, 工件震动减小开始平稳铣削。因液压缸推杆长度 (3 000mm) 不及工件长度, 加工一半时液压缸后退加入接杆继续铣削完成整个加工过程。

本文主要研究外圆旋风铣削加工时工件的直线度误差。细长轴类零件轴线的直线度误差属于任意方向上的直线度误差, 可用直线度最小包容区域的直径来表示[2,3], 如图2所示。通过分析机床的运动原理及影响工件直线度误差的因素, 对工件在前跟刀架夹紧、铣刀切削和后跟刀架夹紧这一加工过程中弯曲变形的改变进行分析, 可求得细长轴类零件加工前后直线度的变化。

2 建立直线度误差模型

细长轴类零件在机械加工过程中常常发生弯曲变形, 且在很多场合表现为空间弯曲, 即轴线为空间曲线。根据空间解析几何理论[4], 已知空间一条曲线的方程, 可以推出这条曲线关于3个坐标面的投影方程, 那么可以选取两个较简单的投影方程作为这条曲线的方程, 即将轴线表达平面化。数学上曲线的弯曲程度用曲率来表示, 工程实际中和材料力学领域则用挠度来表示, 并以挠率来描述空间曲线上某一点的相对弯曲程度。由于轴线是空间曲线且较复杂, 若在直角坐标系中直接用曲率来求弯曲程度比较麻烦, 但是在极坐标系中却比较容易。极径ρ表示轴线的弯曲程度, ρ越大, 则在那一点处的弯曲挠度越大[5]。

因待加工细长轴类零件的材料、直径、长度和原始直线度各不相同, 外圆旋风铣床对零件的铣削加工也会不同, 则加工后零件的直线度变化范围也会略有差异。以前跟刀架前端面、后跟刀架后端面来分割工件的加工过程, 把工件经过前跟刀架、铣刀和后跟刀架时的每一瞬态的弯曲变形曲线作为要求解的曲线解析表达式, 建立相关数学模型, 对工件的直线度误差进行求解, 可求得外圆旋风铣床对细长轴类零件直线度误差的校正范围。以铣刀切削面为分界面, 左侧曲线为待加工工件原始弯曲变形, 右侧曲线则为加工后工件的弯曲变形。

为了便于求解直线度误差, 我们约定:①以前、后跟刀架两端面的中心连线为z坐标轴, 以铣刀切削面竖直方向为x轴, 垂直xoz面方向为y轴, 构成空间直角坐标系, 如图3所示, 并建立曲线方程:左、右曲线上各点坐标为 (xi, yi, zi) 和 (xj;yj;zj) ;②用挠度ρ、挠率φ2个参数表达曲线的弯曲, 设曲线左端点 (前跟刀架左端面) 到xoy面连线的长度为l1, 右端点 (后跟刀架右端面) 到xoy面连线的长度为l2, 则有:

和

3 求解直线度误差

外圆旋风铣床主要是针对细长轴类圆棒料, 这类轴的原始参数为轴径Φ35 mm~Φ85 mm、长度达9 000mm。观察外圆旋风铣床加工后的各类细长轴类零件, 会发现在某一点或一段距离里, 工件表面会遗留前跟刀架钳铁造成的刮痕且有深有浅, 这些地方是工件弯曲程度相对较大的地方, 对这些加工段进行重点分析求解, 可以得出外圆旋风铣床对细长轴类零件直线度误差的校正范围。

以其中一根为例, 该轴材料为45钢、长8 287mm、直径为Φ64mm, 加工后直径为Φ58mm。取该细长轴弯曲最大处轴线原始坐标数据求得轴原始挠度 (见表1) , 与加工后轴线挠度 (见表2) 进行比较, 得出其直线度变化值ρΔ=ρ1-ρ2=1.07mm。

4 结束语

本文主要介绍了外圆旋风铣床的运动原理与实际加工情况, 从几何结构角度建立数学模型分析铣削细长轴类零件直线度误差的变化范围。通过实际加工, 观察整理铣削细长轴类零件的被测参数, 验证其精度满足要求, 可用于实际生产装配。

参考文献

[1]孙兴伟, 崔海, 王可, 等.变径细长轴类零件的旋风铣削方法研究[J].制造技术与机床, 2010 (4) :107-109.

[2]机械科学研究院和中国计量科学研究院.GB/T 11336-2004, 直线度误差检测[S].北京:中国标准出版社, 2005:1-2.

[3]邓彬, 李庆芬.基于MATLAB的直线度误差评定的程序设计[J].现代机械, 2010 (1) :62-63.

[4]王敬赓.解析几何[M].北京:高等教育出版社, 2010.

直线度控制 篇5

关键词：电梯,直线度,检测

1 直线度检测基准选定

直线度误差是指被测实际线对理想直线的变动量, 可分为给定平面内的直线度误差, 给定方向的直线度误差和任意方向的直线度误差。按照国家电梯T型导轨检验规则和有关行业标准规定, 导轨的直线度检验主要针对导轨的导向面和顶面。

电梯导轨直线度检测的基本思想是沿导轨表面的工件长度方向的各个点上采集一组数据, 并根据导轨直线度误差评定标准来进行误差值评定, 以确定该表面的直线度误差值, 其中最重要的问题就是基准的确定。

目前对于基准选定主要有两个原则:一种是通过误差分离技术来消除基准误差;另一种是选择基准导轨作为测量基准。

1.1 误差分离法

自上世纪80年代起, 随着精密加工和纳米加工技术的发展, 对直线度误差检测的精度要求越来越高。误差分离技术 (EST-Error Separation Techniques) 是一种近几十年里发展起来的极有潜力的新技术, EST应用于直线度误差测量可将标准量的误差和被测量的误差分离开来, 既提高了测量精度又提高了测量效率。

1.2 基准导轨法

基准导轨法是建立在基准精确条件下的直接测量方法, 基准导轨法测量每一个面只需要安装一只传感器, 直接读出传感器读数值进行直线度评定, 这种方法对基准导轨的要求比较高, 一般来说, 对于长导轨检测需要基准导轨的直线度值在40μm/m以下, 以免累积误差过大而影响测量直线度的精度。

2 电梯导轨直线度自动检测系统方案

企业要求检测系统检测T型电梯导轨一个侧面和顶面, 电梯导轨输送机构—物流架将导轨输送到检测位置上, 首先检测系统对导轨侧面进行检测, 侧面检测完毕之后, 物流架将导轨翻转900, 然后检测系统对其顶面进行检测。

选用高精度导轨作为系统的基准轨道, 高精度基准导轨、滑块、齿轮、齿条及伺服电机等组成传感器横向驱动机构。CCD激光位移传感器安装在传感器横向驱动机构滑块上, 驱动机构带动传感器沿与基准导轨平行的方向以一定的速度移动。

电梯导轨直线度自动检测系统的检测过程 (侧面) 为:首先物流架将导轨输送到检测位置发出侧面开始检测信号, 工控机接收到信号后, 发出传感器纵向驱动机构前移指令, 步进电机1启动, CCD激光位移传感器由起始位置向前移动, 移动一段距离后, 驱动机构停止, 该距离和导轨工件尺寸大小有关。然后工控机发出传感器横向驱动机构移动指令, 伺服电机启动, CCD激光位移传感器沿基准导轨方向水平平稳移动 (正向移动) , 传感器开始工作, 测量激光探头与电梯导轨侧面之间的距离, 并输出电压模拟信号, 在传感器移动过程中, 工控机通过多功能数据采集卡以一定的时间间隔采集传感器输出的距离信号, 经过一定的数据处理, 将该距离信号以实时曲线的形式在工控机显示器上显示。

顶面检测过程:物流架将导轨翻转900之后发出翻转完毕、顶面开始检测信号, 工控机接收到信号后, 发出传感器横向驱动机构反向启动指令, 伺服电机反向启动, 驱动机构带着传感器沿工作台水平平稳移动 (反向移动) , 工控机和CCD激光位移传感器工作过程同在侧面检测中其工作过程类似, CCD激光位移传感器移动到电梯导轨顶面的末端时, 由到位开关反馈到位信号, 工控机接收到该反馈信号, 发出驱动机构停止命令, 伺服电机停止, 工控机通过数据处理计算出导轨侧面和顶面的直线度, 判断导轨合格与否。若导轨检测合格, 工控机发出喷码机驱动机构移动指令 (正向) , 步进电机2启动, 喷码机喷印头水平移动到导轨规定位置, 工控机发出喷写指令, 喷码机喷印头在导轨相应位置喷写标记, 喷写完毕, 工控机发出喷码机驱动机构回移指令 (反向) , 喷码机喷印头归位, 完成标记喷写指令;反之, 若导轨检测不合格, 工控机发出不合格指令, 机柜上的声光报警器报警2s, 顶面检测结束, 这样就完成了一个导轨工件的检测。以后的导轨检测过程为上述检测过程的重复。

3 系统人机界面及功能模块的设计

3.1 用户管理模块

用户管理模块主要用于系统用户的创建、删除、修改, 系统用户分管理员和操作员。系统管理员的权限大于操作员, 系统管理员可以操作本检测系统的所有功能菜单, 可以创建新的用户, 可以删除用户, 修改个人密码, 进行系统参数设置, 数据库清空, 日志查询、清空等操作;操作员的权限相对小一点, 可以进行数据库信息查询, 修改个人密码, 可以查看系统参数但不能进行设置等, 管理员和操作员都可以进行系统检测工作。进入系统时, 需进行用户身份验证, 对于不同的用户, 在登录成功后, 系统会自动按照他拥有的权限, 对系统中一些按钮进行处理, 若是操作员用户, 不是操作员权限范围内的按钮则禁用, 如参数设置按钮将变灰。

3.2 参数设置模块

电梯导轨直线度自动检测系统的参数设置主要完成传感器的采样时间间隔和电梯导轨直线度检测的工艺参数设置。传感器的技术参数包括传感器的采样频率;电梯导轨直线度检测系统参数包括导轨B/A允许最大值、导轨整长允许最大弯曲值、500~允许最大弯曲值、中心处允许最大弯曲值、导轨的型号、初始编号、长度大小、是否喷码。直线度B/A及弯曲允许值是指判定待检测工件合格与否的标准;系统采样间隔用于设定系统采样间隔时间, 采样间隔设定后系统会按照设定的时间间隔采集测量数据。

3.3 自动检测控制模块

自动检测控制模块的功能是根据预先设定的检测参数进行电梯导轨直线度的自动检测控制, 根据需要能够实现测量的继续、停止等功能, 板卡与伺服单元的命令输入输出是整个自动检测控制过程中比较重要的部分, 它关系到系统软件能否按照板卡的输出信号有效的控制测量工作台, 能否有效的采集数据等操作, 因此在软件中对板卡命令字的写入对伺服单元工作时序的安排非常重要, 自动检测控制模块是系统的核心部分。

参考文献

[1]李增健.电梯导轨生产技术研究[J].中国电梯, 2008, 19 (23) :32～37.

[2]王培昌, 常治学.电梯导轨直线度和扭曲度检验系统的研制[J].光电子.激光, 2008, 19 (4) :518～520.

[3]王燕燕, 张军峰.EST法测量机床导轨直线度的虚拟测量仪[J].工艺与检测, 2009, 3:97～99.

直线度控制 篇6

机床导轨直线度误差是被测导轨实际线对其理想直线的变动量,对给定平面内导轨直线度误差常用水平仪、自准直仪、激光干涉仪3种方法进行测量。在实际测量过程中,测量仪器及参数确定后,计算出测量方法误差是非常必要的。下面介绍这3种测量方法的基本原理并分析其误差。

1水平仪测量法

1.1 水平仪测量原理

以普通气泡式水平仪为例进行分析。首先根据机床导轨直线度误差的精度要求,选择合适精度的水平仪和合适步距的专用桥架;然后将水平仪调零,放在专用桥架上,把专用桥架放在被测导轨的一端开始进行测量。每次记录下相应段的水平仪气泡移动的格数,并按其正负记录下来,然后进行误差值换算数据处理,最后根据所测点数据做误差曲线图,使用最小包容平行线法即可求出其直线度误差。

1.2 误差分析

设每段测量的观测值为Δi,测量导轨的前n段累积误差为Δn,由误差合成原理可知,undefined(Δi-Δ0),其中,Δ0为整个测量过程的平均误差,undefined(Δ1+…+Δm),m为测量导轨全长总分段数,m=L/l(L为所测量导轨长度,l为测量所选择的步距)。则:

undefined。

由于各测量段的测量值是等精度的独立的直接观测值,各段均含单次测量误差δ,根据随机误差合成原理:

为了求出Δn的最大值,令n=xm(0

undefined。

其中,undefined和δ都是固定值。再令undefined,很容易求出x=1/2时,y取最大值ymax=1/2,所以undefined。

应用水平仪测量,单次测量误差δ一般从3方面考虑:①水平仪示值误差δ1,一般δ1不大于1/4刻度;②测量读数误差δ2,一般δ2不大于1/5刻度;③测量位置引起的误差δ3,一般δ3不大于1/4刻度。根据误差合成原理:undefined,即:

其中:τ是水平仪精度值。

实际测量中,如果能满足undefined(f为所允许的最大直线度误差值),则认为该测量方法误差能够满足测量精度要求[1]。因此测量时要提高测量精度,首先,要选择合适精度的水平仪,减小单次测量误差δ;尽可能地减小移动桥架引起的测量位置误差;合理选择测量段数m,测量段数过多虽然提高了单次测量精度,但使累积误差增大,从而降低了测量精度。

2自准直仪测量法

2.1 自准直仪测量原理

自准直仪主要由具有一定焦距的物镜(望远镜)、带有分划板及照明装置的自准直测微目镜和置于被测对象上的反射镜组成。目前使用的自准直仪主要有3种:光学自准直仪、平直度检查仪和光电自准直仪。下面以光学自准直仪为例进行分析,其基本测量原理见图1。

1—光源;2—分划板;3—物镜;4—反射镜

分划板置于物镜的焦平面上,其上的O点位于物镜的光轴上,光源1发出的光线通过O点经过物镜后成一束与光轴平行的平行光线射向反射镜4。当反射镜面垂直于光轴时,光线仍按原路返回,经物镜后仍成像在分划板上O处,与原目标重合。如果反射镜与光轴有一倾角α,则反射光线的偏转角为2α,通过物镜后成像在分划板上的O′处,此时线位移OO′=S,表示了偏转角度的大小,即:

S=f′tan2α 。

其中:f′为物镜的焦距。当α很小时,tan2α≈2α,则:

设反射镜桥板跨距(测量间隔)为b,自准直仪读得反射镜倾斜角α与倾斜高度h的关系为h=bα(见图2) 。

1—反射镜;2—被测导轨面

2.2 误差分析

对式(2)两边微分可得:

undefined。 (3)

由式(3)可见,角度误差是由测量像的线位移误差dS和焦距误差df′所引起的,焦距越长越有利,但却会产生仪器过长而且笨重的问题。

从式(2)可知,S=2f′α,由于把线量S和角量α保持线性等比关系,即tan2α≈2α,所以存在理论误差。α角越大,则理论误差越大,通常自准直仪的最大测角值约为2α=2×(5′)=10′,所以当α±5′时,δ=tan2α-2α≈0.002′;当α=±1′时,δ=tan2α-2α≈0。

在实际测量过程中,自准直仪测量误差还包括出射光非严格平行光线所引起的误差、准直系统的对准误差、视差所引起的误差以及反射镜平面度误差所带来的误差等,这些都是自准直仪测量误差的重要组成部分[2]。

3激光干涉仪测量法

3.1 激光干涉仪测量原理

激光具有方向性好、单色性好、能量集中和相干性强等优点,使用激光干涉法测量直线度精度较高。当前多采用氦—氖激光,它是可见光,且功率和频率的稳定性容易控制,频带比较窄。以雷尼绍公司的ML10激光器为例,其测量原理见图3。

1—ML10激光器;2—角度干涉镜;3—角度反射镜;4—入射光束;5—测量光束;6—参考光束;7—运动轴方向

入射光束4被角度干涉镜中包含的分光镜分为光束5和光束6,光束5和光束6又分别被角度反射镜反射回分光镜的同一位置,分光镜对两束光进行调制后直接把光束传送到激光发射器中,从而使两束光在探测器中产生干涉条纹。根据光的叠加和干涉原理,凡光程差等于波长整数倍的位置,振动加强,产生明条纹;凡光程差等于半波长奇数倍的位置,振动减弱,产生暗条纹。使用激光干涉仪测量机床导轨时,反射镜3沿着导轨方向运动,当反射镜有偏转角度时,光束5和光束6会产生光程差,即干涉条纹会产生相应的变化,通过运算器可将其转换为直线度误差值。

3.2 误差分析

激光干涉仪是一种高精度的计量仪器,自身的精度很高,但在使用时会受到环境、安装条件、机床温度和线膨胀系数不准确等诸多因素的影响,从而降低了测量精度。激光干涉仪在机床导轨直线度测量中的误差包括:①激光干涉仪的极限误差φ1=±10-7L;②安装误差φ2=±L(1-cosθ),其中,θ为测量轴线与机床导轨移动的轴线之间的夹角;③温度误差undefined,其中,φt为机床温度测量误差;γ为机床材料膨胀系数;φγ为线性膨胀系数测量误差[3]。

4三种测量方法优缺点分析

水平仪法操作简单、使用方便、成本较低。但是精度较低,一般只能达到20μm/m。水平仪可以测量导轨在垂直面内的直线度以及两条导轨之间的平行度,但是测量水平面内的直线度很困难。用水平仪测试法,数据的采集和整理容易出错,由于此法是以导轨上某些固定采样点为测量对象,所以测量距离长了难以保证测试结果的真实性。

自准直仪法的缺点是不易达到很高精度,一般为5μm/m。因为光线在空气中并非绝对准直,测量范围越大,其偏差就越大,采用的光电位置敏感元件的测量精度较难大幅度提高,光束在传播过程中容易受到各种干扰而出现偏差,为非连续测量,结果具有很大的随机性,成本相对激光干涉仪低。

激光干涉仪的优点是测量距离大,测量速度快,测量精度高,而且可连续测量和采用微计算机进行数据处理、显示和打印。激光抗干扰能力强,尤其是抗空气扰动的能力强,因此它适于在车间等环境稍差些的场合应用,测量精度可达0.4μm/m。但是价格昂贵,一般用于对精度要求很高的场合。

综上所述,各种检测直线度的方法都各有其优缺点,企业在选用测量方法的时候应该考虑两方面的要求:一是精确度要求,即测量结果必须达到一定的可信程度;二是经济性要求,即在保证测量结果精确性的前提下,应使测量过程简单、经济、花费代价最小。

参考文献

[1]宋俊峰.怎样减少测量误差[M].北京:机械工业出版社,1984.

[2]陈家汉.常用长度计量仪器误差和测量过程误差(九)[J].计量技术,1999(6):50-53.

[3]曹永洁.激光干涉仪在机床定位精度测量中的误差分析[J].机床与液压,2007(4):163-164.

直线度控制 篇7

近年来, 伴随自动化技术、计算机技术、通信技术等在工业领域内应用的日益广泛和成熟, 以及大型机床生产数量的逐渐增加, 为提高机床导轨直线运动精度, 提高大型机床工作性能, 利用现代化信息技术来设计科学先进的大型机床导轨直线度测量仪势在必行。

1 直线度测量仪的工作原理

首先, 将半导体激光器置于被测直线段的一侧, 使其射出的光线与被测机床导轨平行。然后, 将无线光靶置于被测机床导轨之上, 使激光器射出的光线正好落在两片光电池的中心位置, 同时以激光器射出的光线为直线度测量基准, 让无线光靶沿着被测导轨直线段移动。当激光照到无线光靶中的光电池时, 两个光电二极管就会同时输出一个与光照面积成正比的微弱电流信号[1]。这两个微弱电流信号经放大电路前置放大器放大并转换为电压信号后, 就可以根据两片光电池产生的电压差值来预测无线光靶移动的范围, 从而计算出被测导轨的直线度。

最后, 将运算后的信号输入单片机中转换成数字信号后相除, 得到反映入射光光点位置的信号, 再将其经无线光靶中的无线数据传输模块传输至数据采集模块, 数据采集模块接收信号后传送至PC机, 由PC机完成最后的数据处理。

2 大型机床导轨直线度测量仪的设计

2.1 总体设计

根据大型机床导轨直线度测量仪的具体用途, 文章将其系统设计划分为四大功能模块, 包括数据采集模块、半导体激光器、无线光靶和PC机。其中, 数据采集模块主要由单片机和无线数据传输两部分组成, 无线光靶主要由放大电路、单片机、光电池和无线数据传输四部分组成, PC机主要由数据库、串口通信、直线度计算和绘图四部分共同组成[2]。各个模块在按照既定程序完成自己分配职责的同时, 彼此之间也在相互协同工作, 从而能够很好地完成大型机床导轨直线度测量工作。

2.2 硬件设计

放大电路设计。放大电路的设计需要使用光电传感器, 常见光电传感器有光电二极管、四象限光电池等。光电传感器光照度与反向电流成正比, 具有响应快、噪声低、方便等优点, 多用于激光探测。四象限光电池多用于光电开关、光电耦合等。不同光电传感器有着不同的特点与适用范围, 对于大型机床导轨直线度测量系统放大电路而言, 文章选用光电二极管。由于光电输出为一个微弱的模拟信号, 易受外界环境干扰, 因而前置放大器需要对模拟信号进行预处理, 即其应集成高输入阻抗、低输出阻抗等多种能力。文章选择I-CL7650系列的集成运放作为前置放大器。

单片机选型。在大型机床导轨直线度测量仪设计中, 单片机是整个系统最为核心的一个部件, 它控制着系统各个部分的运转状态, 并与其他部件一起完成数据采集、处理等操作[3]。对于单片机的选型应尽可能选择低功耗、性价比高的单片机, 以降低能源损耗, 延长设备的使用寿命。文章选用超低功耗、多种存储器形式、强大数据处理能力、高效开发环境的MSP430型号单片机作为整个直线度测量系统的控制中心。该单片机可以为系统的低功耗运行与设备的充分利用提供可靠保障。

2.3 软件设计

CRC校验协议编写。由于系统实际运行过程中, 受外界环境干扰或一些其他因素影响, 极易出现数据传输错误现象, 所以为保证数据传输的完整性、正确性与可靠性, 需要采用相应校验方法对数据通信进行校验。目前, 常用校验方法主要有循环冗余校验码 (CRC) 、奇偶校验等。循环冗余校验码既可以用硬件来实现也可以用软件来实现, 文章采用软件方法来实现对数据通信的循环冗余校验。首先, 将一个16位寄存器全部置1, 将数据包中8字节与其当前值进行异或运算, 低位向高位移位, 高位用0补齐。然后, 对移出的最低位数值进行判断, 若移出的为0, 则不做任何操作;若移出的为1, 则将寄存器与预设固定值进行一次异或, 重复上述操作直至8位移位全部完成[4]。当最后一位移位完成时, 在进行下一8字节与寄存器当前值的异或, 按照同样的运算方法当数据包中所有数据全部处理完毕后, 生成的数据序列即为CRC校验码。这一环节的流程图如图1所示。

通讯功能的实现。通讯功能的实现需要按照如下步骤进行, 在VB编程软件中引用MSComm控件对串口进行初始化, 用232端口号对校验方式和波特率进行设置, 加载CRC校验码, 加载与初始化上行、下行定时器, 测试通讯连接是否正常, 此时串口根据预设定时时间向单片机发送命令, 同时记录发送次数, 若数据功能位为0且接收到数据信号, 则说明通讯连接成功, 若发送命令超出100次还没有接收到数据, 说明串口通信错误, 需要检查数据接收终端。

3 大型机床导轨直线度测量误差评定算法

空间直线度误差评定算法作为大型机床导轨直线度测量误差常用算法之一, 其具体计算过程为将空间直线投影到给定坐标系的XY平面内, 并求出投影后的直线度误差。根据计算结果绘出某一空间线的测量结果, 并将该线投影在XY平面上, 求出对应坐标, 从而将空间线转化为平面线。按照平面线直线度旋转法求出第一次投影的平面线直线度误差。

以X轴为旋转中心旋转空间线, 此时该线X坐标不变, 求出其在XY平面上投影的直线度误差。重复上述步骤直至空间线旋转为初始位置。在这一过程中, 会得到许多平面直线度误差, 求出其中最大值, 该值即为空间直线度误差。

4 结束语

由上文分析可知, 要想设计出功能强大、性能良好、可扩展性强、适用范围广的大型机床导轨直线度测量仪, 就必须从单片机选型、无线数据传输、放大电路、通讯功能实现、数据校验、直线度误差评定算法等各个环节进行科学合理的设计, 对所需元器件精心选型, 以进一步提高该系统在市场上的占有率, 提高产品的使用性能。

参考文献

[1]张军峰, 王燕燕.EST法测量机床导轨直线度误差分析[J].机床与液压, 2010, 3:46-49.

[2]郑茜滢.高刚度滚动直线导轨设计及精度分析[D].哈尔滨工业大学, 2013.

[3]李跃晖.大长度导轨直线度视觉测量方法的研究[D].西安理工大学, 2009.