一种高精度圆柱度仪自动调心系统徐颖杰.doc

一种高精度圆柱度仪自动调心系统*国家自然科学基金项目（50975262），河南省自然科学基金项目（0611011400），河南省重点科技攻关项目（424490029）。

徐颖杰**徐颖杰，女，1987年9月生，河南省郑州市人，汉族，郑州大学硕士研究生，研究方向为精度设计、CAD/CAM技术。
* 张琳娜 赵凤霞 郑鹏
（郑州大学 机械工程学院 河南 郑州 450001）
摘要 针对现行高精度圆柱度仪采用人工方法调心，测量精度低且费时费力这一问题，本文提出了一种高精度圆柱度仪伺服工作台自动调心系统,给出了自动调心系统的结构组成和工作原理，并进行了自动调心过程的运动仿真和实验模拟。实验结果表明，所提出的伺服工作台自动调心系统作为一个独立的附件安装在高精度圆柱度仪工作台上，不改变现有高精度圆柱度仪的结构，具有操作简便、调心效率高等特点。
关键词 圆柱度仪;自动调心; 运动仿真；伺服工作台
中图分类号 TH124 文献标识码 A
AN AUTOMATICALLY ADJUSTING ECCENTRICITY SYSTEM USED IN HIGH-PRECISION CYLINDRICITY INSTRUMENT
Xu Yingjie , Zhang Linna, Zhao Fengxia, Zheng Peng
Institute of Mechanical Engineering, Zhenzhou University, Zhenzhou Henan 450001 , China）

Abstract As the eccentricity of existing high-precision cylindricity instrument was adjusted by artificial method which greatly affected the measurement precision and extremely wasted lots of time and energy, an automatically adjusting eccentricity system used in high-precision cylindricity instrument- the servo workbench system was provided in this paper. First, the structure and the working principle of the servo workbench system were given. Then, the movement of automatically adjusting eccentricity was simulated using Solidworks. Finally, by making experiments and analyzing the experimental results, it indicated that as an independent attachment installed in high- precision cylindricity instrument instead of changing the instrument’s structure, the automatically adjusting eccentricity system could achieve the function of automatically adjusting eccentricity with the characteristics, such as convenient for loading and unloading, easy and simple to handle and adjusting eccentricity with high efficiency.
Keywords cylindricity measuring instrument; automatically adjusting eccentricity; motion simulation; servo workbench

1 引言
在高质量产品的制造和高效率生产环境的构建中，测量技术起到了关键的作用，其重要性与日俱增。高精度圆柱度仪作为圆环、圆柱等回转体工件圆度、圆柱度、同轴度等形位误差测量的关键测量仪器，被广泛应用于汽车、航空航天等领域。尤其在生产国际化、全球经济一体化迅速发展的今天，为实现高精度零部件良好的互换性，要求高精度圆柱度仪必须具有更高的测量精度和测量效率。根据高精度圆柱度仪的工作原理，被测工件轴线应与量仪的回转轴线同轴[1]，才能保证测量精度。然而，在实际操作中，同轴往往很难达到，偏心量的存在严重影响着圆柱度仪的测量精度。目前我国生产的高精度圆柱度仪大部分采用人工调心的方法，费时费力，且测量精度低，如何实现自动调心一直是限制测量精度和测量效率的“瓶颈”。国外泰勒公司最新生产的圆度仪、圆柱度仪均增加了自动调心功能，大大减少了测量操作时的调整时间，降低了对操作人员的技术要求。但是国外仪器的价格过于昂贵，对测量环境的要求也很高，也因此限制了它们在国内市场上的应用。因此，研究高精度圆柱度仪的自动调心技术是目前测量领域的一个重要课题。

本文提出了一种伺服工作台自动调心系统的设计方案，采用Solidworks软件对自动调心过程进行运动仿真，实现了圆柱度仪的自动调心功能。

2 高精度圆柱度仪自动调心系统的结构及工作原理
2.1 高精度圆柱度仪自动调心系统的结构组成
如图1所示是本文所提出的高精度圆柱度仪伺服工作台自动调心系统的结构示意图。该系统由执行机构、导向机构和驱动机构三部分组成。
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5
4
3
2
1
Y
X

1.工件安装台面 2.X方向步进电机 3.X方向滚珠丝杠 4.圆柱导轨 5.X向移动底板 6.安装板
图1伺服工作台自动调心系统的结构示意图
Fig.1Structurediagram of the servo workbench automatically adjusting eccentricity system
1执行机构
执行机构由精密滚珠丝杠、标准型螺母、L型螺母支架、轴承等零件组成，结构如图2所示，其功能是使调心系统能执行X、Y方向的直线移动。为保证高精确位移要求，精密滚珠丝杠采用单螺母变位导程自预紧方式，支承方式为双推—双推方式，选用60°接触角推力角接触球轴承。参照文献[2],经刚度计算，名义直径为12mm,导程2mm,动载1.66kN,静载3.57kN的VFN(Z)1202-3精密滚珠丝杠[3]满足刚度要求。

图2 执行机构结构图 Fig.2 Structure diagram of actuator
2）导向机构
导向机构由圆柱导轨副组成，其功能是导向和承载，保证调心系统中运动部件在外力作用下，能准确地沿着X、Y方向运动。圆柱导轨副的方向与滚珠丝杠副移动方向平行，保证X向移动底板、工件安装台面分别沿X、Y方向直线移动。
3）驱动机构
步进电机作为自动调心系统的驱动机构，是整个系统中不可缺少的关键部件。步进电机转子的转角与输入的脉冲数成比例，转速与输入脉冲的频率成正比，是通过脉冲信号控制[4]。步进电机作为驱动执行部件，只要步进电机的保持扭矩能够满足滚珠丝杠副执行所需的最大扭矩则可，此处选用拥有一定扭矩余量的两相混合式步进电机86BYG250。
2.2高精度圆柱度仪自动调心系统与圆柱度仪的集成
所设计的自动调心系统作为独立的附件，通过安装板，直接安装在转台式圆柱度仪的工作台面上，由三个定位夹紧螺母三点定位并夹紧，当转台旋转时，自动调心系统随转台一起旋转。图3为自动调心系统与圆柱度仪的集成安装。自动调心系统装卸方便，调心效率高，且不需要对转台式圆柱度仪的结构进行改动，就可实现自动调心。
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2
3
4
6
5

1.传感器测头2.被测工件3. 工件安装台面4. 定位夹紧螺母 5. 安装板6. 基座
图3伺服工作台与圆柱度仪集成安装
Fig.3 Integrated installation of servo workbench and cylindricity measuring instrument

2.3 高精度圆柱度仪自动调心系统的的工作原理
以圆度测量为例说明高精度圆柱度仪自动调心系统的工作原理。设定最大偏心值。
高精度圆柱度仪自动调心系统与圆柱度仪集成安装，将被测回转工件放在工件安装台面上，如图2所示。移动传感器测头至工件被测截面3时位置，接触被测工件并手动压紧；转台带动伺服工作台和被测工件以5.5r/min速度匀速旋转一周，测头等角度间隔地提取m个点，转台停止转动。用最小二乘评定基准圆对被测截面轮廓进行拟合，得到最小二乘圆心O(a,b) [5]。
（1）
若拟合圆心O的偏心值,X方向步进电机驱动X方向滚珠丝杠转动，经丝杠螺母副传动，使工件移动a距离；Y方向的步进电机驱动Y方向的滚珠丝杠转动，使工件移动b距离，完成一次偏心调整。转台转动，测头提取一次偏心调整后的工件圆周数据，按公式（1）拟合，得到最小二乘圆心O位置，判断是否成立，若成立，完成偏心量的调整，否则，按上述步骤重新调整，直到满足偏心要求。图4为伺服工作台自动调心系统的工作原理图。
设定偏心值
数据采集
X(Y)方向步进电机驱动

？
N
Y
工件X(Y)向移动a (b)距离

X(Y)向滚珠丝杠副传动

最小二乘拟合圆心O(a,b)
偏心量

结束

图4伺服工作台自动调心系统工作原理图
Fig.4 Working principle diagram of servo workbench automatically adjusting eccentricity system

3高精度圆柱度仪自动调心系统的运动仿真
本文使用Solidworks软件中的Animator 插件进行高精度圆柱度仪自动调心系统调心过程的运行仿真。通过仿真，可以观察自动调心系统在X、Y方向位置调整的动态过程，及时找出结构设计中可能存在的缺陷和干涉。步骤如下：
1） 用Solidworks 对零件进行三维造型、装配，形成一个整体。
伺服工作台自动调心系统要实现X、Y方向直线移动，难点在于如何将步进电机的驱动转化为工件安装板X、Y方向移动，即传动机构设计。为实现功能，传动机构设计如图2所示，丝杠螺母支承与移动部件相连，实现轴转动向直线移动的转化。系统装配图如图1所示，装配完整，且不发生干涉。
2）用Solidworks Animator实现自动调心系统的运动动画。
伺服工作台自动调心系统的主要运动形式：滚珠丝杠绕轴转动，丝杠螺母带动其连接件实现X方向、Y方向直线移动。仿真主要针对X、Y两个方向的直线移动，图5 为运动仿真的效果示意图(先X方向移动，再Y方向移动)。
X
Y

（a）X方向移动
Y
X
（b）Y方向移动
图5 X、Y方向运动仿真效果示意图

Fig.5 The simulation schematic of X and Y directional movement

4.实验分析果构
用JCS042-A型圆柱度仪与伺服工作台自动调心系统集成安装测量一根φ70×300mm的阶梯轴距工件底面150mm 处截面的圆度，偏心量=0.001um。等角度间隔提取1000个点，按图4所示步骤调心，得到调心前后对该截面圆度测量结果，如图6所示。调心前，圆心0存在明显偏心E=025um>,一次调心后<,满足调心要求。

图6 调心前（左图）后（右图）测量结果比较
Fig. 6 The different measuring result between before（left picture）and after(right picture) adjusting eccentricity
为验证测量结果的准确性，将系统对调心前采集数据的测量结果（图5左）与JCS042-A的数据测量结果（图6）进行对比。经比较，得出的圆度、峰值、谷值、峰值角度、谷值角度等评定参数值基本一致，表明数据测量结果准确可靠。

图7 JCS042-A对调心前采集数据的评估结果
Figure 7 The evaluation results of measured data by JCS042-A before adjusting eccentric
综上，高精度圆柱度仪自动调心系统实现了偏心量的数字化显示，能够满足自动调心功能，且调心效率高，调心准确可靠。

5.结论

现ICXIS本文所提出的高精度圆柱度仪自动调心系统，结构简单，可作为一个独立的附件安装在高精度圆柱度仪工作台上，不改变现有高精度圆柱度仪的结构，操作简便、可推广性强；偏心量值实现数字化显示，测量结果准确可靠；实现了圆柱度仪偏心量高精度自动调整，且一次自动调心，偏心量就可达到要求，调心效率明显提高，为构建面向圆柱度仪的数字化集成测控系统提供了一定的技术支持。
参考文献
[1]张琳娜主编.精度设计与质量控制基础（第二版）[M].北京：中国计量出版社，2006:76.
[2] 王健 高明月 董学哲.滚珠丝杠设计计算[C].2002年黑龙江省机械工程学会年会论文集，2002：247-251.
[3]成大先主编.机械设计手册单行本机械传动[M].北京：化学工业出版社，2001：14-49.
[4] 隋秀凛 高安邦主编 .实用机床设计手册[M] .北京：机械工业出版社，2010:1276-1279.
[5]赵凤霞，张琳娜，郑玉花.基于新一代GPS的空间直线度误差评定及其不确定度估计[J].机械强度，2008,30（3）

作者简介：徐颖杰（1987-），女，汉族，河南省新密市人，郑州大学在读硕士研究生，主要从事精度设计、CAD/CAM技术方面的研究。
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