轴类零件直径测量系统中摩擦驱动测力机构的设计

徐守品，花严红，徐月明，骆忠良

(九江职业技术学院，江西九江332007)

轴类零件是机械设备中最常用的零件之一，其制造精度在很大程度上决定了机器的运行质量，因此对轴类零件的尺寸检测十分重要。轴类零件直径快速精密测量系统是轴类零部件检测仪中的专用测试系统，它主要是对轴类零部件直径和半径进行检测，该测试系统主要由支承模块、传动模块、测量模块和信号采集与处理模块组成。其中测量模块的设计至关重要，它直接影响系统的测量精度。

1 轴类零件直径测量系统测量原理

轴类零件直径测量系统采用了自动接触式相对测量的方法，它具有独立的测头和传感器，用标准件调零后，即可用传感器测出相对位移，从而方便地实现直径的测量。

该测试系统利用光栅相对测量的原理实现直径的测量。利用步进电机驱动双片齿轮转动，进而带动内齿条(与标尺光栅、后端测头和底座固连)和外齿条运动(与读数头、前端测头和壳体固连)运动，两齿条又分别带动前后端测头相向运动，同时向工件靠近。当两测头均与被测工件接触时，齿轮不转动，此时测速传感器所测齿轮转速为零，测速传感器触发光栅读数头进行读数，将读取数据与参考数据相比对，即可获得所测工件的直径。其结构简图如图1。

图1 轴类零件直径测量系统结构原理图

2 测力机构的选择

由于该测试系统采用的是接触式测量方式，仪器的测头与被测工件的测量面直接接触，能如实反映工件的实际表面情况。为了减小工件表面的毛刺、油膜、污物等对测头接触可靠性的影响，保证仪器测头与工件表面的可靠接触，测头应以一定恒定力作用于工件表面，这个恒定力即测量力。但测量力的存在同时会使被测件和测头产生接触变形[1]。接触变形量的大小与接触体的材料、表面形状及测量力的大小有关。

式中:P为测量力(N);L为接触长度(mm);D为测头直径(mm)。

从式(1)中可以看出，接触变形的大小与测量力有直接的关系，测量力越小，接触变形就越小，测量力越恒定，则接触变形越固定，就越容易对测量结果进行补偿，进而减小接触变形的影响[2]。因此在进行接触式测量时，应充分地考虑影响测量力的主要因素，减小测量力对测量精度的影响，合理地选择测量力的大小。

测量力的选取应考虑以下各因素:测量精度、接触形式与接触面积、材料的硬度、测量方法和测量的环境条件。为了减小测量力造成变形的影响，设计测力机构时，可以考虑以下措施:在保证接触良好的条件下，尽量减小测量力;采用恰当的接触形式，使其对测量力的影响不敏感，不必要时不采用尖测头;恰当设计仪器结构，避免引入变形误差;尽量使用相对法测量代替绝对法测量;采用恒定测力机构[3]。

对于该测试系统，选用摩擦驱动测力机构来提供恒定的测量力，它能保证测头在运动时保持不变的测量力。在此使用摩擦驱动机构的作用有:驱动测头运动，实现自动测量;为测量机构提供恒定可调的测量力，提高测量精度;通过摩擦轮打滑，触发光栅读数头读数，实现直径测量。

3 摩擦驱动测力机构的设计

摩擦驱动测力机构是由主动摩擦盘与从动摩擦盘间的压紧力所产生的摩擦力来传递力的[4－5]。摩擦测力机构的优点主要有两方面:其一，摩擦测力机构在传动过程中的正反空程非线性小，从原理上讲是没有不连续正反空程的，它的定位精度高[6];其二，噪声小，结构简单，运动平稳，精度便于控制，定位精度高。

该机构的驱动原理为:电机带动摩擦轮，通过摩擦力带动另一摩擦盘(与双片齿轮固联)，从而通过双片齿轮带动两齿条运动，进而带动前后端测头分别向被测工件移动。当测头与被测工件接触时，两摩擦盘打滑，由两摩擦盘之间的动摩擦力给出测量力。测量力的大小可以通过旋动调节帽，改变压缩弹簧对摩擦盘的压力来改变[7]。测力机构由伺服电机、摩擦盘、调整机构等几部分组成.其结构图如图2。

图2 摩擦驱动测力结构图

(1)摩擦盘的设计

为了获得较高的精度，测试系统的测量力选为2 N 左右。对于两摩擦盘，均以淬火钢为材料，其静摩擦因数为0.15～0.20，动摩擦因数为0.12～0.16，许用压强[p]为0.2～0.4 MPa。结合两摩擦盘的安装空间与安装方式，摩擦盘外径D0为26 mm，内径d0为12 mm。

根据摩擦定律，摩擦盘间的静摩擦力矩可表示为

式中:TC为静摩擦力矩;f为摩擦面间的静摩擦因数取为0.15;F为压盘施加在摩擦面上的工作压力;RC为摩擦盘的平均摩擦半径;Z为摩擦面数，是从动盘数的两倍。

摩擦盘的平均摩擦半径RC，根据压力均匀的假设，可表示为

故RC=10 mm，两摩擦盘的尺寸相同。

(2)调整机构的设计

调整环节是测力机构的重要组成部分。在设计测力机构时应注意考虑测量力调整，调整环节的设计应注意到调整范围和调整的灵敏性。为了使压缩弹簧对摩擦盘的力作用在平均摩擦半径上，可选弹簧的D2为20 mm。弹簧的最大压力Fmax为80 N。弹簧材料选为碳素弹簧丝Ⅰ类。其切变模量G=81 400～78 500 N·mm－2，对于该压缩弹簧取为80 000 N·mm－2

取d=2 mm，则C=D2/d=10，σB=2 000 N·mm，[τT]=0.3σB=600 N·mm

所以可取d=2 mm，压缩弹簧特性为:

其中:F、λ为弹簧所承受的力和变形量;

D2、d、n为弹簧中径、簧丝直径和有效工作圈数;

G为弹簧切变模量。

利用式(4)，可求出弹簧有效圈数:

当有F=80 N的压力时，λ=6 mm，则可得:n=1.5，取p=7 mm，选用端部并紧、磨平、支撑圈为1圈的形式(YI)。

则总圈数n1为:n1=n+2=3.5

自由高度H0为:H0=np+1.5d=13.5 mm

并紧高度Hb为:Hb=(n+1.5)d=6 mm

为了使压缩弹簧不失稳，其高径比在两端都固定时应该小于5.3，而对于该弹簧，其高径比明显满足稳定性要求[3]。

(3)驱动机构的设计

由于使用步进电机驱动，综合结构设计的特点与需要，选用德国MOTEC 公司生产的SM2-42 两相混合式步进电机，选用MOTEC 两相混合式步进电机正弦细分驱动器SD2。该驱动器克服了传统步进电机低速爬行、有共振区、噪声大、驱动器可靠性差的缺点。

4 结束语

摩擦驱动测力机构是轴类零件直径测量系统测量精度的重要保证，不仅满足了仪器的运动要求，还将该系统的测量精度控制到一定的水平。在进行摩擦驱动测力机构设计时应该注意以下几点:(1)摩擦副要在一定的弹簧压紧力作用下工作，保证传动可靠，而又要防止接触点发生塑性变形[8];(2)传动件和摩擦盘要有较高的尺寸精度和形状位置误差精度，使传动平滑舒适，无时松时紧及突跳现象，这样才能获得较高的传动灵敏度。

【1】张善锺.精密仪器结构设计手册[M].北京:机械工业出版社，2009.

【2】李玉和，郭阳宽.现代精密仪器设计[M].北京:清华大学出版社，2010.

【3】徐守品，陈闽鄂.测量力的确定及测力机构[J].计量与测试技术，2009(5):59－62.

【4】庞振基，黄其圣.精密机械设计[M].北京:机械工业出版社，2004.

【5】裘祖荣.精密机械设计基础[M].北京:机械工业出版社，2007.

【6】杨黎明，杨志勤.机械设计简明手册[M].北京:国防工业出版社，2008.

【7】李勇，周骋，郭旻.采用步进电机驱动的摩擦传动微进给机构[J].清华大学学报:自然科学版，2004，22(2):170－173.

【8】苑文瑛.浅谈摩擦驱动机构[J].航空精密制造技术，1991(5):16－19.