简易式形位误差测量仪的研制

章璐， 张棉好， 邓震宇， 陈光辉， 王晓炜， 严晓梦

（浙江师范大学 职业技术教育学院，浙江 金华321019）

0 引言

目前市场上的形位公差测量仪器大多为比较精密的实验设备，功能上以满足实际生产应用和研究型实验需求为主，一般价格昂贵，操作环境要求严格，用于频繁测量一般精度的零件并不经济，所以市场上有一些经济型的专用形位公差测量仪器，但测量功能单一，在实践中已证实有很大的局限性。

综上，提出了设计本台简易式形位误差测量仪的构想。设备测量种类多可测量直线度、圆度、圆柱度、平面度、平行度、同轴度、跳动公差等，并且将机械和软件技术结合，以简洁、适用的机械结构为基础，将设备改变传统测量过程操作复杂、数据结果处理繁琐的弊端。文中首先确定了测量仪总体方案；其次是系统机械部分和控制部分设计；最后是简单的实际操作步骤。

1 测量仪总体方案设计

为满足工件形位误差的测量，需要测量头进行多个方向的运动，并由测量头所测误差值与计算机间进行数据交换，为此，总体方案如图1所示。

图1 测量仪总体方案

2 机械部分设计

要实现对工件形位公差项目的测量，测量点需要实现三个坐标方向上独立的运动。为了确定设备机械部分应实现的功能，需选择能保证精度和经济相平衡的机械结构，同时选择合适的关键部件以实现运动的灵活性和准确性。

2.1 结构方案确定

传统上能实现三个坐标方向上运动的结构主要包括：移动桥式结构、仪器台式结构、悬臂式结构。

图2为移动桥式结构，测量时工件置于工作台，测量表头安装在主轴上，通过桥架、滑架和主轴的运动实现X、Y、Z三个方向上的运动。

图2 移动桥式结构示意图

图3为仪器台式结构，测量表和主轴组件安装在滑架上，测量时通过移动立柱、滑架和工作台来实现X、Y、Z三个方向上的运动。

图4为悬臂式结构，也称单立柱结构，工作台与基座为一体，测量表置于水平悬臂梁末端。通过立柱、滑架和水平悬臂的运动，实现测量表在X、Y、Z三个方向上的运动。

图3 仪器台式结构示意图

图4 悬臂式结构示意图

仪器台式结构由于工作台尺寸受限，制造成本和后期维护成本高。移动桥式结构采用平行导轨设计，加工装配精度要求高，导致成本也高。悬臂梁结构受结构限制会产生不同的变形。

结合上述的分析和实际使用的情况，本课题中进行了优化，采用移动桥式的结构设计（图5）。此外，因在进行测量时Y方向的移动不频繁，故Y方向采用桥架底部直接在工作台面上移动的设计，并在工作台的一侧设置一限位块，使桥架保持平行移动。

图5 仪器结构示意图

2.2 本测量仪具体结构

总体结构如图6所示。

丝杆传动机构传动效率高，运动平稳，定位精度和重复定位精度高。Z向丝杆滑台机构安装在桥架立柱上，X向丝杆滑台机构安装在两侧Z向滑台上，在X向滑台上装有百分表表座，数字显示式百分表则安装在表座内。

如图7所示，桥架立柱安装在Y向滑台上，在工作平台上设置一个限位块，限位块的长度方向与Y向滑台的方向平行，从而保证桥架与前面有一定的平行度。

图6 总体结构图

3 控制系统设计

控制部分原理如图8所示。

1）测量表头的选用。数字显示式百分表相比较传统指针式百分表可以直接显示被测值，有利于数据的传输和自动化处理。

2）控制器的选用。采用单轴步进电机脉冲发生控制器，此控制器可简单编程，能方便、简单控制步进电机步长和速度。

图7 限位块位置示意图

4 形位公差测量示例

下面以测量圆柱的直线度误差为例。具体测量步骤如下：

1）将被测工件两头的圆柱放置在V形块上，使其中的一个V形块的外侧与限位块靠齐。

2）如图9所示，打开电源设置步进电机的步长和速度。将开关拨到Z位置，按控制器上的“-”按钮，使测量表快速沿着Z方向向下运动接近被测工件。当测量表表头快接近工件时将开关拨至X位置，按下控制器上的“-”按钮，使百分表向X方向其中一个被测表面的端面移动。

图8 控制系统原理图

图9 控制台

然后，手推Y向滑块使表头位于被测表面最高处的正上方。将开关拨至Z位置，按下控制器的“-”按钮，使测量表向下移动并使百分表保持一定的预紧力。最后使用相同的方法使百分表在X方向移动，靠近被测表面的另一端。

图10 数据处理界面

（3）在测量过程中，百分表将测得的误差数据传输到电脑中，电脑将数据进行处理和分析，计算机自动得出形位误差值（如图10）。

5 结 语

形位误差测量仪在国内外市场层出不穷，但考虑到制作的成本和应用范围上的限制不能大范围推广。本课题参考并借鉴了其他同类产品，使设备主要侧重于精度和成本上的平衡。设备能减轻中小企业工作人员的工作强度并能在学校中作为教学器材。

［1］ 李建明.浅谈形位公差带的方向与方位［J］.机械工程与自动化，2004（1）：36－37，40.

［2］ 黄云清.公差配合与测量技术［M］.北京：机械工业出版社，2008.