半球动压马达转子端面垂直度检测装置

段　荣，薛凤举，董君华

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

半球动压马达转子端面垂直度检测装置

段荣，薛凤举，董君华

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

在半球动压马达转子端面垂直度的工序中，检测一直是影响生产效率的重要瓶颈问题，因没有理想的检测手段，目前只能依赖三坐标仪进行检测。因检测频繁、测点多、耗时长，极大地影响了生产效率。介绍了一种基于光学检测原理研制的端面垂直度检测装置，工程实际应用结果表明，它具有检测精度高、操作简便、时间短的特点，极大地提高了检测效率，在提高生产效率方面具有重大的实际意义。

半球动压马达；双球碗；球心连线；端面垂直度

0　引言

半球动压马达转子具有对顶双球碗结构，其端面对两球碗球心连线的高精度垂直度在工序中的检测一直是个难题，原因是凹球球心是虚拟球心，常规计量手段无法直接确定和测量。目前行业上有电感旁向测头法和三坐标测量仪两种测量方法。图1所示为电感旁向测头法的基本原理，将被测零件的被测端面放置在平板上，用两个已固定在平板上的钢球将被测零件定位，将电感旁向测头接触到上端球碗的上边缘，读取电感仪读数，松开零件，并将零件旋转一定角度，重复上述计量，记录读数，如此测量一周，其数据最大差值的一半即为垂直度数值。该方法检测精度低，稳定性差（与操作者的经验和水平有关），耗时长，操作繁琐，易伤手指。图2所示为三坐标仪测量法，利用三坐标仪的球形测头分别在两个凹球球面的多个截面上进行多点测量（通常在单个球面上取3个截面Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ，每个截面取4个点P1、P2、P3及P4，两凹球共计24个点），经电脑拟合计算得出两球心的空间位置，进而确定其连线作为基准轴线，再对零件被测端面N进行多点测量（通常取4个点），最后经电脑数据处理得出端面与基准轴线的垂直度数值。此法有三点不足：

图1　电感旁向测头法Fig.1　Inductance probe method

图2　三坐标仪检测法Fig.2　The measurement method by using three coordinate instrument

1）测点多，耗时长，效率低，每次需检测28个点，用时至少20min。

2）生产效率低，工序中垂直度的频繁检测均需送至三坐标测量仪处进行，额外增加了很多运送和等待时间，极大地影响了生产效率。

3）依赖高精度三坐标仪和专业技能人员。

上述不足成为影响生产效率的重要瓶颈。因此，寻求新途径，实现工序中的垂直度快速检测一直是提高生产效率方面亟待解决的重要问题。

1　垂直度光学测量装置

1.1原理与构成

垂直度光学检测装置是利用光学方法直接测量被测零件端面法向角度偏差，进而得到相应的垂直度数值。图3所示为该垂直度光学检测装置的构成示意图，图4是检测装置主体的水平中心截面剖视图，现结合两图对该装置进行介绍。

图3　垂直度光学检测装置的构成Fig.3　The constitute of optical device for perpendicularity measurement

图4　装置主体剖面图Fig.4　The section view of the main device

1是整个装置的底座；2是平板，安装在底座1上；3是滑块，可在平板2上滑动；4是两个相隔而置的侧定位挡块，固定在平板2上面，与平板2构成一个高精度的基准二面体体系；滑块3的前端固定有动基准球头5，可随滑块3作精准的直线滑动，与其相对处有一个定基准球头6，它通过定基准球头座7固定在平板2上，动基准球头5和定基准球头6的相对运动形成了一个顶持机构，可将被测零件9夹持定位；一个U形高平行度的平行反光镜8跨在定基准球头6上方，并与被测零件9的待测端面贴合，其作用是将面积很小的零件环形被测端面放大为能够被自准直仪检测的有效反射面，平行反光镜8的法向即为被测零件端面的法向，通过自准直仪11检测平行反光镜8法线角度偏差便可测出被测端面的垂直度偏差。平行反光镜8与被测零件9待测端面的贴合压力由两侧固定在平板2上的两个磁铁10的磁力提供。

因被测零件两凹球球心距较短，端面垂直度对代表基准轴线的两个基准球球心，尤其是动基准球5球心的位置精度极为敏感，微小的误差都将成为基准偏差而导致测量误差。所以，保证动基准球5滑动时的重复定位精度是本装置的关键。为此，在滑块3的另一侧有两个杠杆压紧机构12，可分别绕其轴13转动，压紧机构的另一端各自有一个轴承14，分别顶压在滑块3前后两端的侧壁上，保证了滑块3在滑动时始终贴合在侧定位挡块4上，压力由弹簧15提供；同理，滑块3的上方也由两个杠杆压紧机构16对其进行施压，两个杠杆可分别绕其轴17旋转，杠杆的一端顶住压缩弹簧19，另一端是延伸至上端的轴承18，压在滑块3的顶面上，实现了滑板3移动时底面始终与平板2贴合。至此，滑块3在水平和垂直两个方向均被限制，保证了其直线滑动时的高精度，亦即动基准球5球心具有很高的重复定位精度。

平行反光镜8在垂直方向的支撑是通过磁悬浮的方式实现的，也即在平行反光镜8的底部安装有磁铁（图3中未显示），与其对应的下方平板2上也安装有两个磁铁20，上下两磁铁同极性相对安装，磁悬浮力平衡了平行反光镜8自身的重力，实现了对平行反光镜8在垂直方向的支撑。

滑块3的尾端由复位弹簧21顶住，复位压力的调节由螺钉22调节复位弹簧的压紧程度实现。23是滑块3上的推钮，24是与平板3固连的把手。

1.2垂直度光学测量装置的操作使用

使用时，两手指同时捏动推钮23和把手24，将滑块3移向右端，动基准球头5远离定基准球头6，将标准零件（即零垂直度误差零件）作为被测零件9置于定、动基准球头之间，松开推钮23，动基准球头5在复位弹簧21回复推力的作用下向左端移动，将标准零件顶持在定、动基准球头之间，再将平行反光镜8贴合在标准零件的端面上，用自准直仪11对准平行反光镜8的另一侧反光面，调整自准直仪11，直至其反射光标与自身的十字线中心重合，此时标准零件的标准端面法线（即零误差端面法向）方向被确定，取下标准零件，取而代之以实际被测零件9，按同样方法读取自准直仪11中返回光标的偏差值，此偏差值即为被测零件的垂直度角度误差，偏差方向即为端面法线的方位角。这种使用标准零件标定法线后再检测其他被检测件的方法较为直观、快速、方便，但须经常进行标准法线的标定。

实际检测中也可以免去上述先用标准零件标定标准法线方向的过程，简化为对被测零件的直接检测，即所谓“对称法”，其原理如图5所示，被测零件沿标准轴线OO'旋转时，相隔180°的两个光标A与A'必落于标准轴线OO'的对称位置，A与A'的间距即为垂直度角度偏差值的2倍，由此同样可以得出其端面垂直度偏差和方位角。具体做法如图6所示：先记录第一次光标位置A，再将被测零件绕轴线旋转180°得另一光标位置A'，A与A'的间距的一半即为垂直度角度偏差值，A与A'的矢量方向可确定端面法线的方向角α。

图5　对称法测偏角Fig.5　Measuring deflection angle by using symmetry method

最后通过借助于图像处理软件，电脑可直接显示出垂直度的数据值及端面的法向方位角度α。

2　结论

上述检测装置充分利用了光学检测精度高、速度快、方便直接的特点，实现了对端面垂直度的检测。工程应用的实际结果表明，它具有如下优点：

1）检测精度高，可实现角秒级检测，精度甚至高于三坐标仪。

2）用时短，效率高，检测时间不足1min，是使用三坐标仪的几十分之一。

3）体积小，造价低，使用方便，既可用于工序中检测，又可用于最终检测。

4）对使用者技能要求低，因摆脱了三坐标仪，无需专业技能人员操作。

因此，该装置解决了影响生产效率方面的重大瓶颈问题，在工程实际应用上具有重要的意义。

图6　两光标点确定偏差角及法向方位角Fig.6　Measuring deflection angle and normal angle by two cursor spots

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The Device for Perpendicularity Measurement of End Surface of Rotor for Hemisphere Dynamic Pressure Motor

DUAN Rong，XUE Feng-ju，DONG Jun-hua
（Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

The in-process perpendicularity measurement of end surface of rotor for hemisphere dynamic pressure motor has been a main bottleneck affecting production efficiency because we have no ideal measurement method so far. Currently，we have to rely on the three-coordinates measuring instrument for the measurement.The production efficiency is badly affected due to frequent measurement，multi points measurement and time consuming.The perpendicularity measurement device is introduced in this paper，which is developed based on the principle of optical detection.The results of practical engineering application shows that this device features simple operation，high precision and fast，greatly increased the measurement efficiency.It has great practical significance in improving production efficiency.

hemisphere dynamic pressure motor；dual bowl；ball center line；perpendicularity of end surface

U666.1

A

1674-5558（2016）05-01090

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.017

2015-03-17

段荣，男，机械设计专业，本科，高级工程师，研究方向为惯导平台总体结构设计。