大孔径工件内径测量装置设计

赵庆嵘 丁逸伦 毛敏

南通市计量检定测试所 江苏南通 226011

在机械、化工等诸多领域中会涉及很多大孔径工件，其内径尺寸对于这些部件和与之配合的部件之间的配合精度有着重要意义。为确保这些部件的内径尺寸符合工作和生产的需要，需要对这些内径尺寸进行测量，而由于部件的内壁上会存在诸多高点或低点，采用现有的测量工具(例如内径千分尺)并不能使测量工具与这些部件的测量部位进行很好的抵压，导致测量存在较大的误差，同时由于工件的口径深浅不一，采用传统的内径测量装置无法实现内径的测量，进而影响部件的安装质量，威胁设备的安全稳定运行。基于此种情况，需要设计出能够对这些大孔径工件进行高效、准确、便捷直径测量的测量装置。

工程技术人员已经对内径测量装置进行了部分研究设计，郭燕等[1]在研究现有深孔测量方法的基础上，设计了一种具有自定心功能的深孔参数测量装置，与现有测量系统比较，该设计优于光杠式行走测量装置，可用于中大型精密仪器轴孔内径的高精度自动化在线测量。李崎岩[2]研制了一种集成式的高精度测量装置，可以同时对大深径比孔的直线度、圆度及孔径和壁厚进行测量，解决当前测量中自动化程度低、精度低的问题。杨桐郁[3]提出将激光三角法应用到大尺寸轴孔类零件的内径测量中，设计了对应的测头和测量方法，大大提高了大尺寸轴孔类零件的测量、加工效率。丁正龙等[4]针对深孔零件内径测量精度要求高、测量空间受限的问题，利用机械测量转换机构和电感位移传感器，研制了一种深孔内径在线精密测量装置，该装置具有结构简单、测量精度高的优点，能够满足深孔内径在线测量要求。王小娟[5]针对异径管内径测量难的问题，设计了一种火炮身管内径自动测量系统，其不仅可以用于火炮身管内径的自动测量，而且还可以广泛应用于其他异径管类零件和多种深孔类零件的测量。姜丽华[6]根据大型轴承套圈的特点，结合测量要求设计了专用测量装置，采用套圈不动、量仪移动的方式，用二点法测量其内径尺寸，保证了大型轴承套圈的质量要求。郭健[7]提出了一种新型火车车轮内孔几何形状激光测量装置，采用单个高精度激光测距传感器，通过在轮毂内孔不同高度位置上旋转测量实现对火车轮内孔不同位置处的测量，并结合测量装置的标定方法，实现对火车轮内孔几何形状快速、高精度的测量。云鹏等[8]介绍了一种基于高准确度电感传感器和红宝石测头，在测长机上实现了深微孔径测量的方法，解决了深微孔内径的测量问题。

综上所述，对于深浅不一的大孔径工件的内径尺寸测量目前还没有明确涉及，因此，本文介绍了两种内径测量装置，能够分别对深口和浅口的大孔径工件的内径尺寸进行有效的测量。

1 设计内容

1.1 深口大孔径工件内径测量装置

本文设计的深口大孔径工件内径测量装置，主要是用于对深口、大孔径工件的内径尺寸进行测量。该内径测量装置的结构如图1所示，由定位装置、夹紧装置与测量装置三部分组成。

图1 深口内径测量装置整体结构图

该深口内径测量装置的主体组成部分及其作用如下：

(1)定位装置：定位装置包括定位销、回转臂、轴承、下端盖、上端盖等主要部件，用于内径测量装置在工件上的定位。测量时将定位销紧靠待测工件的内壁，作为待测工件内径一端的定位标准，定位销与回转臂之间通过轴承、下端盖和上端盖连接，因此，回转臂可绕着定位销做圆周旋转，通过旋转回转臂来定位待测工件内径的另一端。

(2)夹紧装置：夹紧装置包括夹臂、夹持螺母、V型压块和锁紧手臂，用于装置定位完成后在工件上的夹紧。夹臂与定位销上端固定连接，V型压块和夹臂的中心开有和夹持螺母配合的螺纹孔，当定位销定位完成后，通过转动夹持螺母带动V型压块向着靠近工件外壁的方向进给，V型压块的V型区域通过处理采用波纹状的纹路以增大与工件外壁的摩擦力，通过用V型压块夹紧工件外壁的方式来达到装置定位完成后在工件上的夹紧。回转臂的一端设置有套接于定位销的套筒，套筒的上部内壁设置有气涨圈，气涨圈经由设置在套筒上的气孔与外部的气源连通。利用气涨圈充气状态下与定位销之间的静摩擦力形成锁定效果。该锁定方式下，充气过程中的气流不会破坏定位机构的定位效果，确保了测量结果的精度。

(3)测量装置：测量装置包括导轨、内径测量头、数显模块和百分表，用于测量和显示数据。测量时首先将定位销一端夹紧在待测工件上，内径测量头与百分表上各安装有一个探头分别与工件的内壁与外壁相接触，通过旋转回转臂，观察百分表上的读数，当旋转到读数最大值时旋转锁紧手臂，完成回转臂的找正。当回转臂固定后，拨动与导轨上的滑块相连接的内径测量头，将其上的探头与工件的内壁相接触，安装在内径测量头上的数显模块就会显示出工件内径的测量值，至此测量完成。

该深口内径测量装置整体由定位装置、夹紧装置与测量装置三部分组成。深口内径测量装置的主体示意图如图2、图3所示。

图2 深口内径测量装置主体示意图A

图3 深口内径测量装置主体示意图B

具体操作步骤：首先自工件的开口处将定位销夹持于工件的内壁中，转动回转臂，尽量使得回转臂处于工件的直径上。然后利用定位机构进一步确保回转臂位于工件直径上，继而利用锁紧机构将回转臂相对于定位销锁紧。最后在回转臂上调节测量装置，获取此时回转臂所在工件直径的读数，完成测量。

1.2 浅口大孔径工件内径测量装置

本文设计的浅口内径测量装置，主要是用于浅口大孔径工件的内径尺寸测量，同时还要兼顾高效、准确、便捷的要求。由于现有的内径测量装置缺少对于浅口大孔径工件的内径尺寸参数测量的功能，所以，该内径测量装置的设计思路是使用定位销与内径测量头作为定位装置，进行浅口大孔径工件直径的测量，将光栅尺作为测量器件，数显装置显示测量数据。该内径测量装置的整体结构图如图4所示。

图4 浅口内径测量装置整体结构图

该浅口内径测量装置包括用于与待测工件的内壁相抵压的定位销和内径测量头，用于固定测量装置本体的上基座、下基座、前连接座、后连接座和定位键，上基座上安装有直线导轨和横式数显标尺，直线导轨滑块上安装内径测量头。上下基座上各安装有一根直线导轨，每条导轨上安装两个固定支架，用于平时摆放测量装置。上下基座上安装有2个把手，作为使用该测量装置进行测量时的握持装置，同时也便于平时搬运移动该测量装置。

测量装置本体由上基座和下基座组成，前连接座和后连接座用于连接上基座和下基座，靠近定位销的一端通过6组螺栓固定，另一端通过4组螺栓固定，测量装置本体前后两侧各用一块定位键连接，以此来保证装置的安装精度。

具体操作步骤：使用时握住与上下基座所连接的两个把手，先将定位销的小凸台抵在待测工件的内壁上，然后拖动内径测量头，通过调整定位销与内径测量头之间的距离来使定位销和内径测量头分别与待测工件的内壁完全抵压，从而实现内径测量装置与待测工件的测量部位之间更好地抵压。当完全抵压后通过沿着待测工件测量部位的直径方向转动测量装置，取得最大的数值作为测量值。

2 测量尺原理

光栅尺位移传感器(简称光栅尺)是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现代加工中心以及测量仪器等方面，可用于直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大、检测精度高、响应速度快的特点。

光栅位移传感器的工作原理是由一对光栅副中的主光栅(即标尺光栅)和副光栅(即指示光栅)进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间(或明暗相间)的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白(或明暗)相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90°的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。

3 两种内径测量装置的设计亮点

3.1 深口内径测量装置

(1)利用夹持机构使得工件一侧内壁沿口成为定位基础，结合回转臂和定位机构寻找工件内径方向的最大距离，继而在对回转臂进行锁定的基础上完成测量，测量精度较高。(2)测量范围依回转臂的长度而定，具有较好的适应性。(3)定位销不仅仅是回转臂的转动基础，也是与工件内壁纵向贴合的定位基础，可以确保夹持机构的姿态满足测量精度的要求。(4)利用气涨圈作为锁定机构，可以在完成回转臂的定位操作后，以尽量小的扰动实现对回转臂的锁定，进一步确保测量结果准确。(5)利用百分尺完成对回转臂的定位，可以确保回转臂处于管件的直径上。

3.2 浅口内径测量装置

为了减轻该测量装置的重量，实现其便于搬运和使用的目的，该装置进行了多处结构优化。(1)首先在上基座上进行了掏孔，靠近定位销一端掏去了一个矩形孔以减少材料的使用和减轻重量。(2)上基座中部仿照桥梁的结构进行了镂空设计，在保证强度满足要求的前提下大大减轻了整体的重量。(3)同时，下基座也将中部不影响测量的部分进行了减材处理，并使用了前后连接座连接的形式，尽可能地减小了该测量装置的整体重量，使其便于使用与搬运。

结语

本文基于深浅不一的大孔径工件的内径尺寸测量问题，介绍了两种内径测量装置，这两种内径测量装置采用光栅尺作为测量尺，针对深浅不一的大孔径工件分别设计了不同的机械机构，能够分别对深口和浅口的大孔径工件的内径尺寸进行有效的测量。为生产过程中工件的尺寸测量提供了支持，保证了工件的安装质量，显著提高了生产的效率，具有一定的社会与经济效益。