安图A2000PLUS仪器主轴系统中端面圆跳动的影响因素研究

2024-04-22王培艳秦兵兵仇凌燕李龙海赵鹏

机械工程师 2024年4期

王培艳，秦兵兵，仇凌燕，李龙海，赵鹏

（安图实验仪器（郑州)有限公司，郑州 450016）

0 引言

轴系主要包括轴上零件、轴承和轴，这些是仪器的重要组成部分，对仪器的正常运转有着重大的影响[1]。根据在传动链之中的地位不同，轴系可分为主轴轴系和传动轴系，一般对传动轴的精度要求不高，而作为执行件的主轴对完成机械运动、保证机械功能的实现具有直接影响，因此对主轴有较高的要求。本文所提轴系统为主轴系统，是安图A2000PLUS发光仪器的重要模块温育盘的主轴系统，该结构也是非标自动化设计中常见的设计形式，用途广泛。

在体外诊断仪器上的反应杯均匀分布在温育盘圆周的各个点上，所有其他模块的排布均以温育盘为中心进行交互，为了提高温育盘与各个模型的兼容性，需要控制整个组件运行过程中的盘的端面圆跳动，而温育盘结构就是典型的主轴系统。在仪器的模块检验过程中发现多例仪器温育盘平面度超过标准要求的问题，会造成其他模块与温育盘交互时发生仪器故障，需要针对此问题进行排查、解决。

图1 轴的端面圆跳动示意图

平面度误差是指被测实际表面相对其理想平面的变动量[5]。实际平面的凹凸变化很可能会导致圆跳动的变化，所以端面的圆跳动受端面平面度的影响很大。

同轴度公差是指以理论位置作为基准轴线[6]，实际轴线相对于理论轴线在径向的不同方向上均存在多个公差值[7-8]，因而其公差带是一个以基准轴为中心轴线的圆柱体，该圆柱体的直径为其公差值。

端面圆跳动的影响因素还有垂直度。垂直度表示的是一种位置公差，其公差带是一个垂直于基准平面的圆柱面内区域，其圆柱面的直径为其公差值。据国家标准的解释，端面圆跳动在一定条件下反映端面对轴线的垂直度误差[9]，可用垂直度替代端面圆跳动[10-11]。

1 组件整体简化

先对温育盘所在主轴系统进行简化（如图2），分析该系统中可能影响盘面的端面圆跳动的因素：1）因为接触位置不同，轴系统偏摆造成的温育盘圆跳动偏差；2）连接件与温育盘的配合面和与主轴的理想轴线的垂直度偏差造成的盘端面圆跳动偏差；3）轴与连接件的间隙造成的盘端面圆跳动偏差；4）连接件与温育盘的间隙造成的盘端面圆跳动偏差；5）连接件的同轴度造成的端面圆跳动偏差；6）连接件与盘的配合面处的连接件的平面度影响；7）盘本身的平面度的影响。

图2 盘面与轴配合简化图

结合使用要求将给定的轴系统旋转一周，温育盘面的端面圆跳动符合要求（≤0.3 mm），但实际装配完成后会出现个别超差的问题。为了解决上述问题，现对相关零部件的上述几个可能影响因素进行分析。为简化分析，把轴、连接件和温育盘做为一个整体，简化模型后，因轴与连接件的配合间隙（影响因素3））、连接件与温育盘的配合间隙（影响因素4））和连接件的同轴度（影响因素5））与温育盘的端面圆跳动方向垂直，对温育盘的端面圆跳动无影响，因此可忽略因素3）、因素4）、因素5）的影响。因温育盘较厚，不会因为连接件和温育盘的配合面的不平而变形产生温育盘的端面圆跳动误差，因此因素6）的影响也可忽略。因为主轴固定点和温育盘不在同一个位置，会产生偏摆，其原理如图2所示。一方面考虑把上述的因素1）、因素2）作为一个整体作为垂直度的偏摆；另外一方面考虑平面的影响把因素7）作为一个直接影响因素。两个方面的影响叠加起来即为所有需要考虑的端面圆跳动的影响因素。

2 理论分析计算

温育盘的支撑在底部，首先考虑偏摆的影响，因为主轴是细长件，盘面的端面较大，越到盘的边沿，影响就越大。

的表达水平 PBMCs于37℃水浴复苏后，HBSS洗涤，取(1～2)×106个细胞，加入1 mL Trizol，按照说明书提取总RNA。检测RNA纯度及浓度，取1 μg RNA的液体量，配制反转录反应液，37℃ 15 min、85℃ 5 s，逆转录cDNA。取cDNA 1 μL，配制qRT-PCR反应液，反应体系为20 μL。反应条件：95℃预变性30 s，95℃扩增5s，60℃延伸30 s；共40个循环。以GAPDH作为内参，记录Ct值，计算相对RNA含量。

如图3所示，前两项偏摆对端面圆跳动的影响进行如下推导：

图3 理论计算示意图

在主轴的垂直度为0.02 mm，连接件同轴度为0.02 mm的情况下，计算出盘面的最大偏差为

从结果来看，偏摆对系统的端面圆跳动影响不可忽视，尤其是主轴系统的端面直径与轴的长度比较大的情况下，需特别注意。

因素7）对端面圆跳动的影响是直接影响，需直接计算在内，其影响为Δ2max=0.2 mm。

叠加两个方面的影响计算端面圆跳动为

从结果来看：1）同轴度、垂直度等造成的主轴系统的偏摆，因为盘端面直径与轴长比较大而放大其影响，不可忽略，但同轴度、垂直度已经是高精度配合，因此后续重点考虑平面度的影响。2）计算出来的极限情况下端面圆跳动超过标准要求，有不能满足使用要求的风险，需要提高平面度的公差。

温育盘的平面度影响最大，因此考虑提高盘的平面度值，将平面度调整至0.1 mm的情况下，计算出盘面的最大偏差为Δ2max′=0.1 mm。重新计算综合影响结果为

可以满足端面圆跳动偏差小于0.3 mm的要求。

3 实装验证

3.1 测量方法和工具

盘和转接件的平面度及主轴的同轴度用三坐标测量仪进行主轴同轴度和转接件垂直度的测量，并使用带激光位移传感器的平台测量盘面的端面圆跳动，跟踪一定数量的物料的同轴度情况及其装配后盘的圆跳动结果。其中测量温育盘的端面圆跳动装置如图4所示。

图4 测量平台原理图

3.2 实测物料数据计算

随机选取6组包含主轴、转接件和温育盘的形位公差进行测量。其中主轴的测量是指主轴的同轴度测量，现要求标准为0.02 mm，测量结果如表1所示。

表1 主轴实测结果

转接件的测量数据包括转接件的轴肩即温育盘下端面配合的平面和与主轴配合的轴心的垂直度。其中轴肩的垂直度标准为0.02 mm。其测量结果如表2所示。

表2 连接件实测结果

温育盘的平面度是指上端面的平面度，要求标准为0.2 mm，其测量结果如表3所示。

表3 温育盘实测结果

从上述测量数据来看，主轴的同轴度存在超差问题，需要更改物料主轴同轴度的检验方式即由抽检改为全检。

对上述3种零件进行组合后把测量数据代入理论公式进行计算，得到温育盘的端面圆跳动值如表4所示。

表4 组合后计算理论端面圆跳动结果

从理论计算结果可以看出：1）当温育盘平面度小于0.1 mm时，同时主轴的同轴度和转接件的垂直度都达到标准要求0.02 mm时，即组合方式为3、4、5、6项时，温育盘端面圆跳动满足0.3 mm的要求。2）当温育盘平面度为（0.1，0.2）mm时，即组合形式为1、7～11时，端面圆跳动有部分满足0.3 mm的要求，个别端面圆跳动不满足0.3 mm的要求（为第7、9、11项组合形式）。2）当主轴同轴度超过标准0.02 mm，但转接件的垂直度达到标准0.02mm，温育盘的平面度达到0.1 mm的标准要求时，即组合方式为2时，温育盘端面圆跳动不满足0.3 mm的要求。

上述结果也验证了理论计算中需要进行调整并把盘的平面度公差标准调整到0.1 mm才能达到盘的端面圆跳动小于0.3 mm的要求。

3.3 实装验证

对上述6套主轴、转接件和温育盘进行组合装配，装配完成后，使用工装平台对温育盘端面圆跳动进行测量，其结果如表5所示。

表5 组合装配后测量系统端面圆跳动结果

从结果来看：1）当温育盘的平面度均小于0.1 mm，且影响偏摆的同轴度和垂直度均小于0.02 mm时，所有的组合，即3、4、5、6项组合形式结果都满足端面圆跳动小于0.3 mm的标准；2）即使主轴同轴度未达0.02 mm标准，实际端面圆跳动也可能小于0.3 mm；3）实际所有装配结果的端面圆跳动值均小于理论结算结果。