一种测量波形唇油封模芯唇口波形误差的测量装置及方法与流程

本发明涉及一种轴类零件形状误差测量装置，尤其是一种测量波形唇油封模芯唇口波形误差的测量装置及方法。

背景技术：

油封是用来封油的密封元件，其应用非常广泛，凡是运转箱体内有液体润滑油而又与外部相连的部位都需要油封。油封通常只是机械设备中的一个小部件，其成本相对于整机而言微不足道，但其对于设备的安全性却至关重要，国内外许多造成重大人员伤亡和财产损失的事故都是由于油封等密封件失效而导致的。为了解决油封的泄漏问题和改善油封的密封效果，20世纪60年代初国外成功研制了有“泵吸效应”的流体动力油封，使油封性能有了极大的飞跃。目前，流体动力油封已成为应用最为广泛的回转轴用油封。

现有的流体动力油封有回流纹油封和波形唇油封两种。回流纹油封是在密封唇的后表面模压回流纹(花纹)，根据流体动力学原理，其沟槽能将渗漏出的油“泵回”油腔，从而增强润滑性能与密封效果，提高可靠性,延长使用寿命。波形唇油封是将唇口设计成波形，安装后油封与旋转轴表面形成一正弦波形的接触区。在靠油侧的倾角较大的唇口把润滑油泵送回腔内，而靠空气侧倾角较小的唇口有助于刮除密封唇口下的油，波形唇油封的旋转轴表面具有更大的散热面积，从而降低了密封唇口的接触温度。与回流纹油封相比，波形唇油封在接触点处产生的摩擦阻力和产生的热量大大减少，减小了因过热开裂、起泡、硬化或润滑油膜破裂造成的油封过早失效，使油封寿命大大增加。波形唇油封唇口的波形结构是影响其泵油性能的重要指标。但波形唇油封唇口部位是由三条同相位的波形曲线所围成的两张直纹面组成，并且两张直纹面沿周向遍布整个柱状空间，结构比较复杂，如何保证油封唇口部位的制造精度尤其是与旋转轴接触的波形曲线的精度对油封的工作性能至关重要。由于油封大都是利用模具进行成型加工，波形唇油封唇口部位的制造精度取决于模芯的精度，因此对于波形唇油封模芯的制造精度尤其是唇口波形误差的检测非常重要。目前有关波形唇油封唇口波形误差检测的相关技术较少，现有的专利中的都是对波形唇油封结构的描述，缺乏用于波形唇油封唇口波形误差测量的仪器设备及方法，因此有必要发明出一种能够测量波形唇油封模芯唇口波形误差的测量装置。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种测量波形唇油封模芯唇口波形误差的测量装置。

本发明还提供上述测量装置的使用方法。

本发明的技术方案如下：

一种测量波形唇油封模芯唇口波形误差的测量装置，包括底板、定位夹紧装置、测量调节装置和电子放大镜装置，定位夹紧装置和测量调节装置相对设置在底板上表面；所述测量调节装置包括依次连接的导板转动装置、探针伸缩装置、探针旋转装置和探针，电子放大镜装置连接在探针伸缩装置前端并对准探针。本发明测量装置在使用时，将油封模芯夹持在定位夹紧装置上，将探针与油封模芯唇口相接触，通过探针获取油封模芯的唇口轨迹，以此获得油封模芯唇口波形误差。

优选的，所述定位夹紧装置包括支撑柱、支撑板、夹具体和斜楔夹紧块，支撑板的底部通过两根支撑柱连接在底板上，支撑板上开设有水平滑槽和竖直滑槽，上下两个夹具体相对设置并与竖直滑槽连接，左右两个斜楔夹紧块相对设置并与水平滑槽连接且左右两个斜楔夹紧块位于上下两个夹具体开设的斜面滑槽内，上下两个夹具体通过螺杆和调节螺母连接。

优选的，所述水平滑槽和竖直滑槽均为t型槽，所述夹具体和斜楔夹紧块均通过t型脚与t型槽连接。

优选的，所述导板转动装置包括支撑座、旋转固定台、支座上盖、摆动导板、导板转轴、丝杠和伺服电机，所述支撑座安装在底板上，摆动导板的底端与导板转轴连接，导板转轴的两端与支撑座连接并通过旋转固定台和支座上盖封装，摆动导板通过紧固螺栓与旋转固定台上开设的弧形槽连接，丝杠的上下两端通过丝杠固定板与摆动导板连接且丝杠的底端连接所述的伺服电机。

优选的，所述丝杠通过滚动轴承安装在丝杠固定板上。

优选的，所述导板转轴上设有轴肩，导板转轴通过轴肩对摆动导板和自身进行轴向定位。

优选的，所述探针伸缩装置包括导套、导柱、直线电机、第一拉线直线传感器、第二拉线直线传感器和拉线固定块，直线电机安装在导套内并与导柱连接，用于实现导柱在导套内的伸缩运动，拉线固定块安装在导柱前端并与安装在导套上的第二拉线直线传感器连接，导套末端套装在摆动导板上并与丝杠螺纹连接，第一拉线直线传感器安装在丝杠固定板上并与导套末端连接。

优选的，所述探针旋转装置包括探针固定轴和角度传感器，探针固定轴安装在导柱前端，角度传感器安装在导柱内并与探针固定轴相连，探针垂直固定在探针固定轴上。

优选的，所述电子放大镜装置包括磁性支座、第一连接杆、第二连接杆、固定座和电子放大镜，第一连接杆的末端通过万向轴头与磁性支座连接、前端与第二连接杆的末端铰接，第二连接杆的前端通过万向轴头与固定座连接，电子放大镜安装在固定座上。此设计的好处在于，通过磁吸的方式将磁性支座吸附在导柱前端，方便取下和调整电子放大镜的位置。

优选的，所述探针固定轴轴线与导柱中心线、导套中心线重合，并且与导板转轴轴线、定位夹紧装置的中心线相互平行。

一种测量波形唇油封模芯唇口波形误差的测量装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)建立测量坐标系

首先建立测量装置的坐标系，以摆动导板基准面的中线与导板转轴轴线的交点为原点o，以垂直底板向上方向为y轴正向，以导板转轴轴线远离定位夹紧装置的方向为z轴正向，利用右手定则确定x轴方向，建立测量坐标系o-xyz；

(2)测量装置初始化

旋转摆动导板使摆动导板背面中线与旋转固定台上的基准线对齐，此时摆动导板与底板垂直；旋转探针使探针固定轴上的基准线与导柱端面的基准线对齐，此时探针轴线与摆动导板基准面的中线平行；分别控制探针伸缩装置沿摆动导板上下滑动和探针伸缩装置的横向伸缩运动，使探针伸缩装置沿摆动导板到达最底端且探针伸缩装置的的导柱收缩至最短；在整个测量装置处在初始化状态时，两个角度传感器的读数都为0，两个拉线直线传感器的拉线长度变化量也都为0，探针固定轴轴线到坐标系原点o的距离为ρ，探针轴线到摆动导板基准面的距离为z,探针顶端到探针固定轴轴线的长度为l，同时规定摆动导板沿导板转轴轴线顺时针旋转时转角为正，逆时针旋转时转角为负；探针相对初始位置顺时针旋转时转角为正，逆时针旋转时转角为负；

(3)测量点的坐标获取

首先确定总的测量点数，为保证测量精度，在油封模芯唇口的一个波形周期中需要有8-10个测量点，根据油封模芯中波形的周期数来确定总的测量点个数n；

通过定位夹紧装置正确夹紧油封模芯，使模芯轴线与定位夹紧装置中心线重合；首先松动旋转固定台上的紧固螺栓，旋转摆动导板到适当位置后固定，再依次调节探针伸缩装置沿摆动导板上下滑动和探针伸缩装置的横向伸缩运动，使探针靠近油封模芯唇口的测量点附近；然后调节电子放大镜使其对准探针顶端，通过电脑观察所呈放大图像，依次调节探针伸缩装置的横向伸缩运动和探针旋转装置的旋转运动，使探针与油封模芯唇口的测量点刚好接触，此时读取传感器数据，摆动导板与y轴正向之间的角度为α1，摆动导板上的拉线直线传感器的拉线长度变化量为ρ’1，导套上的拉线直线传感器的拉线长度变化量为z1’，探针相对初始位置旋转角度为β1，记录下第一个测量点的数据，重复上述动作直至完成所有测量点的测量；

上述读取的仅仅是传感器本身的反馈数据，需要对数据进行整理计算，得到测量点在测量坐标系o-xyz下的坐标值；所以在第一测量点中，导套中心线到原点o的距离为ρ1，其中：

ρ1＝ρ+ρ′1(ⅰ)

探针轴线到摆动导板基准面的距离为z1，其中：

z1＝z+z′1(ⅱ)

则探针顶端(即测量点)的坐标为(x1,y1,z1)，其中

采用上述方法计算出所有测量点的坐标值，得到测量点集{vi}(i＝1,λ,n)；

(4)油封模芯唇口波形曲线的插值计算

根据测量点集{vi}(i＝1,λ,n)，利用三次均匀b样条插值原理反求出闭合波形曲线的控制点集{pj}(j＝1,2λ,n+2)，三次均匀b样条曲线方程为：

式中bj,3(t)为三次均匀b样条基函数，由曲线方程(ⅳ)可得到由多个光滑的曲线段连接形成的闭合的唇口波形曲线；

(5)油封模芯唇口的波形误差计算

在测量坐标系中以原点o为基准绘出理想波形曲线，由测量点得到的唇口波形曲线与理想波形曲线在同一坐标系下的不同位置，利用坐标变换原理，将由测量点得到的唇口波形曲线调整到与理想波形曲线在同一基准位置下，利用均分参数在由测量点得到的唇口波形曲线上取点，为保证精度，在每段曲线上取4-6个点，得到点列{g1,g2,λ,gm}(m为总的取点个数)，计算每一点到理想波形曲线的最短距离，得到误差参数系列{h1,h2,λ,hm}，绘出误差曲线，可以看出波形误差的变化趋势，其中最大值hmax则为最大波形误差。

本发明的有益效果在于：

1.本发明为波形唇油封模芯唇口波形误差的测量提供了一种测量装置，该测量装置结构设计巧妙、科学合理，测量精度高，配合设计的测量方法能够准确有效地测量出油封模芯唇口的波形误差。

2.本发明中的夹紧定位装置对于不同尺寸的工件夹紧定位时能够保证工件的轴线位置始终固定不变，即具有定心夹紧功能。并且基于v型块本身的结构特点能够更好的保证其定位夹紧的工件的中心轴线与探针固定轴轴线的平行度，有利于提高测量精度。

3.本发明不仅适用于波形唇油封模芯唇口波形误差的测量，还可用于测量其它柱类工件的圆柱度及圆度，应用价值广泛。

附图说明

图1为本发明测量装置结构示意图；

图2为摆动导板部分的局部视图；

图3为探针旋转装置连接示意图；

图4为定位夹紧装置结构示意图；

图5为电子放大镜结构示意图；

图6为导板转轴示意图；

图7为测量点坐标示意图；

其中：1底板，2支撑座，3旋转固定台，4支座上盖，5摆动导板，6导板转轴，7角度传感器，8紧固螺栓，9伺服电机，10第一拉线直线传感器，11滚动轴承，12丝杠，13丝杠固定板，14导套，15导柱，16直线电机，17第二拉线直线传感器，18拉线固定块，19探针，20探针固定轴，21角度传感器，22油封模芯，23螺杆，24夹具体，25斜楔夹紧块，26调节螺母，27支撑板，28支撑柱，a电子放大镜装置，a1磁性支座，a2第一连接杆，a4第二连接杆，a3螺丝螺母，a5固定座，a6电子放大镜。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1至图5所示，本实施例提供一种测量波形唇油封模芯唇口波形误差的测量装置，包括底板1、定位夹紧装置、测量调节装置和电子放大镜装置，定位夹紧装置和测量调节装置相对安装在底板1上表面；测量调节装置包括依次连接的导板转动装置、探针伸缩装置、探针旋转装置和探针19，电子放大镜装置连接在探针伸缩装置前端并对准探针19。

定位夹紧装置包括支撑柱28、支撑板27、夹具体24和斜楔夹紧块25，支撑板27的底部通过两根支撑柱28连接在底板1上，支撑板27上开设有水平滑槽和竖直滑槽，上下两个夹具体24相对设置并与竖直滑槽连接，左右两个斜楔夹紧块25相对设置并与水平滑槽连接，左右两个斜楔夹紧块25位于上下两个夹具体24开设的斜面v型滑槽内，上下两个夹具体24通过螺杆23和调节螺母26连接。后续通过拧紧或拧松调节螺母26，来调节上下两个夹具体24之间的间距，在上下两个夹具体24移动时，通过斜面滑槽的摩擦作用同时联动调节左右两个斜楔夹紧块25之间的间距，这样可以保证后续被夹持的油封模芯轴线始终与支撑板27的中心线重合。

导板转动装置包括支撑座2、旋转固定台3、支座上盖4、摆动导板5、导板转轴6、丝杠12和伺服电机9，支撑座2安装在底板1上，摆动导板5的底端与导板转轴6连接，导板转轴6的两端与支撑座2连接并通过旋转固定台3和支座上盖4封装，导板转轴6在支撑座2上转动，摆动导板5通过紧固螺栓8与旋转固定台3上开设的弧形槽连接，丝杠12的上下两端通过丝杠固定板13与摆动导板5连接且丝杠12的底端连接所述的伺服电机9，伺服电机9通过螺栓固定安装在摆动导板5一侧，伺服电机9的输出轴与丝杠12传动连接，通过伺服电机9驱动丝杠12转动，丝杠固定板13内嵌有滚动轴承11，丝杠12的上下两端贯穿滚动轴承11。

探针伸缩装置包括导套14、导柱15、直线电机16、第一拉线直线传感器10、第二拉线直线传感器17和拉线固定块18，直线电机16安装在导套14内并与导柱15连接，通过直线电机16实现导柱15在导套14内的伸缩运动，拉线固定块18安装在导柱15前端并与安装在导套14上的第二拉线直线传感器17连接，导套14末端套装在摆动导板5上并与丝杠12螺纹连接，第一拉线直线传感器10安装在下方的丝杠固定板13上并与导套14末端连接。后续通过第一拉线直线传感器10获取竖直方向上探针的位移量，通过第二拉线直线传感器17获取水平方向上探针的位移量。

探针旋转装置包括探针固定轴20和角度传感器21，探针固定轴20安装在导柱15前端，角度传感器21安装在导柱15内并与探针固定轴20相连，探针19垂直固定在探针固定轴20上。后续由探针19与油封模芯接触来获取油封模芯唇口的波形轨迹，当探针与油封模芯接触时，探针固定轴20在导柱15前端转动以适应油封模芯的波形轨迹，同时由角度传感器21获知探针的转动角度。

电子放大镜装置包括磁性支座a1、第一连接杆a2、第二连接杆a4、固定座a5和电子放大镜a6，第一连接杆a2的末端通过万向轴头与磁性支座a1连接、前端与第二连接杆a4的末端铰接，第二连接杆a4的前端通过万向轴头与固定座a5连接，电子放大镜a6安装在固定座a5上；磁性支座a1吸附在导柱15前端，本实施例中导柱15为铁质材料，通过磁吸的方式方便将电子放大镜装置连接在导柱前端，方便取下和调整电子放大镜的位置。

为保证后续测量的准确性和便捷性，使探针固定轴20轴线与导柱15中心线、导套14中心线重合，并且与导板转轴6轴线、定位夹紧装置支撑板27的中心线相互平行，这样设计可以减少不必要的参数，使测量过程更为简洁。

另外，伺服电机、角度传感器、第一拉线直线传感器、第二拉线直线传感器、直线电机、电子放大镜均与计算机连接，后期通过计算机来计算测量波形误差。

本实施例技术方案的工作原理：先将油封模芯夹持在定位夹紧装置上，再将探针与油封模芯唇口相接触，通过探针获取油封模芯的唇口轨迹，由计算机获知第一拉线直线传感器、第二拉线直线传感器、角度传感器等数据信息，后期通过计算机来测量油封模芯唇口波形误差。

实施例2：

一种测量波形唇油封模芯唇口波形误差的测量装置，结构如实施例1所述，其不同之处在于：支撑板27上的水平滑槽和竖直滑槽均为t型槽，夹具体和斜楔夹紧块均通过t型脚与t型槽连接。这样可以保证夹具体和斜楔夹紧块与支撑板连接的牢固性。

实施例3：

一种测量波形唇油封模芯唇口波形误差的测量装置，结构如实施例1所述，其不同之处在于：导板转轴6上设有轴肩，且轴肩截面为四方形，导板转轴6通过轴肩对摆动导板5和自身进行轴向定位。通过轴肩结构，可以使导板转轴与摆动导板固定连接在一起且无相对转动，连接关系简单可靠。

实施例4：

一种测量波形唇油封模芯唇口波形误差的测量装置的使用方法，利用实施例1所述的测量装置，包括以下步骤：

(1)建立测量坐标系

首先建立测量装置的坐标系，如图7所示，以摆动导板基准面的中线与导板转轴轴线的交点为原点o，以垂直底板向上方向为y轴正向，以导板转轴轴线远离定位夹紧装置的方向为z轴正向，利用右手定则确定x轴方向，建立测量坐标系o-xyz；

(2)测量装置初始化

旋转摆动导板使摆动导板背面中线与旋转固定台上的基准线对齐，此时摆动导板与底板垂直；旋转探针使探针固定轴上的基准线与导柱端面的基准线对齐，此时探针轴线与摆动导板基准面的中线平行；通过计算机分别控制探针伸缩装置沿摆动导板上下滑动和探针伸缩装置的横向伸缩运动，使探针伸缩装置沿摆动导板到达最底端且探针伸缩装置的的导柱收缩至最短；在整个测量装置处在初始化状态时，两个角度传感器的读数都为0，两个拉线直线传感器的拉线长度变化量也都为0，探针固定轴轴线到坐标系原点o的距离为ρ，探针轴线到摆动导板基准面的距离为z,探针顶端到探针固定轴轴线的长度为l，同时规定摆动导板沿导板转轴轴线顺时针旋转时转角为正，逆时针旋转时转角为负；探针相对初始位置顺时针旋转时转角为正，逆时针旋转时转角为负；

(3)测量点的坐标获取

首先确定总的测量点数，为保证测量精度，在油封模芯唇口的一个波形周期中需要有8-10个测量点，根据油封模芯中波形的周期数来确定总的测量点个数n；

通过定位夹紧装置正确夹紧油封模芯，使模芯轴线与定位夹紧装置中心线重合；首先松动旋转固定台上的紧固螺栓，旋转摆动导板到适当位置后固定，再依次调节探针伸缩装置沿摆动导板上下滑动和探针伸缩装置的横向伸缩运动，使探针靠近油封模芯唇口的测量点附近；然后调节电子放大镜使其对准探针顶端，通过电脑观察所呈放大图像，依次调节探针伸缩装置的横向伸缩运动和探针旋转装置的旋转运动，使探针与油封模芯唇口的测量点刚好接触，此时读取传感器数据，摆动导板与y轴正向之间的角度为α1，摆动导板上的拉线直线传感器的拉线长度变化量为ρ’1，导套上的拉线直线传感器的拉线长度变化量为z1’，探针相对初始位置旋转角度为β1，记录下第一个测量点的数据，重复上述动作直至完成所有测量点的测量；

上述读取的仅仅是传感器本身的反馈数据，需要对数据进行整理计算，得到测量点在测量坐标系o-xyz下的坐标值；所以在第一测量点中，导套中心线到原点o的距离为ρ1，其中：

ρ1＝ρ+ρ′1(ⅰ)

探针轴线到摆动导板基准面的距离为z1，其中：

z1＝z+z′1(ⅱ)

则探针顶端(即测量点)的坐标为(x1,y1,z1)，其中

采用上述方法计算出所有测量点的坐标值，得到测量点集{vi}(i＝1,λ,n)；

(4)油封模芯唇口波形曲线的插值计算

根据测量点集{vi}(i＝1,λ,n)，利用三次均匀b样条插值原理反求出闭合波形曲线的控制点集{pj}(j＝1,2λ,n+2)，三次均匀b样条曲线方程为：

式中bj,3(t)为三次均匀b样条基函数，由曲线方程(ⅳ)可得到由多个光滑的曲线段连接形成的闭合的唇口波形曲线；

(5)油封模芯唇口的波形误差计算

在测量坐标系中以原点o为基准绘出理想波形曲线，由测量点得到的唇口波形曲线与理想波形曲线在同一坐标系下的不同位置，利用坐标变换原理，将由测量点得到的唇口波形曲线调整到与理想波形曲线在同一基准位置下，利用均分参数在由测量点得到的唇口波形曲线上取点，为保证精度，在每段曲线上取4-6个点，得到点列{g1,g2,λ,gm}(m为总的取点个数)，计算每一点到理想波形曲线的最短距离，得到误差参数系列{h1,h2,λ,hm}，绘出误差曲线，可以看出波形误差的变化趋势，其中最大值hmax则为最大波形误差。