一种测量回转零件轴线弯曲的杠杆球式精密测量试验台

1.本发明属于回转零件精密测量领域，尤其涉及一种测量回转零件轴线弯曲的杠杆球式精密测量试验台的结构设计和传动原理设计。


背景技术：

2.在工程应用中，为了实现动力和运动的传递，回转零件被广泛应用于各种工程设备中。回转零件可以根据其截面形状分为两类，一类为截面形状规则的零件，如棱柱、光轴、阶梯轴，另一类为截面形状不规则或截面轮廓为复杂函数曲线的零件，如凸轮、曲轴。随着工程技术的发展，加工制造精度更高的设备是机械、电子、航空航天、通信等领域发展的共同需求，而零件的高精密加工是确保精密设备性能的前提，而零件的精密测量是验证高精密零件加工精度的保证。
3.目前常用的回转体零件测量方法主要包括两类：一类为接触式测量，常见的测量方式为平折杠杆式测量和三坐标测量机测量。前者结构简单成本较低，但是其只能测量截面为连续凸多边形的回转零件，平折杠杆式测量方法在测量截面为凹多边形的零件时会丢失凹陷面的测试数据，在测量正多边形时仅能测量几个尖角，有效信息量大大减少，系统误差较大；而后者测量数据过于离散，无法准确全面的反映零件的真实误差，且该方法对检测人员技能要求高，检测结果与人为因素关联较大，劳动强度大。另一类为非接触式测量，常见的测量方法为激光三角测量法和图像分析法，两种方法均易受环境因素的干扰，周围环境明暗程度、厂房内的灰尘、水汽会严重影响检测效果；同时，激光位移传感器和ccd摄像机成本高，电子元器件工作条件苛刻。
4.综上所述，当前急需一种结构简洁、成本可控、操作简便且能够准确测量截面为任意形状回转零件的精密测量设备，该设备既可以带动被测零件做连续回转运动以实现被测零件截面轮廓的连续测量，同时测量机构也可以沿零件轴线方向运动，以实现被测零件不同截面的测量。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种测量回转零件轴线弯曲的杠杆球式精密测量试验台，该试验台通过步进电机驱动顶尖旋转进而带动被测零件做回转运动，杠杆球式测量机构可测量截面为任意形状的回转零件，伺服电机带动测量机构沿被测零件轴线运动以实现被测零件多个截面的测量，接触式位移传感器和编码器协同配合工作可以实现被测零件表面形貌信号及其对应相位角的实时采集。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种测量回转零件轴线弯曲的杠杆球式精密测量试验台，由主动顶尖组件a、从动顶尖组件b、移动组件c、测量组件d、底板组件e组成。主动顶尖组件a的主动组件安装支架9固接于底板63的右方；从动顶尖组件b的导轨滑块组ⅰ18、导轨滑块组ⅱ19固接于底板63的左方，铰接支架组20固接于底板63的最左侧，两导轨滑块组中间位置；移动组件c的光栅尺
39固接于底板63的后方，丝杠滑台35固接于底板63上光栅尺39前侧的位置；测量组件d的杠杆支架组62下端固接于移动组件c的手动滑台42上。
8.所述的主动顶尖组件a由主动顶尖1、顶尖锁紧螺钉2、轴承座3、主轴4、编码器5、键ⅰ6、齿轮ⅰ7、轴承座支架8、主动组件安装支架9、编码器支架10、电机支架11、齿轮ⅱ12、键ⅱ13、法兰盘14、步进电机15组成。主动顶尖1通过顶尖锁紧螺钉2与主轴4固接，主轴4与轴承座3内圈过盈连接并通过轴肩定位，轴承座3下端与轴承座支架8固接，编码器5内圈与主轴4同样为过盈连接并通过轴肩定位，编码器5右侧与编码器支架10固接，主轴4最右端通过键ⅰ6与齿轮ⅰ7连接；齿轮ⅰ7与齿轮ⅱ12啮合，齿轮ⅱ12与法兰盘14之间通过键ⅱ13连接，法兰盘14右端固接于步进电机15上，步进电机15轴线穿过电机支架11的安装孔，并固接于电机支架11上，轴承座支架8、编码器支架10、电机支架11从左到右依次固接于主动组件安装支架9上，主动组件安装支架9下端固接于底板组件e的底板63上。
9.所述的从动顶尖组件b由从动顶尖16、从动顶尖支架17、导轨滑块组ⅰ18、导轨滑块组ⅱ19、铰接支架组20、推杆21、销轴ⅰ22、销轴ⅱ23。导轨滑块组ⅰ18与导轨滑块组ⅱ19结构相同，其中导轨滑块组ⅰ18由型材i24、导轨i25、滑块i26、限位支架i27、限位支架ⅱ28组成，导轨滑块组ⅱ19由型材ⅱ29、导轨ⅱ30、滑块ⅱ31、限位支架ⅲ32、限位支架ⅳ33组成。从动顶尖16下方固接于从动顶尖支架17上，从动顶尖支架17与滑块i26和滑块ⅱ31固接。导轨滑块组ⅰ18的导轨i25固接于型材i24上，滑块i26在导轨i25上自由滑动，限位支架i27与限位支架ⅱ28固接于型材i24两端；导轨滑块组ⅱ19的导轨ⅱ30固接于型材ⅱ29上，滑块ⅱ31在导轨ⅱ30上自由滑动，限位支架ⅲ32与限位支架ⅳ33固接于型材ⅱ29两端。推杆21左端与销轴ⅰ22间隙连接，销轴ⅰ22与铰接支架组20固接；右端与销轴ⅱ23间隙连接，销轴ⅱ23与从动顶尖支架17下端的铰点固接。
10.所述的移动组件c由伺服电机34、丝杠滑台35、光栅尺39、手动滑台42、手动滑台安装板46、刻度尺47组成。丝杠滑台35由丝杠36、丝杠滑台滑块37、丝杠滑台底座38组成，光栅尺39由标尺光栅40和光栅读数头41组成，手动滑台由手动滑台滑块43、手动滑台底座44、手动滑台丝杠45组成。伺服电机34固接于丝杠滑台35左端，伺服电机34的转轴与丝杠滑台35的丝杠36固接，手动滑台安装板46后端与光栅尺39的光栅读数头41固接，手动滑台安装板46上下表面分别与丝杠滑台35的丝杠滑台滑块37和手动滑台底座44固接，刻度尺47固接于手动滑台底座44左侧面，刻度尺47的0刻线与手动滑台滑块43后侧面限位线重合。
11.所述测量组件d由球式测杆48、测杆安装架49、杠杆50、轴承ⅰ51、轴承ⅱ52、回转轴53、弹簧座ⅰ54、顶块55、限位杆56、复位弹簧57、锁紧螺母58、接触式位移传感器59、弹簧座ⅱ60、横杆61、杠杆支架组62。球式测杆48安装于测杆安装架49上的孔中，球式测杆48的伸出量可以根据测量需要任意调节；测杆安装架49下端固接在杠杆50上，回转轴53穿过杠杆50中部孔，两者为过盈连接，回转轴53两端外圆表面与轴承ⅰ51、轴承ⅱ52的内圈为过盈连接，并通过回转轴53的轴肩定位，弹簧座ⅰ57和顶块55分别通过自身的螺纹结构与杠杆50固接；轴承ⅰ51、轴承ⅱ52的外圈与杠杆支架组62的内圆面过盈连接；杠杆支架组62中部固接一个横杆61，横杆61上从前往后依次固接有弹簧座ⅱ60、限位杆56和接触式位移传感器59，其中弹簧座ⅱ60依靠自身的螺纹结构与横杆61固接，限位杆56上下通过锁紧螺母58固定；弹簧座ⅰ54和弹簧座ⅱ60之间通过复位弹簧57弹性连接，接触式位移传感器59探头与顶块55下表面为点接触。
12.所述底板组件e由底板63和支座64组成，支座64为圆台结构，6个支座64分别固接于底板63的四个角和中间位置。
13.安装时需要调节主动顶尖组件a的主动顶尖1与从动顶尖组件b的从动顶尖16同轴，球式测杆48的测球球心与两端顶尖处于同一竖直平面，通过改变球式测杆48的伸出量和测球尺寸可以测量不同尺寸的零件。
14.本发明的工作过程如下：
15.(1)检查试验台各部件接线情况和电子元器件状态；
16.(2)试验台通电，启动伺服电机34，测量组件d在丝杠36的带动下左右运动至测点位置；
17.(3)转动移动组件c中手动滑台42的手柄，调节测量组件d中球式测杆48测球的位置，使测球近似与两侧顶尖轴线位于同一竖直平面上，记录手动滑台42中手动滑台滑块43的位置；
18.(4)将被测零件装夹到两顶尖之间，装夹方式为主动顶尖1不动，推杆21推动从动顶尖支架17向右运动，从而带动从动顶尖16夹紧被测零件；
19.(5)设定步进电机15的转速和接触式位移传感器59、编码器5的信号采集时间；
20.(6)开启步进电机15，步进电机15带动被测零件匀速旋转；
21.(7)被测零件转动平稳后，使接触式位移传感器59和编码器5同时开始采集被测零件轮廓信息和转角信息；
22.(8)采集信号结束后，步进电机15停止转动，将回转零件被测截面轮廓信息和转角信息存储为数据文件；
23.(9)
①
同一零件多点位测量：启动伺服电机34，测量组件d在丝杠36的带动下运动至第二测点位置，重复步骤(5)——步骤(8)。
24.②
批量零件同一点位检测：推杆21带动从动顶尖支架17向右运动，将被测零件取下，换用另一被测零件，重复步骤(4)——步骤(8)。
25.(10)实验结束后，卸下被测零件，将丝杠滑台35和手动滑台复位，关闭试验台电源。
26.本发明的优势在于：
27.1.本装置结构简洁，传动链较短，装置累积误差较小；装置应用场景灵活，一次调试即可以实现回转零件的批量检测，成本较低，效率高；
28.2.克服了传统平折式杠杆测量机构只能测量截面为凸多边形的零件的局限性，本试验台的球形测头可以保证在任意时刻都有且仅有一个测点与被测零件表面接触，测量数据准确有效，无效数据点少，数据拟合效果更好；
29.3.该试验台可以测量任意截面形状的回转体零件，通用性强；通过更换不同尺寸的测球以及调整测量组件的结构尺寸，可以测量截面为任意形状的回转零件，移动组件带动测量组件沿被测零件轴线方向运动可实现多个截面的测量，应用领域广，检测效率高。
附图说明
30.图1为本发明的总体结构轴测图(右前向)
31.图2为本发明的总体结构主视图(前向)
32.图3为本发明的主动顶尖组件a轴测图(左前向)
33.图4为本发明的主动顶尖组件a爆炸图(左前向)
34.图5为本发明的从动顶尖组件b轴测图(右前向)
35.图6为本发明的从动顶尖组件b轴测图(左前向)
36.图7为本发明的移动组件c轴测图(左前向)
37.图8为本发明的测量组件d轴测图(左前向)
38.图9为本发明的测量组件d轴测图(左后向)
39.图10为本发明的底板组件e轴测图(左前向)
40.其中：a.主动顶尖组件 b.从动顶尖组件 c.移动组件 d.测量组件 1.主动顶尖 2顶尖锁紧螺钉 3.轴承座 4.主轴 5.编码器 6.键
ⅰꢀ
7.齿轮
ⅰꢀ
8.轴承座支架 9.主动组件安装支架 10.编码器支架 11.电机支架 12.齿轮
ⅱꢀ
13.键
ⅱꢀ
14.法兰盘 15.步进电机 16.从动顶尖 17.从动顶尖支架 18.导轨滑块组
ⅰꢀ
19.导轨滑块组
ⅱꢀ
20.铰接支架组 21.推杆 22.销轴
ⅰꢀ
23.销轴
ⅱꢀ
24.型材i 25.导轨i 26.滑块i 27.限位支架i 28.限位支架
ⅱꢀ
29.型材
ⅱꢀ
30.导轨
ⅱꢀ
31.滑块
ⅱꢀ
32.限位支架
ⅲꢀ
33.限位支架
ⅳꢀ
34.伺服电机 35.丝杠滑台 36.丝杠 37.丝杠滑台滑块 38.丝杠滑台底座 39.光栅尺 40.标尺光栅 41.光栅读数头 42.手动滑台 43.手动滑台滑块 44.手动滑台底座 45.手动滑台丝杠 46.手动滑台安装板 47.刻度尺 48.球式测杆 49.立架 50.杠杆 51.轴承
ⅰꢀ
52.轴承
ⅱꢀ
53.回转轴 54.弹簧座
ⅰꢀ
55.顶块 56.限位杆 57.复位弹簧 58.锁紧螺母 59.接触式位移传感器 60.弹簧座
ⅱꢀ
61.横杆 62.杠杆支架组 63.底板 64.支座
41.具体实施方法
42.以下结合附图对本发明进行进一步说明：
43.如图1、图2所示，本发明由主动顶尖组件a、从动顶尖组件b、移动组件c、测量组件d、底板组件e组成。主动顶尖组件a的主动组件安装支架9固接于底板63的右方；从动顶尖组件b的导轨滑块组ⅰ18、导轨滑块组ⅱ19固接于底板63的左方，铰接支架组20固接于底板63的最左侧，两导轨滑块组中间位置；移动组件c的光栅尺39固接于底板63的后方，丝杠滑台35固接于底板63上光栅尺39前侧的位置；测量组件d的杠杆支架组62下端固接于移动组件c的手动滑台42上。
44.如图1、图2所示，安装调试试验台时，调整主动顶尖组件a的主动顶尖1与从动顶尖组件b的从动顶尖16同轴，球式测杆48的测球球心与两端顶尖处于同一竖直平面，通过调节球式测杆48的伸出量和测球尺寸以实现不同尺寸回转零件的测量。装夹被测零件时，主动顶尖组件a固定不动，从动顶尖组件b的从动顶尖16与从动顶尖支架17在推杆21的带动下向右运动；卸载被测零件时，主动顶尖组件a固定不动，从动顶尖16与从动顶尖支架17在推杆21的带动下向左运动。
45.如图3、图4所示，所述的主动顶尖组件a由主动顶尖1、顶尖锁紧螺钉2、轴承座3、主轴4、编码器5、键ⅰ6、齿轮ⅰ7、轴承座支架8、主动组件安装支架9、编码器支架10、电机支架11、齿轮ⅱ12、键ⅱ13、法兰盘14、步进电机15组成。主动顶尖1通过顶尖锁紧螺钉2与主轴4固接，主轴4与轴承座3内圈过盈连接并通过轴肩定位，轴承座3下端与轴承座支架8固接，编码器5内圈与主轴4同样为过盈连接并通过轴肩定位，编码器5右侧与编码器支架10固接，主轴4最右端通过键ⅰ6与齿轮ⅰ7连接；齿轮ⅰ7与齿轮ⅱ12啮合，齿轮ⅱ12与法兰盘14之间通过
键ⅱ13连接，法兰盘14右端固接于步进电机15上，步进电机15轴线穿过电机支架11的安装孔，并固接于电机支架11上，轴承座支架8、编码器支架10、电机支架11从左到右依次固接于主动组件安装支架9上，主动组件安装支架9下端固接于底板组件e的底板63上。
46.如图5、图6所示，所述的从动顶尖组件b由从动顶尖16、从动顶尖支架17、导轨滑块组ⅰ18、导轨滑块组ⅱ19、铰接支架组20、推杆21、销轴ⅰ22、销轴ⅱ23。导轨滑块组ⅰ18与导轨滑块组ⅱ19结构相同，其中导轨滑块组ⅰ18由型材i24、导轨i25、滑块i26、限位支架i27、限位支架ⅱ28组成，导轨滑块组ⅱ19由型材ⅱ29、导轨ⅱ30、滑块ⅱ31、限位支架ⅲ32、限位支架ⅳ33组成。从动顶尖16下方固接于从动顶尖支架17上，从动顶尖支架17与滑块i26和滑块ⅱ31固接。导轨滑块组ⅰ18的导轨i25固接于型材i24上，滑块i26在导轨i25上自由滑动，限位支架i27与限位支架ⅱ28固接于型材i24两端；导轨滑块组ⅱ19的导轨ⅱ30固接于型材ⅱ29上，滑块ⅱ31在导轨ⅱ30上自由滑动，限位支架ⅲ32与限位支架ⅳ33固接于型材ⅱ29两端。推杆21左端与销轴ⅰ22间隙连接，销轴ⅰ22与铰接支架组20固接；右端与销轴ⅱ23间隙连接，销轴ⅱ23与从动顶尖支架17下端的铰点固接。
47.如图7所示，所述的移动组件c由伺服电机34、丝杠滑台35、光栅尺39、手动滑台42、手动滑台安装板46、刻度尺47组成。丝杠滑台35由丝杠36、丝杠滑台滑块37、丝杠滑台底座38组成，光栅尺39由标尺光栅40和光栅读数头41组成，手动滑台由手动滑台滑块43、手动滑台底座44、手动滑台丝杠45组成。伺服电机34固接于丝杠滑台35左端，伺服电机34的转轴与丝杠滑台35的丝杠36固接，手动滑台安装板46后端与光栅尺39的光栅读数头41固接，手动滑台安装板46上下表面分别与丝杠滑台35的丝杠滑台滑块37和手动滑台底座44固接，刻度尺47固接于手动滑台底座44左侧面，刻度尺47的0刻线与手动滑台滑块43后侧面限位线重合。
48.如图8、图9所示，所述测量组件d由球式测杆48、测杆安装架49、杠杆50、轴承ⅰ51、轴承ⅱ52、回转轴53、弹簧座ⅰ54、顶块55、限位杆56、复位弹簧57、锁紧螺母58、接触式位移传感器59、弹簧座ⅱ60、横杆61、杠杆支架组62。球式测杆48安装于测杆安装架49上的孔中，球式测杆48的伸出量可以根据测量需要任意调节；测杆安装架49下端固接在杠杆50上，回转轴53穿过杠杆50中部孔，两者为过盈连接，回转轴53两端外圆表面与轴承ⅰ51、轴承ⅱ52的内圈为过盈连接，并通过回转轴53的轴肩定位，弹簧座ⅰ57和顶块55分别通过自身的螺纹结构与杠杆50固接；轴承ⅰ51、轴承ⅱ52的外圈与杠杆支架组62的内圆面过盈连接；杠杆支架组62中部固接一个横杆61，横杆61上从前往后依次固接有弹簧座ⅱ60、限位杆56和接触式位移传感器59，其中弹簧座ⅱ60依靠自身的螺纹结构与横杆61固接，限位杆56上下通过锁紧螺母58固定；弹簧座ⅰ54和弹簧座ⅱ60之间通过复位弹簧57弹性连接，接触式位移传感器59探头与顶块55下表面为点接触。
49.如图10所示，所述底板组件e由底板63和支座64组成，支座64为圆台结构，6个支座64分别固接于底板63的四个角和中间位置。