基于激光位移传感器的键槽对称度非接触检测方法研究.pdf
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1、基金项目:国家青年科学基金();江苏省青年科学基金()收稿日期:年 月基于激光位移传感器的键槽对称度非接触检测方法研究唐莹,董宝江,位宝垒,李国超,周宏根,管小燕江苏科技大学机械工程学院;河南柴油机重工有限责任公司摘要:对称度是键槽重要的几何公差之一,其数值大小直接决定了传动机构的性能。目前,基于专用量具的接触式测量方法存在容易划伤零件表面、自动化程度低和测量精度低等问题,提出基于激光位移传感器的键槽对称度非接触检测方法,通过传感器采集多个键槽截面轮廓数据,采用空间解析几何原理提取轮廓关键点坐标值,并推导出获得对称度误差的数学表达式。与三坐标测量结果进行试验对比,结果表明,所提出的方法检测误差
2、小于 。关键词:对称度误差;键槽;激光位移传感器中图分类号:;文献标志码:,:,:;?引言轴类零件作为机器的典型零件之一,常用于支承齿轮、凸轮和带轮等传动件,工作转速高,同时需要承受较大的扭矩。键槽通过固定键来传递扭矩,使轴与传动件之间实现同步转动而不发生打滑,因此键槽的精度对传动效率有较大影响,其加工制造往往精度要求高。键槽的对称度误差是反映键槽加工质量的重要指标,该误差较大会引起传动装置受力不均和对中精度降低等问题 。为了保证轴类零件传动的安全性,必须对键槽对称度进行严格的检测。本文以图 所示对称度误差为例,介绍了一种激光位移传感器测量对称度误差的方法。?键槽对称度测量基本原理目前,对轴类
3、零件键槽的对称度检测方法主要包括传统测量法 、坐标测量法 和测量块测量法 。传统测量法使用 形块固定轴,同时用于模拟轴的基准轴线,用定位方块模拟键槽的中心面,调整定位块与平板径向平行,在两端分别测量其距离,反转 后再次测量,最后由公式计算得到对称度误差 。该方法会将定位元件的不对称误差引入测量结果,不适合大批量零件的对称度检测 。坐标测量法通过坐标测量机提取被测圆柱面并拟合确定其导出轴线,拟合两个键槽侧平面并提取导出中心面,在轴线所体现的基准约束下采用最小区域法定位最小区域,得到两拟合平行平面间的距离,即为该键槽的对称度误差 。该测量法测量精度高,但设备成本较大,检测时间较长 ,适合对零件进行
4、综合而非单一形位误差检测,同时还易划伤工件表面 。测量块测量法是将轴固定,以能否放入测量块或标准圆柱作为检验其是否合格的标准。虽然该方法能显示零件是否满足对称度要求,但不能确定具体的对称度误差值。?键槽对称度误差概念分析对称度误差通常表示两个及以上表面相对位置的中点与基准轴或基准中心平面一致的程度。轴类零件键槽对称度是指两个键槽平行内表面的对称面工 具 技 术与过轴线的基准平面一致的程度 。如图 所示,在轴键槽截面上键槽边缘至中心轴线的距离分别为 ,若键槽边缘关于中心线对称,则 。若 或 ,则键槽发生偏移;若键槽不同截面上同时分别存在 和 ,则键槽发生扭曲,键槽截面的对称度误差应为 与 差值绝
5、对值的一半。图 对称度误差分析?检测原理为获得键槽对称度误差数学表达式,需要建立键槽检测绝对坐标系 ,其中点 位于被测轴轴线上,轴与被测轴的轴线重合,坐标平面位于垂直于轴线的轴截面上,轴、轴、轴满足笛卡尔坐标系,如图 所示。为了便于轨迹方程的表达,采用极坐标方程表示轴检测截面轨迹。如图 所示,在坐标平面 上,键槽横截面轮廓线数学模型可表示为(),其他()式中,为轴半径;为键槽深度;为极角;为极径;为键槽宽度的一半;为该截面实际存在的键槽的对称度误差,若不存在对称度误差,则 。()()图 截面轮廓检测坐标系测量过程中,被测轴绕 轴匀速旋转,为轴的旋转角度。以绕 轴正方向逆时针旋转为例,当 时,图
6、 为测量起点;当 时,检测值始终为半径 ;当 时,如图 所示,激光检测到键槽的左边缘,轨迹开始进入键槽段,在下一时刻将检测到键槽底部,检测数值会发生突降,已检测轨迹如粗曲线所示;当 时,检测值不断降低;当 时,键槽底部与 轴平行,检测值到达最低点 ;当 时,检测值不断增大;如图 所示,当 时,激光检测到键槽右边缘,检测值突变为最大值 ,此时键槽段结束;当 ,检测值恒为半径 ;如图 所示,当 时,轴转动满一周。检测数据如图 所示。图 检测数据产生原理在平面直角坐标系 下,轮廓上一点(,)绕原点逆时针旋转角度 后的坐标为(,),其转换公式为 ()则检测轨迹方程可视为旋转的原曲线方程(式()旋转一周
7、与 轴相交的正值点,模型表达式为 ()()()图 中存在的两个数值突变点 和 为键槽左、右边缘点,其旋转角度分别设为 和()。图中数值最小时刻的旋转角度为,该时刻键槽底部刚好与 轴平行,即无论轴的初始位置如何,只要将其逆时针旋转 角,则可以实现键槽底部沿水平方向,在此位置可计算键槽两端点坐标。此时,和 点分布在 轴两侧,横坐标计算公式分别为 ()()()式中,为 点的横坐标;为 点横坐标。由 和 点的横坐标可以计算出键槽中心点的横坐标,其与理想坐标的差值则为对称度误差,计 年第 卷 算公式为 ()式中,为该截面的对称度误差计算值。上述分析为轴截面上的对称度误差计算方法,传感器沿 轴移动,计算
8、个截面上的对称度误差,其最大值为键槽的对称度误差,表达式为 (),()式中,为第 个截面上计算的对称度误差值;为轴键槽的对称度误差。?误差分析与补偿激光位移传感器安装时不可避免地会造成沿 方向的定位误差,如图 所示,激光往 轴正方向偏移距离 ,图 表示激光偏移后检测到 点的时刻,图 表示键槽水平时刻,图 表示检测到 点的时刻。在这种情况下,检测模型和检测轨迹均有改变,各个时刻的检测数值发生变化会直接影响对称度误差的计算,因此需要对其进行分析与补偿。图 激光存在偏移后的检测当传感器在 方向产生距离为 的偏移误差时(以右偏为例,此时 ),在截面直角坐标系 中,检测直线将不再是 轴,此时检测直线为
9、。如图 所示,当检测直线发生偏移,轴截面上键槽段的检测轨迹发生变化,原截面方程式()不再适用。此时键槽段轨迹将不再由 和 点与圆心的连线分别与 轴的夹角所决定,而是由检测光线检测到 和 点时的旋转角度所决定。由空间几何理论可知,虽然键槽段的轨迹发生变化,但非键槽段的轨迹未发生变化,则将式()中的检测直线由 变为 ,即可得到 和 点的旋转角度。此时一个周期内的轨迹方程可表示为(),其他()式中,和 分别是传感器检测到两键槽边缘顶点时的旋转角度(若起始点位于键槽内部,则恰好相反)。联立可得到传感器存在偏移后的检测曲线模型。当轴逆时针旋转时,由于存在 ,传感器检测到的最低点位置不再是键槽底部与 轴的
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