談核主泵小直徑深孔檢測(cè)技術(shù)
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摘要：屏蔽主泵小直徑深孔測(cè)量階段，檢測(cè)工具受到制約，無(wú)法滿足測(cè)量要求，針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)小直徑深孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工特點(diǎn)及檢測(cè)要求進(jìn)行分析，提出檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)需求，包括可實(shí)現(xiàn)超深測(cè)量、高精測(cè)量、操作方便等，按照對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的功能需求，對(duì)常用檢測(cè)方法——振蕩掃描檢測(cè)法、三坐標(biāo)機(jī)檢測(cè)法、尺寸線規(guī)檢測(cè)法、加長(zhǎng)機(jī)械式內(nèi)徑百分表檢測(cè)進(jìn)行逐一介紹，并對(duì)檢測(cè)功能進(jìn)行分析，確定現(xiàn)有檢測(cè)手段在小直徑深孔檢測(cè)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有可使用檢測(cè)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題逐一解決，優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)的部分功能，提出新型檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能結(jié)構(gòu)和主要功能模塊，完成方案設(shè)計(jì)，對(duì)新型檢測(cè)系統(tǒng)工具結(jié)構(gòu)、工作原理、操作過(guò)程、測(cè)量原理進(jìn)行詳盡描述，明確檢測(cè)方案及操作方法，提出創(chuàng)新點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)屏蔽主泵小直徑深孔直徑的高精、高效測(cè)量。
關(guān)鍵詞：小直徑；深孔；測(cè)量
某屏蔽電動(dòng)泵制造技術(shù)研制過(guò)程中，其主法蘭螺栓內(nèi)孔為長(zhǎng)徑比達(dá)64的小直徑盲孔，且加工精度高，要求檢測(cè)孔內(nèi)任意截面的實(shí)際孔徑值。小直徑深孔檢測(cè)空間小，檢測(cè)工具受到制約，檢測(cè)孔內(nèi)任意截面的實(shí)際內(nèi)徑值更是困難，以往普通的檢測(cè)方法和工具無(wú)法實(shí)現(xiàn)，高精度檢測(cè)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，本文針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量工具及測(cè)量方法出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出一種新的小口徑深孔內(nèi)徑檢測(cè)方法，使其實(shí)際操作更簡(jiǎn)便，在線檢測(cè)精確度高，實(shí)現(xiàn)小直徑深孔的高效、高精測(cè)量，提高檢測(cè)效率。
1檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)需求分析
通常直徑小于20mm的孔視為小孔，長(zhǎng)徑比大于5的孔被視為深孔。深小孔在加工過(guò)程中很難保證孔表面與口徑孔深處截面口徑相同，由于檢測(cè)空間的限制，檢測(cè)設(shè)備需求如下：（1）可以進(jìn)行超深測(cè)量；（2）測(cè)量誤差小，實(shí)現(xiàn)高精測(cè)量；（3）可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作；（4）方便操作。
2現(xiàn)有檢測(cè)方法分析
2.1三坐標(biāo)機(jī)檢測(cè)法
三坐標(biāo)檢測(cè)方法是現(xiàn)在三坐標(biāo)及上對(duì)被測(cè)物表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，接觸型三坐標(biāo)機(jī)檢測(cè)利用測(cè)球和孔壁接觸，根據(jù)各記錄點(diǎn)的X、Y、Z空間坐標(biāo)，配合相應(yīng)評(píng)定原則的測(cè)量軟件，接受并存儲(chǔ)測(cè)球的坐標(biāo)值，通過(guò)數(shù)據(jù)處理今兒實(shí)現(xiàn)對(duì)孔（或軸）中心坐標(biāo)、直徑或其他幾何元素及輪廓度的檢測(cè)。檢測(cè)精度高，可以達(dá)到5μm，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，缺點(diǎn)是不便對(duì)深孔進(jìn)行檢測(cè)。
2.2加長(zhǎng)機(jī)械式內(nèi)徑百分表
測(cè)量前，調(diào)整零位并擰緊螺母。測(cè)量時(shí)，一手握住表?xiàng)U手柄部位，一手按下定位護(hù)橋，把活動(dòng)測(cè)頭壓下放入被測(cè)孔內(nèi)。前后左右擺動(dòng)，觀察指針的拐點(diǎn)位置，讀出孔徑值。
3主要問(wèn)題
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)方法分析，現(xiàn)有可用的檢測(cè)手段為加長(zhǎng)機(jī)械式內(nèi)徑百分表，但該檢測(cè)手段存在如下主要問(wèn)題：（1）受測(cè)量方法限制，使用加長(zhǎng)測(cè)量桿超深測(cè)量時(shí)，操作難度大，不易實(shí)現(xiàn)。（2）測(cè)量過(guò)程中，反復(fù)移動(dòng)測(cè)量桿，增加測(cè)砧及測(cè)頭與深孔內(nèi)壁的摩擦，存在劃傷內(nèi)孔表面的危險(xiǎn)，影響內(nèi)孔表面質(zhì)量。（3）存在人為操作誤差、示值誤差及讀數(shù)瞄準(zhǔn)誤差，影響最終測(cè)量精度，無(wú)法滿足檢測(cè)要求。
4新型測(cè)量工具結(jié)構(gòu)及工作原理
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)研制一套新型測(cè)量工具及檢測(cè)方法。該新型測(cè)量工具系統(tǒng)主要包括：彈性裝置、連接部分、信號(hào)處理系統(tǒng)、位移傳感模塊、操控裝置等。實(shí)現(xiàn)高精、高效測(cè)量小直徑深孔內(nèi)任意截面處直徑。
4.1新型測(cè)量工具結(jié)構(gòu)
b）新型檢測(cè)工具結(jié)構(gòu)示意圖c）新型檢測(cè)工具結(jié)構(gòu)示意圖1.伸縮測(cè)爪2.側(cè)頭彈簧3.測(cè)頭4.接長(zhǎng)桿5.接長(zhǎng)桿頂針6.槍體頂針7.槍體8.彈簧Ⅰ9.扳機(jī)10.數(shù)字顯示模塊11.彈簧Ⅱ12.尾蓋13.測(cè)頭頂針14.前蓋15.定位螺母16.手柄17.位移傳感器模塊18.上蓋19.扳機(jī)銷子20.支撐套21.板機(jī)調(diào)節(jié)螺釘22.限位板
4.2工作原理
如圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）所示，殼體為中空結(jié)構(gòu)，殼體的前端沿周向設(shè)有三個(gè)與殼體中心孔連通的徑向通孔，各徑向通孔內(nèi)均設(shè)有一個(gè)伸縮測(cè)爪和測(cè)頭彈簧，測(cè)頭彈簧的兩端分別與伸縮測(cè)爪和測(cè)頭連接，殼體的后端設(shè)有與殼體中心孔連通的豁口，扳機(jī)的一端插設(shè)與豁口內(nèi)，并與殼體鉸接，頂針組件插設(shè)于殼體的中心孔處，并一端與伸縮測(cè)爪抵接，頂針組件的另一端穿過(guò)扳機(jī)上設(shè)有的孔與殼體滑動(dòng)連接，扳機(jī)的前側(cè)設(shè)有用于扳機(jī)限位的彈簧，扳機(jī)的后側(cè)設(shè)有用于頂針組件復(fù)位的彈簧，殼體的后端設(shè)有數(shù)字顯示模塊，頂針組件的后端設(shè)有與數(shù)字顯示模塊連接的位移傳感器，數(shù)字顯示模塊為可旋轉(zhuǎn)數(shù)字顯示模塊。殼體包括由前向后依次螺紋連接的測(cè)頭、接長(zhǎng)桿及槍體、測(cè)頭、接長(zhǎng)桿及槍體均為中空結(jié)構(gòu)。接長(zhǎng)桿與槍體之間設(shè)有前蓋，前蓋與接長(zhǎng)桿螺紋連接。測(cè)頭的橫剖面為T型結(jié)構(gòu)，徑向通孔均布于T型結(jié)構(gòu)的頭部，槍體后端下方設(shè)有手柄。頂針組件包括測(cè)頭頂針、接長(zhǎng)桿頂針及槍體頂針，測(cè)頭頂針設(shè)置于測(cè)頭內(nèi)，接長(zhǎng)桿頂針設(shè)置于接長(zhǎng)桿內(nèi)，槍體頂針設(shè)置于槍體內(nèi)。彈簧Ⅰ套設(shè)于槍體頂針上、并一端與殼體抵接，另一端與套設(shè)于槍體頂針上的限位板抵接。槍體頂針的后端通過(guò)支撐套與殼體滑動(dòng)連接，彈簧Ⅱ的一端套設(shè)于殼體內(nèi)部后端設(shè)有的彈簧導(dǎo)向柱上，另一端與支撐套抵接。頂針組件的長(zhǎng)度根據(jù)需要組裝，來(lái)測(cè)量不同深度的孔。槍體上沿軸向設(shè)有與豁口連通的螺紋孔，該螺紋孔內(nèi)連接有扳機(jī)調(diào)節(jié)螺絲，扳機(jī)調(diào)節(jié)螺釘與扳機(jī)抵接。通過(guò)扳機(jī)調(diào)節(jié)螺絲來(lái)調(diào)節(jié)扳機(jī)和手柄之間的距離，以適合不同人的手的大小以及方便同一孔徑的重復(fù)測(cè)量。伸縮測(cè)爪的測(cè)頭為球面，使得三點(diǎn)接觸孔內(nèi)壁時(shí)構(gòu)成球面，這樣測(cè)頭的歪斜對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大，甚至在較小角度歪斜時(shí)沒(méi)有影響。
4.3操作過(guò)程
扣住扳機(jī)，槍體頂針右移，在測(cè)頭彈簧的彈力作用下，伸縮測(cè)爪縮回，由機(jī)械結(jié)構(gòu)連在一起的測(cè)頭頂針和接長(zhǎng)桿頂針與槍體頂針一起右移。槍體頂針的往右移動(dòng)，槍體內(nèi)的位移傳感器也同時(shí)移動(dòng)并記錄位移，并將位移值傳輸給數(shù)字顯示模塊。釋放扳機(jī),彈簧Ⅱ施加向左推力，槍體頂針、接長(zhǎng)桿頂針和測(cè)頭頂針一起向左移動(dòng)，和測(cè)頭頂針相連的伸縮測(cè)爪被頂出向外伸出。槍體內(nèi)的位移傳感器也同時(shí)向左移動(dòng)并記錄位移，并將位移值傳輸給數(shù)字顯示模塊。
4.4測(cè)量原理
三片伸縮測(cè)爪和內(nèi)孔內(nèi)壁三點(diǎn)接觸，由伸縮測(cè)爪的伸縮長(zhǎng)短計(jì)算出孔徑大小。伸縮測(cè)爪的基準(zhǔn)位置以在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)實(shí)際尺寸為準(zhǔn)(將測(cè)頭放入標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)，數(shù)顯部分記錄此時(shí)的基準(zhǔn)值)。測(cè)量時(shí)，先用標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)，讓位移傳感器記住一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸。當(dāng)三個(gè)伸縮測(cè)爪在直徑上同時(shí)向外移動(dòng)1mm時(shí)，直徑方向相當(dāng)于增加2mm。這時(shí)，頂針也同時(shí)向右軸向移動(dòng)2mm。位移傳感器記錄頂針向右軸向位移2mm。伸縮測(cè)爪徑向位移轉(zhuǎn)換成頂針軸向位移的原理如圖2所示。伸縮測(cè)爪1徑向移動(dòng)“X”距離時(shí)，頂針軸向移動(dòng)“Y”距離。當(dāng)X=2Y時(shí)，夾角∠α=26.33°，那么，測(cè)頭頂針13有一個(gè)非常精確的2α錐度面，來(lái)保證伸縮測(cè)爪1徑向位移量與頂針軸向位移量相同。
5創(chuàng)新點(diǎn)
改進(jìn)伸縮測(cè)爪的操控方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，實(shí)現(xiàn)階梯小孔徑/深孔的尺寸測(cè)量；改進(jìn)測(cè)量桿的材質(zhì)，選擇特殊材料制成更加輕便、強(qiáng)度高的測(cè)量桿，方便操作；改進(jìn)測(cè)量原理，使用精密測(cè)量頭，增加數(shù)字顯示模塊、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，提高測(cè)量精度；增加定位裝置，提高測(cè)量精度；優(yōu)化測(cè)頭的控制方式，避免測(cè)頭長(zhǎng)距離反復(fù)在零件內(nèi)壁滑動(dòng)；添加操控裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作；測(cè)量部位與操作部位為相互獨(dú)立的兩部分。減小測(cè)量桿長(zhǎng)度，以減輕測(cè)量桿重量，方便操作。更改測(cè)量爪的型式，減少測(cè)量爪與工件內(nèi)壁的摩擦。伸縮測(cè)爪與操作部位鏈接，測(cè)量前伸縮測(cè)爪縮回，到達(dá)測(cè)量位置時(shí)自動(dòng)彈出，提高操作的自動(dòng)化程度，同時(shí)，減少測(cè)爪與工件內(nèi)壁的摩擦。
6先進(jìn)性和社會(huì)效益評(píng)價(jià)
該檢測(cè)工具和檢測(cè)操作方法，現(xiàn)已應(yīng)用到AP1000、CAP1400國(guó)家重大科研項(xiàng)目，以及國(guó)產(chǎn)化屏蔽主泵CAP1000、CAP1400、軸封主泵主螺栓深孔的測(cè)量。并且，在其他機(jī)械行業(yè)小徑/深孔的測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。填補(bǔ)了小徑、深孔檢測(cè)的空白，開(kāi)辟了小徑/深孔特殊檢測(cè)工具及測(cè)量方法的新領(lǐng)域，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，社會(huì)效益是不可估算的。在國(guó)際上，以往的小孔徑測(cè)量工具，僅限于淺孔測(cè)量。如此大長(zhǎng)徑比深孔的測(cè)量，也是第一次開(kāi)發(fā)研制，該測(cè)量工具，達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。
參考文獻(xiàn)：
[1]隋鑫.深孔內(nèi)徑光電檢測(cè)技術(shù)研究.[碩士論文].天津：天津大學(xué)光電子工程學(xué)院測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器，2006.
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作者：劉文英 關(guān)錳 孟艷玲 胡英俊 王良 譚俊哲 單位：沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司