提高滚轮法测量大直径精度的研究

引言

大型机械设备，如水轮机、汽轮机、大型发电机组、大型轴承圈等，常需对其大直径进行高精度测量，以满足加工过程中对直径尺寸的控制。大直径测量必须解决以小测大、在线测量等一系列特殊问题。目前所采用的方法有：①用π尺进行测量，方法虽简单，但测量误差较大，精度很难提高。②采用大型卡尺进行测量，卡尺若随被测直径的增大而增大将会出现很多难以克服的困难。③电子卡尺测量精度虽然较高，但是测量范围仍然有限。④座标机是一种较先进的测量方法，可是大型座标机价格十分昂贵，且不便在线测量。⑤利用滚轮测量被测件的周长，然后算出其直径，此方法的优点在于被测工件的几何尺寸不受限制，能以小测大并可方便地进行在线测量，这也是几十年来，始终未被人们放弃的原因所在。滚轮法从理论上讲是无原理误差的，但由于技术未臻完善，如没有解决好滚轮与被测工件接触点的滑失问题，给测量带来了误差，限制了其测量精度的提高。如何解决滚轮与被测工件接触点的滑失问题，是完善此项技术的关键。

1 滚轮法测量原理及提高精度的措施

滚轮法测量大直径的原理如图1所示。它是利用滚轮测量出被测工件的圆周长，利用圆周长和直径的函数关系,通过计算来求出被测件的直径即：

图1 滚轮法测直径

其中L为被测件周长，可以看出被测件的直径D其精度取决于被测件周长的测量，因此测量时，滚轮应以一定的压力与被测件接触，压紧力保证滚轮相对被测件作无滑动的纯滚动。当被测件转动时，它与滚轮的传动关系为：

n π d=N π D
D=(n/N) d(1)

式中：n 为滚轮转数；N为被测件转数；d为滚轮直径；D为被测件直径

滚轮法测量直径较好地解决了以小测大的问题，且方便于在线检测。但前提条件是：被测件（以下称工件）与滚轮在转动的时候，它们之间应是无滑动的纯滚动，即没有滑失现象。但是滑失现象一直是滚轮法测量大直径让人们所困扰的事情，也是较难解决的问题。为此，我们在这种测量方法上采取了一些措施，以减小滑失的产生。

1.1 解决被测件轴与滚轮轴在安装过程中的不平行问题

被测工件与滚轮在安装过程中两者的轴应互相平行，如图2（a）所示。

图2 滚轮轴与被测件轴不平行对测量的影响

只有这样测量的时候才能保证它们在每一径向截面是在同一平面内转动。如果不计两轮之间压力变形，它们之间的接触是点接触，如图1中的A点。因为是对滚，所以它们的转动线速度相同，且又在同一平面内转动，因此在A点，滚轮与工件的相对速度为零，它们转过的弧长彼此相等，说明没有滑失现象，可以精确地测出工件的直径。但是在安装工件与滚轮的时候，工件轴与滚轮轴可能并没有严格平行，滚轮轴相对工件轴偏离了一定的角度θ，如图2中的（b）和（c）。因为工件的转动是由驱动装置提供，而滚轮的转动则依赖于工件的转动，由于两轴的不平行，工件与滚轮在转动的时候不是在同一平面内转动，造成它们的转动速度不相同，从图2的（b）和（c）中看出：

v滚=v工cosθ

滚轮的转动速度将小于工件的转动速度，滑失由此产生。它们转过的弧长不再相等。测出的直径将变小。若设计一个微调机构，让滚轮轴在与工件轴平行的位置附近摆动，滚轮轴与工件轴之间的角度θ越大，测出的工件直径就越小。调整微调机构，使θ角逐渐减小，测出的工件直径就逐渐变大。当θ= 0时，两轴平行，测出的直径最大，继续调整微调机构使θ角向反的方向增大，测出的直径又随之减小，如图3所示。只有当测出的直径为最大时，说明此时滚轮轴与工件轴是平行的，即图中的极大值位置。将滚轮轴安装在此位置可以避免滑失的产生。

图3 滚轮轴与工件轴之间的夹角θ对测量直径的影响

1.2 减小滚轮轴的摩擦力

当滚轮转动的时候，滚轮轴与轴承要产生摩擦，此摩擦力直接影响着滚轮的转动情况，我们希望这个摩擦力越小越好，达到减小滑失的目的。因此选用摩擦极小的空气轴承是比较理想的，于是我们设计与构思了气浮顶尖的结构，如图4所示。顶尖制成空心，可以通气，上下两端分别通入高压气体。图中采用孔式节流方式。当压缩空气由顶尖中心孔通进时，它会由间隙溢出。顶尖座和顶尖有一小段是经过研磨而成的，在静态下两壁密合，当气体通入时，两顶尖因气体压力而产生微量分离，形成锥形间隙，其余部分的顶尖座和顶尖，角度有极小的差异，形成楔形间隙。上下顶尖用同一压力供气，滚轮的自重使下顶尖的气隙小于上顶尖，因此下顶尖溢出的气体流量小，上顶尖流量大。另一方面高压气体是经过孔式节流器进入气腔的，上下顶尖使用相同结构的节流器，对流动气体的阻力相同。节流器产生的压力降与气体流量成正比，所以上端节流器的压力降大，下端的压力降小，即上端气腔内压力小，而下端气腔内压力大。上下气腔内存在着压力差，这个压力差与供气压力有关，当供气压力达到某一值时，该压力差作用在顶尖上的作用力等于滚轮的自重，就能把滚轮浮起。由于气隙的存在，滚轮转动起来自身的摩擦极小，因此可以说采用气浮顶尖结构比采用普通轴承在减少滑失方面又前进了一步。