深孔直线度测量方法概述

深孔直线度测量方法概述

郝永鹏1，2，于大国1，2

（1.中北大学,太原市030051；2.中北大学，太原市030051）

摘要：随着国民经济的发展和科技创新的推进，深孔加工技术应用范围越来越广，几乎涉及到所有的机械制造业。其中深孔直线度误差检测一直是困扰深孔加工的一项世界性难题。本文将详细介绍几种深孔直线度误差检测方法。

关键词：深孔加工制造直线度检测

The outlined of deep-hole straightness

measurement method

HAO Yong-peng1，2, YU Da-guo1，2

(1. North University of China, Taiyuan 030051; 2.North University of China, Taiyuan)

Abstract:With the development of national economy and promote technological innovation,deep-hole processing technology increasingly wide range of applications,which almost involving all of the machinery manufacturing industry.Where the deep-hole straightness detection has been plagued deep processing of a world wide problem.This article details several deep-hole straightness detection method.

key words: deep-hole processing manufacturing straightness detection

1.前言

深孔直线度检测是深孔类零件加工过程中的重要组成部分, 是对深孔零件进行质量控制和管理的重要手段。深孔直线度的测量有两方面的要求: 一是精确性要求, 即测量结果必须达到一定的可信程度；二是经济性要求，即在保证测量结果精确性的前提下, 应使测量结果简单、经济[1]。

中北大学深孔加工研究中心在直线度检测方面做了大量工作并取得了长足发展。20世纪90 年代，中北大学王峻等人优化设计排屑钻头，完善排屑容器，将SIED技术应用到深孔加工领域，进而提高了加工孔的直线度。此外，吴伏家、赵长瑞等人针对发动机深孔零件走偏展开研究，测量时工件静止刀具旋转进给，探头与钻头沿工件外作轴线运动，由超声波测厚仪测量孔壁厚，再由壁厚变化可以计算得到深孔轴线直线度误差，该检测装置包括硬件和计算机两大部分。超声波检测方法是一种间接测量方法，检测精度受孔壁外表面质量的影响较大。目前该项技术停留在研究阶段，尚未得到推广应用。中北大学沈兴全、于大国、庞俊忠等发明了基于激光制导的深孔钻削检测与纠偏系统，获得了国家三项发明专利，该方案有待制造样机和进行实验。沈兴全采用外力方法对深孔加工过程中出现偏斜问题进行纠正，通过实验确定恰当的位置，为深孔加工的纠偏做出突出贡献。此外，马清艳、王

彪等人在前人的基础上提出一种新的检测方法，并设计了一套检测装置，该装置主要由激光发射器、位置敏感探测器和自定心装置组成[2,3,4]。

2.直线度检测方法

2.1量规检验法

量规检验法主要用于圆柱表面母线或轴线直线度的检验。在批量生产中，当圆柱体的长度较小，且形位公差为相关公差时，可以用综合量规进行检验。通常，该方法先利用一个长度较短的极限塞规测量合格后，再用直线度综合塞规测量出塞规通过与否判断孔轴线直线度合格与否[7]。

其特点是：测量精度高，测量效率高，只能判断合格与否，不能得出数据大小。缺点是同一尺寸有时需要几个综合塞规，以满足1个公差段内几组尺寸的要求，适用于小孔测量。

2.2超声波测量法

超声波在同一种介质中传播时的声速为一常数，当遇到不同介质的界面时有反射特性，利用这一特性对已加工孔的壁厚进行测量，从而计算出孔轴线的直线度误差。其优点为：操作简单、实用性强。其测量精度主要与测厚仪显示值的分辨率有关，同时要求零件的外圆有较好的己加工表面[7]。

2.3光轴法

该法是以测微准值望远镜或自准值仪发出的光线为测量基线(即理想值线)，测出被测直线相对于该理想直线的偏差量，再经数据处理求出被测线的直线度误差[7]。

2.4校正望远镜测量法

这种方法只能测量己加工好的大孔。其测量原理为：在各孔内安放与孔大小相适应的测标，调整望远镜位置使其光轴通过首位两孔的测标，建立测量基准线，然后移动各孔的测标到相应位置上，借助望远镜瞄准测量并测出各孔心的偏移量。校正望远镜是利用一个轴相对称的双像棱镜，是通过双像棱镜的光束形成两个相互垂直的校准平面，此两平面的交线就是望远镜的光轴。平行光透过扇形测标进入仪器，通过双像棱镜即可获得两个轴相对称的双像。如果测标中心完全与光轴重合，双像会靠拢形成一个完全对称的图像，称之为“合缝”，如果测标中心与光轴稍有偏差，双像就会分开，图像中间出现一道黑线或明亮的白线。调整测微仪使平行平晶偏转，光线通过偏转的平行平晶产生偏移，是双像重新“合缝”。通过测微器的移动，测出测标中心对光轴基准平面的位移量。

这种方法的优点为：(1)结构简单，操作方便，成本低廉，应用范围广，不受孔径限制；(2)瞄准和读数精度高；(3)由于各孔坐标及测量误差都是独立的，校正望远镜测量是对每个孔的测标瞄准读数，从而避免了累计误差[5]。

2.5 准直光管法

准直光管以“节距法”分段测量斜率变化，再通过数据处理求得实际表面的直线度误差，最后按规定条件评定直线度误差的数值。这种方法的特点是：测量精度高，可进行数字化处理，提高了测量效率和减少了人为误差，可测较长内孔和不同孔径的内径孔，但不适用于小孔径测量[5]。

2.6激光准直法

该法是以激光光束的能量中心线为直线基准，由光电位置敏感元件进行测量。其测量原理为：由氦一氖激光器发出的一束激光经准直后射向目标测量靶(可以在深孔中移动的测量元件)，该靶中心有一块圆形四象限硅光电池，两两相对的硅光电池接成差动式。其中心与靶子的机械轴线重合。这样，上下一对硅光电池，可以用来测量靶子相对于激光束在垂直方向上的偏移；左右一对硅光电池，可用来测量靶子相对于激光束在水平方向上的偏移。

当光电接收靶中心与激光束能量中心重合时，相对的两个光电池接收能量相同，因此输出光电信号相等，无信号输出，指示电表指示为零。当靶子中心偏移激光束能量中心时，相对的几个光电池有差值信号输出，通过运算电路可用指示表指示出数值或

用纪录仪纪录下曲线。因此，测量时首先将仪器与靶子调整好，然后将靶子沿被测表面测量方向移动，便能得到深孔直线度误差的原始数据[6]。

该方法具有瞄准方便、测量效率高、测量精度较高和容易实现自动化等优点。由于激光的能量强，方向性和相干性好。因此，该方法可用于长距离测量。但是该方法的准直精度受激光光束本身特性的限制(如光束漂移、随机抖动等)，如要求高精度，则需选用高稳定性的激光束。

2.7激光干涉、衍射法

用激光干涉法测量直线度，使直线度测量水平得到了很大提高。测量元件离开光路，再回到原来位置时，仪器能恢复原来的显示值。双频激光干涉仪。配上专用附件(渥拉斯顿棱镜和尾端双面反射镜)，就可进行直线度测量。双频激光测量装置的共同特点是：(1)在以激光束为基准直线的基础上，采用干涉原理进行读数，提高了分辨率和精度。(2)该装置的测量原理和光学系统不受激光束漂移的影响。(3)该装置的各采样点误差值之间彼此不相关，测量误差不累加。总的说来，双频激光干涉仪精度高、使用方便、性能稳定，受到用户普遍欢迎。

激光衍射法测量直线度常用装置是一光栅作为敏感元件，以双面反射镜组两反射面夹角得平分线作为直线基准。基本原理同双频激光干涉仪的测量原理，只是用长光栅代替了渥拉斯顿棱镜。

激光技术的发展，使得我们可能采取措施提高激光能量的稳定性，克服激光光束本身的缺点如光束漂移、光束弯曲、随机扰动等，得到高稳定性，任意截面光强分布稳定的激光束，并以光电元件直接接收激光束能量中心的位置来做激光准直法直线度测量。近年来，半导体激光器(LD)的出现，克服了双频激光器价格昂贵、需要稳频的缺点，再加上新兴光电位置传感器(PSD)、电荷耦合器件(CCD)、四象限光电池等传感器性能的提高，使得一批新型激光准直直线度测量仪器渐渐被研制出来。它们分辨率较高，响应速度快，大多可以实现动态在线非接触直线度测量[2]。

2.8 基于图像处理的激光反射法测量

基于图像处理的激光反射法。测量时，激光器发出的激光经准直后射向分光镜，一部分反射后射向测量元件，测量元件在齿轮齿条机构的驱动下在孔管内移动，其步进量由光栅测量。测量元件感知孔管实际轴线位置的变化，其上安装一个反光镜，激光经过反射后透射过分光镜到达光靶上，CCD摄像机即可摄得光靶上包含被测信息的图像。再经过图像处理及数据处理后，得出对应于每一个被测截面的图像中激光光束的中心，按照角度积累的公式计算出空间直线度误差[8]。

此方法采用了光学反射放大的原理，其灵敏度比普通的激光准直法大大提高。同时，此法突破了普通激光准直法对被测对象孔径的限制，可以测量很小的深孔。另外，基于图像处理的方法使得测量过程自动化程度大大提高，从而提高了测量速度。该方法具有灵敏度高、测量速度快，对被测对象尺寸要求较低，适合在工厂内使用等优点。

3.小结

本文首先介绍了中北大学深孔直线度研究方面的成果；然后对深孔直线度误差的各种检测方法进行了详尽的论述，并对每种方法的优缺点进行比较分析。

参考文献：

[1] 王竣.现代深孔加工技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业出版社,2005.

[2]宁磊,于大国,孟晓华.基于PSD 深孔钻削孔轴线在线检测方案探讨[J].组合机床与自动化加工技术,2013(12).

[3] 何定健,李建勋,王勇.深孔加工关键技术及发展[J].航空制造技术,2008(21) :90-97. [4] 沈兴全.深孔加工孔轴线的偏斜机理研究[J].中北大学学报(自然科学版), 2010, 46(4):31-34.

[5] 解海叶.深孔加工中存在问题的分析与处理[J].同煤科技,2011(2) :41—44.

[6] 马清艳,王彪,于大国.深孔直线度检测系统[J].机械设计与研究,2013,29(3)：56-57. [7] 宁延平,刘战锋.国内外高精度直线度测量技术现状[J].现代制造工程,2005(6). [8]Amor Messaoud,Claus Weihs.Monitoring a deep hole drilling process by non- linear time series modeling[J].Journal of Sound and Vibration 321 (2009) 620-630.