大距离多孔零件同轴度检测系统的多功能测头设计

　　0　引言

　　大距离深长孔系铰接细孔连接件具有孔径小、孔数多、相邻孔间距小的特点，传统的测量方法有两种，一种是利用三坐标测量机在零件两端的孔表面采点[1]，通过采到的点的坐标拟合出该孔的中心，多采集几个孔后，利用这些空的中心坐标来计算评定该零件的同轴度误差，这种测量方法的优点是精度较高，不过缺点是三坐标测量机测爪只能采集到零件两端很少的孔，因此此类方法的评定结果不能完全反映整个零件的加工误差，同时三坐标测量机不适合在装配车间测量。另一种方法是工程上常用的方法———芯棒，即利用一根标准的芯棒插入到已加工好的孔类零件中，如果芯棒可以完全通过且配合良好，则说明该深长孔系零件满足同轴度要求，如果芯棒不能通过或者即使通过了但没有达到一定的配合要求，则说明零件不能达到要求，这种方法的优点是测量速度快，适合工程生产，缺点是不能确切保证精度，同时对于孔类零件加工误差出现的地方不好确定，不利于零件的返修。

　　针对以上两种测量方法的优缺点，本文提出了一种新的测量方式，利用PSD光电传感器、数据采集技术、自定心多功能测爪以其激光准直技术[2]，构建出一个整体测量方案，不但可以高精度测量孔类零件各孔的内径，而且可以在线测量整个孔类零件的同轴度[3]，同时对于被测零件还可以知道误差出现的地方，便于零件的返修，实现快速测量、高质量与高精度测量三者的统一。

　　本文将结合系统设计，主要介绍该系统中多功能测头的设计。该测头的主要功能是自动采集被测孔系的精确内径尺寸和接收激光基准信号。

　　1　自定心多功能测头机械结构设计

　　自定心多功能测头是整个测量系统的基础平台，其组成部分包括：自定心三爪测头[4]、PSD光电传感器[5]、光电编码器和直流电机。多功能自定心测头测量示意图如图1所示。

　　自定心多功能测头的内部结构如图2所示。测头内部各个部件的功能描述如下：

　　①PSD：接收基准激光束的位置信息;

　　②三爪自定心测头：利用三爪自定心原理，间接找到被测孔径的中心;

　　③光电编码器：用来记录三爪自定心机构的三爪伸缩量，以用于计算孔径内径;

　　④棘轮：系统保护机构，当三爪测头与被测孔径紧密接触时，保证多余的电机旋转量不会损坏到测头，同时可以使多余的电机旋转量不影响编码器的计数;

　　⑤直流电机：给系统提供动力。

　　测量时，将测头伸进被测孔内，给直流电机定好，直流电机开始旋转，通过一系列的机械传动部件，将电机的旋转量转变为三爪自定心测头的三个测爪的径向位移，因为三个测爪是对称分布并且具有相同的运动状态，所以三个测爪的对称中心即可认为是被测孔的中心，而三个测爪的中心与PSD的几何中心有一定的位置关系，因此，可以间接用PSD的几何中心代替被测孔径的中心。再利用基准激光投射到PSD上，即可知道被测孔的中心与基准激光之间的空间位置关系。当测量一系列孔径之后，根据一系列孔中心相对于基准激光的位置坐标，利用拟合算法，在三维坐标系中可以拟合出所有孔的理想轴线，进一步可以计算出所有孔径的同轴度。