气动式孔径锥度误差测量仪

　　气动测量是以空气为介质，利用压缩空气的流量特性，把被测参数变化转换为空气物理参数的变化来实现测量的一种测量方法。气动测量具有测量倍率高、精度高、抗干扰能力强、自洁性好等特点，适用于高精度零件的非接触检测[1]。

　　在机械加工中，根据使用性能要求，有些零件对其孔的加工精度要求较高，特别是要严格控制孔的锥度误差。故此，采用气动测量原理，研制出一种高精度孔径锥度误差测量仪。

　　1 气动测量原理

　　图1为浮子式气动量仪的测量原理图。当压缩空气通过带锥度的玻璃管，由孔径为d的喷嘴流出时，通过喷嘴的流量

　　式中: s为喷嘴端面与被测表面的间隙; d为喷嘴直径。

　　当喷嘴直径d不变时，在一定测量范围内Q与s成线性关系[3-5]，即被测尺寸L发生变化将引起喷嘴流量Q的线性变化。L减小时，s增大，Q随之增大，玻璃管上腔压力p0减小，浮子上升。反之亦然。通过定标，可由量仪的示值表达被测尺寸变化值ΔL。

　　具有恒定压力pa的压缩空气，从锥度玻璃管的下端流入，从浮子和玻璃管之间的间隙流过，形成一定压力把浮子托起，并且平衡在某一位置。有:

　　式中:

　　W为浮子的重量;

　　F=πD24为浮子上平面面积;

　　f=πD024为浮子在某一高度(o-o)位置时玻璃管内腔截面积;

　　c为流量系数;

　　v为压缩空气流速。

　　根据理想气体伯努力方程，下式成立[6]

　　式中:

　　va为a-a截面上的平均流速;

　　v0为o-o截面上的平均流速;

　　g为重力加速度;

　　γ为空气比重。

　　由于浮子与玻璃管间隙很小，所以流速v0很大，则由式(3)

　　若考虑空气的膨胀系数ε，则有

　　设玻璃管的锥度为N

　　定义G为锥度玻璃管的传递率

　　定义M为喷嘴的流量传递率

　　定义k仪为气动量仪的放大倍率

　　k仪是M，G、N、d、D的函数。这是浮子量仪的基础理论公式。

　　2 孔径锥度误差测量仪

　　2.1 测量仪工作原理

　　该采用了气动差动器(气动放大器)，目的是提高放大倍率、灵敏度及测量精度。图2为量仪孔径锥度误差测量仪的测量原理图。

　　将压力为0.3～0.4MPa的压缩空气，经分水滤气器1过滤后，使其一路进入气动量仪2，另一路经气动节流阀3，分别进入差动器4的内室和外室及量头5的下端和上端喷嘴孔。将工件6(被测孔) 装于量头5上。若工件内孔存在锥度误差，则量头上下喷嘴流量不等，引起差动器内、外室压力的变化，产生压力差Δp。在Δp作用下，差动器模盒发生变形，将带动其上顶杆上下移动，引起间隙s的变化，导致浮子高度H的变化，则H=f(Δα)(Δα为工件锥度误差)。当工件锥度为0°时，则压力差Δp=0，即ΔH=0(浮子在定标零线位置)。当工件存在如图3所示的锥度误差时，则差动器外室压力大于内室，模盒压缩，顶杆下移，s增大，导致浮子上腔压力减小，则浮子升高; 反之，浮子下降。