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摘 要： 為了實(shí)現(xiàn)深孔加工過程中孔軸線偏斜的在線測量，采用超聲波測厚方法，通過建立測量過程中的極坐標(biāo)參數(shù)模型，推導(dǎo)出了間接測量中測量目標(biāo)與實(shí)測數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系；通過 Ｇｒｕｂｂｓ準(zhǔn)則剔除粗大誤差，提出了一種孔軸線偏斜在線測量方法．通過實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明：該方法實(shí)現(xiàn)了深孔加工過程中軸線的走偏方向和走偏量的精確在線檢測，測 量 誤 差 為±０．０１ｍｍ。
關(guān)鍵詞： 深孔加工；超聲波測厚；孔軸線偏斜；測量誤差
隨著裝備制造工藝的不斷提高，深孔加工技術(shù)在機(jī)加工行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，由于新型材料的不斷出現(xiàn)、深孔加工異形件的增多，深孔加工難度越來越大，同時(shí)對加工質(zhì)量的要求也不斷提高．在深孔加工質(zhì)量要素當(dāng)中，孔軸線的偏斜是檢驗(yàn)被加工孔精度最重要的指標(biāo)之一，也是最不穩(wěn)定的質(zhì)量要素［１］?？纵S線偏移即孔軸線的直線度誤差，是 指 被加工孔的實(shí)際軸線與理論軸線的偏差．直線度誤差是實(shí)際軸線與理想軸線之間的變動(dòng)量，用于控制平面或空間直線的形狀誤差。直線度公差帶的形狀大致分為給定 平 面、給 定 方 向 和 任 意 方 向 這 三 種 情況，深孔直線度誤差屬于任意方向的直線度誤差．由于深孔加工過程中存在著很多不利因素，如導(dǎo)向套間隙過大、鉆桿剛度不足、工件材質(zhì)不均、刀具結(jié)構(gòu)上的不對稱以及機(jī)床各部件裝配中的同軸度誤差等，會(huì)導(dǎo)致鉆頭的鉆進(jìn)方向會(huì)偏離工件軸線，引起孔軸張的偏斜［２］．目前，由于深孔加工的過程復(fù)雜，引起孔軸線偏移的因素多樣，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。針對孔軸線的偏斜問題，大多數(shù)的加工都采用一定的方法進(jìn)行減小或者校正，如采用提高切削系統(tǒng)的精度和剛度，及時(shí)更換有磨損間隙的導(dǎo)向套，對回轉(zhuǎn)類工件采用先加工孔后以孔為基準(zhǔn)加工外圓的工藝來消除孔軸線偏 斜［３－４］。這 些 方 法 盡管可減少孔軸線偏斜的程度，但不能完全解決孔軸線的偏斜問題。
深孔加工中，大部分孔的偏斜都是從鉆頭切入工件開始，由于刀具具有良好的自導(dǎo)向性，因而加工出的孔即使有較大直線度誤差，自身仍保持著良好的直線性，因此這種偏斜是隨著孔深的加大而不斷加劇的。一般深孔實(shí)體鉆削過程耗時(shí)較長，若能采用在線測量的方法對深孔加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，在加工出現(xiàn)偏斜趨勢時(shí)能立即對加工系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和干預(yù)，就可避免偏斜量的超差，從而減少和消除由孔軸線偏斜而造成的廢品率．大部分深孔零件大都具有長度大、孔徑小的特點(diǎn)，孔內(nèi)可用以直接檢測深孔直線度的空間非常有限，因而直線度檢測操作難度較大。目前，在實(shí)際生產(chǎn)中多使用直線度量規(guī)法和杠桿測量法，但檢測自動(dòng)化水平低，檢測精度不高，易受到場地限制，通常用于較低精度的短孔零件直線度測量［５］．文獻(xiàn)［６］采用氣動(dòng)量儀測量，將被測孔徑尺寸的變化轉(zhuǎn)化成氣體流動(dòng)壓力的變化或流量的變化，其測量精度高，可用于非接觸測量，測量力小，對易變形薄壁零件的測量特別有利，適用于大批量生產(chǎn)測量，量儀結(jié)構(gòu)簡單，對環(huán)境要求低，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測。文獻(xiàn)［７］采用校直望遠(yuǎn)鏡測 量 法，該 方 法 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單，操 作 方 便，成 本 低廉，應(yīng)用范圍廣，瞄準(zhǔn)精度高等特點(diǎn)，但只適合測量加工好的大通孔．文獻(xiàn)［８］采用的激光準(zhǔn)直法，具有瞄準(zhǔn)方便，測量效率高，測量精度較高和容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)．以上在生產(chǎn)中使用的深孔直線度測量方法，都是對已加工孔的直線度測量，無法在加工過程中實(shí)現(xiàn)在線測量，因而具有事后性，無法實(shí)現(xiàn)在深孔加工過程中的質(zhì)量控制．超聲波測壁厚法具有測量儀器體積小、結(jié)果穩(wěn)定性好、測量速度快和精度高等 優(yōu) 點(diǎn)，是較為先進(jìn)實(shí)用的一種檢測手段．其測量精度與所用儀器的分辨率有關(guān)，對零件的外圓加工表面質(zhì)量要求高。對于工件不動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)并進(jìn)給的加工過程來說，可以實(shí)現(xiàn)加工過程中的在線測量并能滿足高精度測量的要求。文中采用超聲波測厚方法，通過建立測量過程中的極坐標(biāo)參數(shù)模型，導(dǎo)出了間接測量中測量目標(biāo)與實(shí)測數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系，并采用最大誤差限幾何法對測量誤差進(jìn) 行 估 計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)深孔軸線偏斜的在線精確測量。
1、測量原理和方法
1.1 測量原理
超聲波在相同介質(zhì)中傳播時(shí)的速度是恒定的，當(dāng)遇到不同介質(zhì)分界面時(shí)有反射特性，根據(jù)這一特性對已加工孔的壁厚測量，從測出的固定位置的壁厚尺寸，計(jì)算出孔軸線的直線度誤差。
根據(jù)三點(diǎn)定圓的原理，要得到圓心位置及其半徑大小，至少要測量圓上三個(gè)點(diǎn)的位置，然后才可以確定在該處內(nèi)孔上的偏移量δ，偏斜的方向θ以及該處孔的內(nèi)徑．本檢測裝置采用３個(gè)超聲波雙晶探頭來檢測３個(gè)位置點(diǎn)的厚度值，考慮到在線測量的方便性，檢測系統(tǒng)安裝臥式深孔鉆鏜床加工工件的外圓表面，以機(jī)床坐標(biāo)系為準(zhǔn)，主軸方向?yàn)椋谳S，
前后水平方向?yàn)?Ｘ 軸，豎直方向?yàn)椋伲ㄟ^測量在Ｚ 軸上不同位置的孔壁厚，來確定在各位置處的孔軸線的偏斜情況，并依據(jù)偏斜量的大小來確定是否進(jìn)行偏斜糾正，如需要?jiǎng)t在偏斜角的反方向進(jìn)行糾正，以防止偏斜過大出現(xiàn)加工超差的情況出現(xiàn)．每一個(gè)檢測位置由ＸＹ 平面構(gòu)成，在Ｘ 軸的正負(fù)方向上布兩個(gè)檢測點(diǎn) Ⅰ 和 Ⅲ，并在Ｙ 方向而一檢測點(diǎn)Ⅱ，探頭聲 波 的 入 射 方 向 均 為 工 作 外 圓 的 法 線 方向，即指向外圓圓心，如圖１所示。
圖１ 偏心量測量極坐標(biāo)原理圖
圖１中Ｒ 為所工件的外圓半徑，ｒ?yàn)榧庸こ龅纳羁装霃剑c(diǎn)處的檢測厚度分別為Ｄ１、Ｄ２ 和Ｄ３，點(diǎn)Ｐ（δ，θ）為 內(nèi) 孔 在 該 處 截 面 上 的 圓 心，Ｐ１（ｐ１，θ１），Ｐ２（ｐ２，θ２）和Ｐ３（ｐ３，θ３）分別為Ａ、Ｂ和Ｃ 三點(diǎn)聲波入射線與 已 加 工 出 的 深 孔 孔 壁 的 交 點(diǎn)，其 中ｐ１、ｐ２ 和ｐ３ 為極徑，θ１、θ２ 和θ３為極角。
1.2 測量方法
所測三點(diǎn)共處于半徑為ｒ的圓上，故有
2、測量數(shù)據(jù)處理
2.1 粗大誤差的剔除
由于在線測量過程不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)測量的厚度值超過誤差限的粗大誤差，可以通過多次測量數(shù)據(jù)平滑的方法剔除粗大誤差，使測量誤差數(shù)據(jù)控制在測量系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)；由于測量次數(shù)較少，文中采用 Ｇｒｕｂｂｓ準(zhǔn)則對粗大誤差進(jìn)行消除。
2.2 系統(tǒng)誤差估計(jì)
系統(tǒng)采用間接測量方法，由于式（４）～ （５）所表示的函數(shù)比較復(fù)雜，無法運(yùn)用傳統(tǒng)誤差計(jì)算公式進(jìn)行誤差傳遞的理論推導(dǎo)，文中采用幾何方法對誤差極限進(jìn)行估計(jì)，建立三點(diǎn)厚度的直接測量的極限誤差對孔軸線的偏心量的誤差極限進(jìn)行估計(jì)．在被測工件布置有三個(gè)相同型的超聲波測厚裝置，根據(jù)誤差相似原理，可以認(rèn)為三個(gè)裝置的測量誤差是一致，即每個(gè)裝置的測量誤差都在 ±Δ 范圍內(nèi)．根據(jù)測量 結(jié) 構(gòu)，在 Ⅰ、Ⅱ 和 Ⅲ 位置分別確定極限點(diǎn)
圖２ 誤差極限點(diǎn)三點(diǎn)定圓法原理圖
由 以上誤差 限 可 知，當(dāng) 測 量 誤 差 全 為 最 大 和最小極限時(shí)，測量為零誤差，當(dāng) Ｐ１ 點(diǎn)和 Ｐ２ 點(diǎn)為最大極限，而Ｐ３ 點(diǎn)為最小極限時(shí)，測量誤差最大，為２ｒ／（ｒ－δ）Δ，因而－９０°為誤差敏感方向，即如果孔軸線沿著該方向偏斜時(shí)的測量誤差最大，可估計(jì)其最大的測量偏差為 ±２ｒ／（ｒ－δ）Δ。
3、測量實(shí)例及分析
通過 本 裝 置 對 采 用 ＢＴＡ 型內(nèi)排屑深孔鉆床上加 工 的 管 類 零 件 進(jìn) 行 測 量，零 件 外 徑 ５０．１２ｍｍ，長度１６００ｍｍ，深 孔 孔 徑 １８．４ｍｍ，材 料為不銹鋼３０４，牌號為１０Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，測厚所用 ＰＸ－７／ＰＸ－７ＤＬ型高 精 密 超 聲 波 測 厚 儀 為 雙 晶 測 厚 探頭，測厚范圍為０．１５～２５．４ｍｍ，可調(diào)聲速范圍為１２５０～１００００ ｍ·ｓ－１，單 個(gè) 測 頭 顯 示 分 辨 率 為０．００１ｍｍ，測量精度為±０．００５ｍｍ。
3.1 聲速設(shè)定和厚度測量
為確保測量準(zhǔn)確性，在每次檢測被加工深孔零件開始前，首先要確定該材料的聲速值．選一該零件料頭制作成厚度為 （２０±０．００１）ｍｍ 的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試塊，通過測定試樣的厚度與聲波在通過該厚度時(shí)的傳播時(shí)間計(jì)算聲速，即
表１ 三點(diǎn)原始測厚數(shù)據(jù)表
在顯著性水平０．０５下，利用 Ｇｒｕｂｂｓ準(zhǔn)則分別對測量結(jié) 果 進(jìn) 行 判 定，剔除數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)見表２．將測量均值作為在該處最終測量厚度，工作外圓半徑Ｒ 為 ２５．０６ ｍｍ，由 此 可 得 ｐ１ ＝９．３２８ ｍｍ，ｐ２＝９．０５０ｍｍ，ｐ３＝９．０６７ｍｍ。代 入 式（４）～（５）可得θ＝－４８．５５°，δ＝０．１９７ｍｍ。
3.2 測量誤差分析
由于本裝置采用間接測量方法，因而存在誤差的傳遞，文中對誤差傳遞采用誤差限的方法作了估計(jì)，在整個(gè)測量過程中，主要有如下幾類的測量誤差對測量結(jié)果有影響，即工件外圓的測量誤差Δ１，孔的圓度誤差Δ２ 和孔心位置測量誤差Δ３。這幾類誤差相對獨(dú)立，對于一確定本加工系統(tǒng)中工件，外圓測量誤差Δ１ 為±０．００１ｍｍ，孔 的 圓 度 誤 差 Δ２為±０．００１ｍｍ，孔心位置測量誤差為
由此可得出系統(tǒng)測量誤差為±０．０１ｍｍ，為單超聲波測頭精度的２倍。
表２ 處理后的有效測量數(shù)據(jù)表
4、結(jié) 論
1）文中通過建立測量過程中的極坐標(biāo)參數(shù)模型，得到了間接測量中測量目標(biāo)與實(shí)測數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系，提出了一種孔軸線偏斜在線測量方法．該方法實(shí)現(xiàn)了深孔加工過程中孔軸線偏斜的在線測量。
2）采用最大誤差限幾何法對測量誤差進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了深孔加工過程中軸線的走偏方向和走偏量的精確在線檢測，測量誤差為±０．０１ｍｍ。
來源：西安工業(yè)大學(xué) 人文學(xué)院 西安工業(yè)大學(xué) 作者： 徐光明 劉軍強(qiáng) 高曉兵 周占峰
