深微孔徑測(cè)長(zhǎng)機(jī)的研究

深微孔徑測(cè)長(zhǎng)機(jī)的研究

1微生物尺寸測(cè)量方法隨著中國(guó)工業(yè)制造水平的提高，高均一量的微件廣泛應(yīng)用于航空航天車輛、汽車車輛、液壓機(jī)、精密齒床、傳感器等設(shè)備中。國(guó)防系統(tǒng)中,在液壓系統(tǒng)噴油嘴、伺服泵、微電機(jī)組、微小傳動(dòng)齒輪、噴管喉部、噴嘴、伺服閥等關(guān)鍵部位都有大量微孔結(jié)構(gòu),用于實(shí)現(xiàn)對(duì)流量、壓力等參數(shù)的精密控制。此類直徑小于Φ5mm微小孔零件,以及孔徑深比大于20的深微孔零件,應(yīng)用于型號(hào)產(chǎn)品時(shí)的設(shè)計(jì)公差往往達(dá)到微米級(jí),采用傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器無(wú)法滿足測(cè)量準(zhǔn)確度要求。因此,深微孔內(nèi)徑的高準(zhǔn)確度測(cè)量成為當(dāng)前幾何量精密測(cè)量的重要研究方向。2非接觸式測(cè)量的不足目前,國(guó)內(nèi)外測(cè)量孔徑的儀器設(shè)備很多,但測(cè)量不確定度達(dá)到微米級(jí)的較少。根據(jù)測(cè)量時(shí)測(cè)頭與被測(cè)孔壁是否接觸,孔徑的測(cè)量方法可以分為接觸法測(cè)量和非接觸法測(cè)量。接觸式孔徑測(cè)量?jī)x器主要有三坐標(biāo)、測(cè)長(zhǎng)機(jī)等,通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)孔點(diǎn)位坐標(biāo)擬合內(nèi)徑,或者通過(guò)找返回點(diǎn)測(cè)量最大直徑。影響接觸式孔徑測(cè)量準(zhǔn)確度的主要因素有:①確定觸點(diǎn)位置的不確定性;②徑向位移的不確定性;③微孔特別是深微孔的空間的局限性。接觸式測(cè)量的缺點(diǎn)是接觸力的存在會(huì)引起測(cè)桿和測(cè)頭的機(jī)械變形,容易造成較大的誤差。非接觸式孔徑測(cè)量?jī)x器主要有氣動(dòng)量?jī)x、孔徑測(cè)量?jī)x以及萬(wàn)能工具顯微鏡、影像測(cè)量?jī)x等。氣動(dòng)量?jī)x的缺點(diǎn)是單個(gè)測(cè)頭只能測(cè)量與之匹配的孔徑,測(cè)量范圍小,無(wú)法測(cè)量微孔徑。孔徑測(cè)量?jī)x、萬(wàn)能工具顯微鏡、影像測(cè)量?jī)x由于采用影像法進(jìn)行測(cè)量,只能測(cè)量到孔徑的邊緣,無(wú)法測(cè)量深孔內(nèi)部尺寸,而且由于光線存在衍射,無(wú)法實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度測(cè)量。此外,近年來(lái)提出的光纖傳感方法測(cè)量微孔徑,可測(cè)量孔深徑比大于20、孔徑小到Φ0.2mm的微孔或盲孔。目前,已研究的方法有光纖三角法、雙光纖耦合法等。雖然深微孔的測(cè)量準(zhǔn)確度可以得到滿足,但目前大多處于研究階段,測(cè)量裝置造價(jià)高昂,操作復(fù)雜,測(cè)量過(guò)程緩慢,無(wú)法滿足實(shí)際計(jì)量工作需求,缺乏成熟可靠的光纖傳感式測(cè)量?jī)x器。針對(duì)這種情況,本文提出了一種基于高準(zhǔn)確度電感傳感器和紅寶石測(cè)頭,在測(cè)長(zhǎng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)深微孔徑測(cè)量的方法,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度高、成本低等特點(diǎn),滿足了實(shí)際對(duì)于深微孔徑的高準(zhǔn)確度測(cè)量要求。3應(yīng)力監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)電感測(cè)微法指的是使用旁向電感傳感器監(jiān)測(cè)零位變化,并結(jié)合光柵等進(jìn)行直徑測(cè)量的一種測(cè)量方法。電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,靈敏度和分辨力高,因無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn),工作可靠、壽命長(zhǎng)。電感式傳感器測(cè)量范圍可達(dá)幾毫米,線性度和重復(fù)性都比較好,在傳感器零位附近非線性誤差可達(dá)到0.05%,且穩(wěn)定性好,在測(cè)量精密位移和檢測(cè)精密尺寸方面(如長(zhǎng)度、直徑等)得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)長(zhǎng)機(jī)使用內(nèi)測(cè)鉤測(cè)量環(huán)規(guī)內(nèi)徑,由于尺寸限制,無(wú)法測(cè)量Φ10mm以下的環(huán)規(guī)內(nèi)徑。一些新型測(cè)長(zhǎng)機(jī),如SIP550型配備了電感式傳感器,但測(cè)頭為T型測(cè)頭,雙測(cè)球距離在5mm以上,測(cè)桿較粗且只有10mm長(zhǎng),無(wú)法滿足直徑在Φ0.5mm～Φ5mm及深度在大于10mm的深微孔內(nèi)徑的測(cè)量。因此,本文介紹了一種基于測(cè)長(zhǎng)機(jī)、高準(zhǔn)確度旁向電感傳感器以及紅寶石測(cè)針的深微孔測(cè)量方法,經(jīng)實(shí)際使用效果良好。3.1深微孔環(huán)規(guī)檢測(cè)電感式深微孔徑測(cè)量裝置采用比較測(cè)量法,在SIP550光柵式測(cè)長(zhǎng)機(jī)上通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)對(duì)紅寶石測(cè)針進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定,得到一定測(cè)量力下測(cè)針直徑、變形量常數(shù)并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中,測(cè)量深微孔環(huán)規(guī)時(shí),調(diào)用這些常數(shù)對(duì)直徑差值測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正和補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)深微孔環(huán)規(guī)內(nèi)徑的高準(zhǔn)確度測(cè)量。3.2零位平衡小時(shí)在進(jìn)行深微孔徑測(cè)量時(shí),電感傳感器的作用為監(jiān)測(cè)零位變化。因此,在對(duì)電感傳感器進(jìn)行選型時(shí),要滿足零位平衡小、示值變動(dòng)性小、在零位附近非線性誤差小等技術(shù)要求。TT20型電感傳感器的零位平衡小于0.1μm,示值變動(dòng)性為0.1μm,在零位附近-10μm到10μm范圍內(nèi)非線性誤差為0.05%,穩(wěn)定性好,該電感傳感器滿足深微孔內(nèi)徑的測(cè)量要求。3.3碳纖維測(cè)桿加工針對(duì)深微孔徑外形特征及內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求,傳統(tǒng)測(cè)長(zhǎng)機(jī)上配備的T型測(cè)針已無(wú)法滿足測(cè)試要求。因此,設(shè)計(jì)加工了具有良好剛度特性的碳纖維測(cè)桿,保證測(cè)桿在測(cè)量過(guò)程中的彎曲量為盡量小,測(cè)頭使用具有良好球度和硬度的紅寶石測(cè)球。根據(jù)測(cè)量范圍不同,測(cè)桿長(zhǎng)度從10mm到40mm不等,紅寶石測(cè)球直徑有Φ0.5mm和Φ1mm兩種,測(cè)針外形如圖1所示。3.4測(cè)量深度和微直徑的過(guò)程3.4.1溫度下微孔的測(cè)量測(cè)量裝置的工作溫度應(yīng)在20℃±1℃范圍內(nèi),溫度變化不超過(guò)0.2℃/h;測(cè)量前,測(cè)量裝置及被測(cè)深微孔應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室恒溫,恒溫時(shí)間不少于8h;室內(nèi)濕度應(yīng)在30%RH～60%RH之間。3.4.2通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)的直徑l首先,調(diào)整工作臺(tái),使標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)軸線方向與測(cè)長(zhǎng)機(jī)Z軸方向平行(見(jiàn)圖2)。然后,電機(jī)帶動(dòng)電感傳感器測(cè)頭深入標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)的被測(cè)截面,調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)使傳感器測(cè)頭在被測(cè)直徑方向上。傳感器測(cè)頭與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)直徑的一端接觸,微調(diào)X軸方向位置,使用電感傳感器監(jiān)測(cè)零位信號(hào),光柵式測(cè)長(zhǎng)機(jī)記錄當(dāng)前位置L0,電機(jī)帶動(dòng)傳感器測(cè)頭沿標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)直徑方向運(yùn)動(dòng)到直徑的另一端并與之接觸,微調(diào)電機(jī),電感傳感器再次檢測(cè)零位信號(hào),光柵式測(cè)長(zhǎng)機(jī)再次記錄當(dāng)前位置L1,則測(cè)長(zhǎng)機(jī)光柵移動(dòng)的距離L=|L1-L0|。由于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)的直徑等于光柵移動(dòng)的距離L與測(cè)頭參數(shù)之和,即:D=L+d,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)的直徑,即可求出傳感器測(cè)頭的測(cè)球參數(shù),參數(shù)d是關(guān)于測(cè)球直徑和測(cè)桿變形量的函數(shù)。在測(cè)量直徑小于Φ5mm的微時(shí),調(diào)整被測(cè)微孔的姿態(tài),使被測(cè)孔軸線方向與測(cè)長(zhǎng)機(jī)Z軸方向平行。然后,電機(jī)帶動(dòng)電感傳感器測(cè)頭深入被測(cè)孔的被測(cè)截面,調(diào)整被測(cè)孔,使傳感器測(cè)頭在被測(cè)直徑方向上。被測(cè)孔的直徑等于測(cè)長(zhǎng)機(jī)光柵移動(dòng)的距離與測(cè)頭參數(shù)之和。參照現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)檢定規(guī)程JJG894-1995,對(duì)微孔的檢定位置中截面上下各1mm內(nèi),測(cè)量直徑變動(dòng)量。標(biāo)稱值為Φ2.9940mm的微孔測(cè)量過(guò)程如圖3所示。在測(cè)量深度深度大于8mm的深微孔時(shí),調(diào)整被測(cè)深微孔的姿態(tài),使被測(cè)孔軸線方向與測(cè)長(zhǎng)機(jī)Z軸方向平行。電機(jī)帶動(dòng)電感傳感器測(cè)頭深入被測(cè)孔的被測(cè)中截面,調(diào)整被測(cè)孔,使傳感器測(cè)頭在被測(cè)直徑方向上。被測(cè)孔的直徑等于測(cè)長(zhǎng)機(jī)光柵移動(dòng)距離與測(cè)頭直徑之和。由于現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)檢定規(guī)程未明確規(guī)定深度大于8mm以上的深孔的直徑變動(dòng)量的測(cè)量位置,根據(jù)深孔高度及實(shí)際使用情況,測(cè)量時(shí)選取高度的25%,50%,75%三個(gè)截面進(jìn)行直徑測(cè)量,得出深孔的直徑變動(dòng)量。標(biāo)稱值為Φ4.16mm、孔深40mm的深微孔的測(cè)量過(guò)程如圖4所示。3.5測(cè)力和測(cè)力均根據(jù)實(shí)驗(yàn),對(duì)深微孔進(jìn)行測(cè)量時(shí),選用的測(cè)量力不同,會(huì)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度造成一定影響。測(cè)力過(guò)大,測(cè)桿會(huì)產(chǎn)生很大的彈性形變,測(cè)量準(zhǔn)確度低;測(cè)力過(guò)小,測(cè)頭不能可靠接觸,無(wú)法準(zhǔn)確地找到直徑拐點(diǎn)。因此,對(duì)直徑及深度不同的深微孔進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn),優(yōu)化裝置測(cè)量力。當(dāng)深微孔內(nèi)徑較大、深度較小時(shí),盡量選用較短測(cè)桿的測(cè)針進(jìn)行測(cè)量。為了保證測(cè)球穩(wěn)定接觸深微孔內(nèi)徑,一般測(cè)量力選用1N;當(dāng)深微孔內(nèi)徑較小、深度較大時(shí),選用較長(zhǎng)測(cè)桿的測(cè)針進(jìn)行測(cè)量,為保證測(cè)桿彈性變形較小,優(yōu)化測(cè)量力為0.5N。4測(cè)量的不確定度評(píng)估4.1環(huán)規(guī)線不確定度主要有以下幾個(gè)方面:a)由測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量u1;b)由測(cè)長(zhǎng)機(jī)示值誤差引入的不確定度分量u2;c)由標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)引入的不確定度分量u3;d)由環(huán)規(guī)溫度差引入的不確定度分量u4;e)由環(huán)規(guī)線膨脹系數(shù)差Δα引入的不確定度分量u5。各不確定度分量相互獨(dú)立,合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度按式(1)計(jì)算uc=u21+u22+u23+u24+u25??????????????????√(1)uc=u12+u22+u32+u42+u52(1)4.2測(cè)量重復(fù)引起的不確定分量u1通過(guò)對(duì)深微孔內(nèi)徑測(cè)量,對(duì)裝置的重復(fù)性進(jìn)行了研究,進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量,得到其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1=0.231μm。4.3不確定度分量u測(cè)長(zhǎng)機(jī)示值最大允許誤差為0.08μm+0.4×10-6L,包含因子k=2,則不確定度分量u2=c2u(Δd)=0.082=0.04u2=c2u(Δd)=0.082=0.04μm。4.4不確定度分量u由于對(duì)深微孔內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量,選擇標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)的不確定度為U=0.30μm(k=2),則不確定度分量u3=0.302=0.15u3=0.302=0.15μm。4.5u3000不確定度分量u理想要求標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)和被測(cè)深微孔溫度相同時(shí)進(jìn)行測(cè)量,若實(shí)際測(cè)量時(shí),足夠長(zhǎng)等溫,最大的可能溫度差Δt=±0.05℃,其概率分布按矩形分布。如果αs=11.5×10-6℃-1,則不確定度分量u4=c4u(Δt)=11.5×10?6×0.053√×ds=0.33dsu4=c4u(Δt)=11.5×10-6×0.053×ds=0.33dsμm。按照標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)φ12mm來(lái)評(píng)價(jià),則u4=0.00396μm。4.6不確定度分量u被測(cè)深微孔和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)都為鋼質(zhì)環(huán)規(guī),線膨脹系數(shù)應(yīng)在αs=11.5×10-6℃-1內(nèi),概率分布服從矩形分布,u(Δα)=1×10?63√=0.577×10?6u(Δα)=1×10-63=0.577×10-6℃-1。如果被測(cè)深微孔的溫度與標(biāo)準(zhǔn)20°C相差不超過(guò)0.2℃,則不確定度分量u5=c5u(Δα)=0.11dsμm。按照標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)Φ12mm來(lái)評(píng)價(jià),則u5=0.00132μm。4.7酶學(xué)參數(shù)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc=u21+u22+u23+u24+u25??????????????????√=0.2312+0.042+0.152+0.003962+0.001322?????????????????????????????????????√=0.278μm。uc=u12+u22+u32+u42+u52=0.2312+0.042+0.152+0.003962+0.001322=0.278μm。4.8擴(kuò)展不確定按照95%置信概率,裝置的擴(kuò)展不確