基于KJY型孔径仪的结构设计

基于KJY型孔径仪的结构设计

董佳佳1,王爱军1,何学军1,何小妹1,王瑞平1,吴嘉琪1

董佳佳身份证号码：130929199411018021

摘  要：KJY型孔径仪采用光栅作为测量基准、光电显微镜作为瞄准头，能满足二等及以下环规类零件测量需求。KJY型孔径仪性能指标为：分辨力为0.1μm，测量范围为（3～100）mm，最大允许误差为±( 0.3+0.002L)μm，L为测量长度，单位为mm。其测量范围较小，不能满足大尺寸环规的测量、校准。因此，本文对KJY型孔径仪的可调工作台、光电显微镜及导轨的机械结构进行了更改，使其测量范围扩展为（3～300）mm，并对导轨中的微调结构进行了重新设计，更改后的微调分辨力为0.01 μm。

关键词：结构设计；孔径仪；环规；量程；工作台；导轨

中图分类号：

0 引言

孔径仪具有测量环规类孔径、圆柱外径、端度、间距、玻璃线纹尺等功能，在计量行业中具有非常重要的量传、检定作用，孔径仪在机械制造业（例如：汽车制造业、轴承加工业）也具有广泛的应用价值[1,2]。

精密孔径测量仪在国际中高端市场商用产品主要有德国马尔公司为代表的基于ULM系列测长仪的环规孔径测量和美国爱德蒙得Edmunds公司 IEC300为代表的典型的环规孔径专用测量仪。航空工业计量所设计制造的KJY型精密孔径仪打破了国外孔径仪产品的垄断，KJY型孔径仪也是目前国内现有最好的孔径类零件测量仪器。

常规环规类孔径产品的内尺寸覆盖了（Ф1～Ф300）mm，原有的KJY型孔径仪测量范围为（3～100）mm，不能对大尺寸的环规类孔径产品进行检测，因此，本文基于KJY型孔径仪的结构基础，对其进行测量量程进行扩充，使其内尺寸测量范围为（3～300）mm。

1 孔径仪结构组成

孔径仪主要由测长系统、光电显微镜瞄准系统、直线导轨驱动系统、可调工作台、数据采集系统、环境参数测量系统及软件处理部分组成。KJY型孔径仪整体结构图如图1所示。

图1 KJY型孔径仪结构示意图

Fig.1 Structure diagram of KJY aperture meter

根据《JJG89401995标准环规检定规程》，需对环规中间界面和上下各1mm处直径进行测量。因此，待测面与光束主光路需保持平行，才可保证测量的一致性与准确性。

KJY型孔径仪测量过程为：

1）调整光电显微镜高度，确定其工具距离；

2）避免放置待测件时，待测件与光电显微镜发生干涉碰撞，因此首先应确认可调工作台与光电显微镜距离较远，然后将待测件置于可调工作台上；

3）直线导轨可带动可调工作台（及置于可调工作台上的待测件）进行大幅度调整，使得待测件出现在显微镜的视场范围内；

4）调整可调工作台，使置于可调工作台上的待测件的待测面反射像平行于显微镜目标分划板的刻线，如图2所示；

5）微小移动直线导轨，将待测件的待测面反射像置于目标分划板刻线中间，此时，光电显微镜触发，读取、记录此面的位置数据；

6）移动待测件，采集另一面的位置数据；

7）计算待测件的尺寸距离。

图2 孔径仪测量成像示意图

Fig.2 Diagram of aperture meter measurement imaging

根据KJY型孔径仪的测量步骤，可知KJY型孔径仪各组成单位功能为：

导轨实现待测件的大量程调整及微小移动；

可调工作台主要起支撑待测件及实现待测件位置微小调整的作用；

光电显微镜主要起瞄准及采集信号的作用；

测长系统作为长度基准，测量待测件移动的距离[3]。

因此，孔径仪量程扩展，需对可调工作台的尺寸及结构、光电显微镜的尺寸及导轨的机械结构进行更改。

2. 大量程可调工作台结构设计

由于本文将测量范围为（3～100）mm的KJY型孔径仪更改为测量范围为（3～300）mm的大量程孔径仪，其量程扩充200 mm。因此，起支撑作用的可调工作台尺寸也应随之增大，考虑300 mm的环规的壁厚，若仍使用KJY型圆形工作台设计（如图3所示），其直径尺寸至少应为500 mm。圆形工作台仅有两个支撑柱，尺寸变大后不能保证其稳定性，且工作台尺寸变大后会与光电显微镜部分发生干涉，因此，需要对可调工作台的结构进行更改。

图3 可调工作台

Fig.3 Adjustable table

利用孔径仪对被测件进行测量时，需对被测件位置进行微小调整，使得被测件的内壁（即被测件待测面反射像）与视场内的刻线大致平行。因此，可调工作台需具有3个方向的自由度，才可实现被测件在工作台的位置调整，如图3所示，其中绕Z轴旋转与前后移动可实现调整被测件反射像与目标分划板刻线大致平行，绕X轴转动可实现调整被测面平行于主光路[4,5]。

通过分析孔径仪测量原理及KJY型可调工作台的结构组成，对大量程可调工作台进行设计，其整体结构示意图如图4所示。沿承KJY型可调工作台设计，将工作台分为上、中、下三层板，其中，上层板可完成平面内小角度旋转，中层板带动上层板一起做前后移动，下层板主要起支撑作用。上、中、下三层板通过四个支撑柱与底板相连，为了实现工作台调垂直的功能，将三个支撑柱内置弹簧，一个支撑柱外层设计为蜗轮结构，通过调节涡轮蜗杆结构，实现工作台绕

X轴调整的功能。

图4 大量程可调工作台结构示意图

Fig.4 Structural schematic of large range adjustable workbench

3 光电显微镜机械结构调整

光电显微镜的机械及其连接结构如图5所示，光电显微镜通过滑台与立柱相连，由于工作台尺寸增大，滑台探出部分也需延长，滑台探出部分属于悬臂梁机构，根据悬臂梁的特性，可知：悬臂梁的变形量会随其长度延长而变大。滑台变形量增大，使得光学棱镜发生错位，影响仪器的测量精度。

设计滑台结构时，主要需要从以下方面进行考虑：

1）保证滑台尺寸；

2）提高滑台抗弯强度EI；

3）滑台自身重量不可过重。

悬臂梁的抗弯强度主要由横截面的形状及大小决定，若想提升滑台的抗弯强度，即可增大悬臂梁横截面的形状或大小。KJY型孔径仪滑台结构为“冂”形，将其结构改为“口”形，如图6所示。

根据孔径仪光路设计，要求滑台上下镜筒同轴度保持在5 μm以内，滑台同轴度误差主要来源于：1）机械加工误差；2）滑台镜筒变形产生的变形带来的同轴度误差；3）其余误差（例如：安装误差）。其中机械加工同轴度误差要求在2 μm以内，为避免其余可能产生的误差，因此，分配上下镜筒变形所产生的同轴度误差为1μm以内。

图5 光电显微镜结构示意图

Fig.5 Structure schematic diagram of photoelectric microscope

（a）KJY型孔径仪滑台 （b）大量程型孔径仪滑台

（a）KJY type aperture meter sliding platform

（b）large range aperture meter sliding platform

图6滑台结构示意图

Fig.6 Structural sketch of sliding platform

对更改后的滑台结构进行受力仿真分析[6]，滑台上半部分所承受的力主要来自于光电显微镜，光电显微镜上半部分重量约为2.4 kg，在模拟软件中设置滑台受力为24 N（取g=10 N/kg），其模拟结果如图7所示。当滑台承载载荷为24 N时，滑台最大变形量为0.89 μm，图中变形量与实际变形量比例为50000:1。

图7 滑台静应力分析图

Fig.7 Static stress analysis diagram of sliding platform

4 气浮直线导轨的设计

导轨作为非接触环规孔径精密测量仪的主要部件之一，主要起导向和承载作用，是仪器的重要组成部分之一[7]。随着待测件尺寸增大，导轨尺寸应随之增大，其可调节范围也应随之增大。导轨主要可分为直线滑动导轨、滚动导轨及气浮导轨。KJY型孔径仪使用的导向导轨为滚动直线导轨，滚动直线导轨在低速运动时，可能会发生爬行现象，且在进一步提升直线导轨精度上，成本较大。综合考虑，本文采用了气浮导轨替代原有的直线导轨。

根据孔径仪的测量特性，需将气浮导轨设置为既可高精度大量程运动又可实现高分辨力的微小调整。以下将从气浮导轨设置及微调机构两方面对气浮直线导轨进行介绍。

本文选择的导轨为气体静压导轨，气体静压导轨从结构上划分，主要包含开式静压导轨和闭式静压导轨，如图9所示， a）为典型的开式静压导轨，b）为闭式平面型静压导轨。开式静压导轨相比闭式静压导轨结构简单，加工方便，加工成本也较闭式静压导轨低[8,9]，虽闭式静压导轨可达到的精度更高，但是经考证，开式静压导轨的精度完全可满足本项目需求，所以，本项目选择了开式气体静压导轨作为本文导轨结构。

（a）开式静压导轨          （b）闭式静压导轨

（a）open hydrostatic guide rail （b）closed hydrostatic guide rail

图 9 气体静压导轨示意图

Fig.9 Gas hydrostatic guide rail

为了达到高精度气浮导轨位移微调精度，本文拟采用双层气浮导轨技术，在保证导轨和工作台做高精度大量程移动的基础上，增加一层小行程超高分辨力微调气浮导轨，以实现超高精度的微调效果，从而提高环规及内孔校准的绝对精度[10]。

气浮平台整体结构如图10所示。气浮工作台由大理石底座、导轨、一级滑台、二级滑台、微调机构、侧滑块、限位块、摩擦轮等组成[11]。

图 10 气浮平台整体结构

Fig.10 Structure of air-bearing platform

KJY型孔径仪微调主要依靠差动螺纹实现[12]，其微调分辨率为0.1 μm，本文对其结构进行更改后，其微调分辨率可达到0.01 μm。

5 结论

本文对KJY型孔径仪量程扩充进行了介绍。分析了KJY型孔径仪主要机械组成构件，并对其主要组成构件：可调工作台、光电显微镜机械结构及导轨分别进行了更改。根据孔径仪工作原理，分析孔径仪对可调工作台自由度的需求，对可调工作台进行了重新设计，使其可以实现

3个方向的微小调整。对光电显微镜滑台结构进行了分析，对其悬臂梁结构进行了加固，以增大其抗弯强度，并对滑台部分进行了模拟，在滑台承受24 N力时，其最大变形量为0.89 μm。将原有孔径仪所使用的滚动直线导轨替换为气浮直线导轨，并对其微调结构进行了重新设计，重新设计的微调结构可实现0.01 μm的调整分辨力。

参考文献

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