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提高滚轮法测量大直径精度的研究
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引言
大型机械设备，如水轮机、汽轮机、大型发电机组、大型轴承圈等，常需对其大直径进行高精度测量，以满足加工过程中对直径尺寸的控制。大直径测量必须解决以小测大、在线测量等一系列特殊问题。目前所采用的方法有：①用π尺进行测量，方法虽简单，但测量误差较大，精度很难提高。②采用大型卡尺进行测量，卡尺若随被测直径的增大而增大将会出现很多难以克服的困难。③电子卡尺测量精度虽然较高，但是测量范围仍然有限。④座标机是一种较先进的测量方法，可是大型座标机价格十分昂贵，且不便在线测量。⑤利用滚轮测量被测件的周长，然后算出其直径，此方法的优点在于被测工件的几何尺寸不受限制，能以小测大并可方便地进行在线测量，这也是几十年来，始终未被人们放弃的原因所在。滚轮法从理论上讲是无原理误差的，但由于技术未臻完善，如没有解决好滚轮与被测工件接触点的滑失问题，给测量带来了误差，限制了其测量精度的提高。如何解决滚轮与被测工件接触点的滑失问题，是完善此项技术的关键。
1 滚轮法测量原理及提高精度的措施
滚轮法测量大直径的原理如图1所示。它是利用滚轮测量出被测工件的圆周长，利用圆周长和直径的函数关系,通过计算来求出被测件的直径即：
n π d=N π D
D=(n/N) d(1)
式中：n 为滚轮转数；N为被测件转数；d为滚轮直径；D为被测件直径
滚轮法测量直径较好地解决了以小测大的问题，且方便于在线检测。但前提条件是：被测件（以下称工件）与滚轮在转动的时候，它们之间应是无滑动的纯滚动，即没有滑失现象。但是滑失现象一直是滚轮法测量大直径让人们所困扰的事情，也是较难解决的问题。为此，我们在这种测量方法上采取了一些措施，以减小滑失的产生。
1.1 解决被测件轴与滚轮轴在安装过程中的不平行问题
被测工件与滚轮在安装过程中两者的轴应互相平行，如图2（a）所示。
v滚=v工cosθ
滚轮的转动速度将小于工件的转动速度，滑失由此产生。它们转过的弧长不再相等。测出的直径将变小。若设计一个微调机构，让滚轮轴在与工件轴平行的位置附近摆动，滚轮轴与工件轴之间的角度θ越大，测出的工件直径就越小。调整微调机构，使θ角逐渐减小，测出的工件直径就逐渐变大。当θ= 0时，两轴平行，测出的直径最大，继续调整微调机构使θ角向反的方向增大，测出的直径又随之减小，如图3所示。只有当测出的直径为最大时，说明此时滚轮轴与工件轴是平行的，即图中的极大值位置。将滚轮轴安装在此位置可以避免滑失的产生。
当滚轮转动的时候，滚轮轴与轴承要产生摩擦，此摩擦力直接影响着滚轮的转动情况，我们希望这个摩擦力越小越好，达到减小滑失的目的。因此选用摩擦极小的空气轴承是比较理想的，于是我们设计与构思了气浮顶尖的结构，如图4所示。顶尖制成空心，可以通气，上下两端分别通入高压气体。图中采用孔式节流方式。当压缩空气由顶尖中心孔通进时，它会由间隙溢出。顶尖座和顶尖有一小段是经过研磨而成的，在静态下两壁密合，当气体通入时，两顶尖因气体压力而产生微量分离，形成锥形间隙，其余部分的顶尖座和顶尖，角度有极小的差异，形成楔形间隙。上下顶尖用同一压力供气，滚轮的自重使下顶尖的气隙小于上顶尖，因此下顶尖溢出的气体流量小，上顶尖流量大。另一方面高压气体是经过孔式节流器进入气腔的，上下顶尖使用相同结构的节流器，对流动气体的阻力相同。节流器产生的压力降与气体流量成正比，所以上端节流器的压力降大，下端的压力降小，即上端气腔内压力小，而下端气腔内压力大。上下气腔内存在着压力差，这个压力差与供气压力有关，当供气压力达到某一值时，该压力差作用在顶尖上的作用力等于滚轮的自重，就能把滚轮浮起。由于气隙的存在，滚轮转动起来自身的摩擦极小，因此可以说采用气浮顶尖结构比采用普通轴承在减少滑失方面又前进了一步。 [p]
数据采集由两部分组成，测量被测件转数N以及滚轮的转数n。首先谈一下如何得到被测件的转数N。
在被测件的侧面做一标记，当此标记通过光电开关时，光电开关将接收到一个光脉冲，工件每转一周光电开关都会接收到一个脉冲信号，此信号经光电转换、电路放大、整形后送入计算机进行计数，工件的转数N就这样被记录下来。
从式（1）中看出，滚轮所转的圈数n与被测件直径有着直接的关系，因此滚轮转数n要力求精确测出，所以采用了莫尔测量技术。把一圆光栅安装在滚轮轴上，滚轮转一周，光栅亦转一周。在圆光栅的前面按装了照明灯泡、透镜和指示光栅，在圆光栅的后面则安装了光电接收装置，这样在滚轮与光栅转动的时候就形成了移动的莫尔条纹。若光栅的周刻线为10 800条的话，由莫尔条纹的性质可知：光栅每转一周就有10 800个脉冲输出。当计算机接收到工件的第一个脉冲时，开始对移动的莫尔条纹进行计数，工件的第10个脉冲到时，说明工件已转了10周（取10周为的是提高测量精度），此时停止莫尔条纹计数。将所计的莫尔条纹的移动数目从计算机中取出，除以10 800即是滚轮所转的圈数n。若使计算机能准确地将工件的转数以及光栅所产生的莫尔条纹信号记录下来，光电转换及电路放大是必不可少的，因为光电接收装置接收到的脉冲信号较弱且是模拟变化量，而计算机所能接受的则是数字量，因此需将信号进行放大，且将模拟信号转变为数字信号。信号放大我们采用了较为常用的反相比例放大电路，此电路结构简单，由于电压负反馈的作用，输入、输出电阻都很小，所以带负载的能力较强。另外为了得到数字量，用555定时芯片搭接而成施密特触发器。此电路的优点在于：①输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下降时的转换电平不同，以提高电路的抗干扰能力。②在电路进行状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点不仅可以将边沿变化缓慢的模拟信号（正弦信号）整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形波脉冲信号的高、低电平有效地清除。
用单片机进行计数可以使电路大为简化，因为8031单片机内部有两个定时/计数器,即T0与T1。在软件编程中让T0与T1工作在计数方式。T0用来记录工件的转数N，T1则记录移动的莫尔条纹数目，当T0记录的脉冲数为10后，马上停止T1的计数，随即将T1的计数取出，用式（1）算出工件的直径D。另外用8255 A作为单片机的并行接口将算出的直径D送到LED进行显示。其中8255 A的A口与C口均作为输出口，A口用作LED的段控，C口用作位控。
3 程序设计
有了上述的硬件，完成计数与运算直到用LED显示出被测工件直径就靠程序来实现了。计数是对被测工件所转的周数以及由光栅产生的莫尔条纹的移动数目进行记录。由记录出的莫尔条纹的移动数目就可算出被测工件的直径。图5、图6分别为主程序流程图和计数程序流程图。
对传统的滚轮法在线测量大直径，经过采取有效的提高精度措施，其测量精度和重复性与不采取这些措施相比较，均能提高一个数量级。所以用滚轮法在线测量大直径仍是一个方便、有效的方法。(end)
大型机械设备，如水轮机、汽轮机、大型发电机组、大型轴承圈等，常需对其大直径进行高精度测量，以满足加工过程中对直径尺寸的控制。大直径测量必须解决以小测大、在线测量等一系列特殊问题。目前所采用的方法有：①用π尺进行测量，方法虽简单，但测量误差较大，精度很难提高。②采用大型卡尺进行测量，卡尺若随被测直径的增大而增大将会出现很多难以克服的困难。③电子卡尺测量精度虽然较高，但是测量范围仍然有限。④座标机是一种较先进的测量方法，可是大型座标机价格十分昂贵，且不便在线测量。⑤利用滚轮测量被测件的周长，然后算出其直径，此方法的优点在于被测工件的几何尺寸不受限制，能以小测大并可方便地进行在线测量，这也是几十年来，始终未被人们放弃的原因所在。滚轮法从理论上讲是无原理误差的，但由于技术未臻完善，如没有解决好滚轮与被测工件接触点的滑失问题，给测量带来了误差，限制了其测量精度的提高。如何解决滚轮与被测工件接触点的滑失问题，是完善此项技术的关键。
1 滚轮法测量原理及提高精度的措施
滚轮法测量大直径的原理如图1所示。它是利用滚轮测量出被测工件的圆周长，利用圆周长和直径的函数关系,通过计算来求出被测件的直径即：
图1 滚轮法测直径
n π d=N π D
D=(n/N) d(1)
式中：n 为滚轮转数；N为被测件转数；d为滚轮直径；D为被测件直径
滚轮法测量直径较好地解决了以小测大的问题，且方便于在线检测。但前提条件是：被测件（以下称工件）与滚轮在转动的时候，它们之间应是无滑动的纯滚动，即没有滑失现象。但是滑失现象一直是滚轮法测量大直径让人们所困扰的事情，也是较难解决的问题。为此，我们在这种测量方法上采取了一些措施，以减小滑失的产生。
1.1 解决被测件轴与滚轮轴在安装过程中的不平行问题
被测工件与滚轮在安装过程中两者的轴应互相平行，如图2（a）所示。
图2 滚轮轴与被测件轴不平行对测量的影响
v滚=v工cosθ
滚轮的转动速度将小于工件的转动速度，滑失由此产生。它们转过的弧长不再相等。测出的直径将变小。若设计一个微调机构，让滚轮轴在与工件轴平行的位置附近摆动，滚轮轴与工件轴之间的角度θ越大，测出的工件直径就越小。调整微调机构，使θ角逐渐减小，测出的工件直径就逐渐变大。当θ= 0时，两轴平行，测出的直径最大，继续调整微调机构使θ角向反的方向增大，测出的直径又随之减小，如图3所示。只有当测出的直径为最大时，说明此时滚轮轴与工件轴是平行的，即图中的极大值位置。将滚轮轴安装在此位置可以避免滑失的产生。
图3 滚轮轴与工件轴之间的夹角θ对测量直径的影响
当滚轮转动的时候，滚轮轴与轴承要产生摩擦，此摩擦力直接影响着滚轮的转动情况，我们希望这个摩擦力越小越好，达到减小滑失的目的。因此选用摩擦极小的空气轴承是比较理想的，于是我们设计与构思了气浮顶尖的结构，如图4所示。顶尖制成空心，可以通气，上下两端分别通入高压气体。图中采用孔式节流方式。当压缩空气由顶尖中心孔通进时，它会由间隙溢出。顶尖座和顶尖有一小段是经过研磨而成的，在静态下两壁密合，当气体通入时，两顶尖因气体压力而产生微量分离，形成锥形间隙，其余部分的顶尖座和顶尖，角度有极小的差异，形成楔形间隙。上下顶尖用同一压力供气，滚轮的自重使下顶尖的气隙小于上顶尖，因此下顶尖溢出的气体流量小，上顶尖流量大。另一方面高压气体是经过孔式节流器进入气腔的，上下顶尖使用相同结构的节流器，对流动气体的阻力相同。节流器产生的压力降与气体流量成正比，所以上端节流器的压力降大，下端的压力降小，即上端气腔内压力小，而下端气腔内压力大。上下气腔内存在着压力差，这个压力差与供气压力有关，当供气压力达到某一值时，该压力差作用在顶尖上的作用力等于滚轮的自重，就能把滚轮浮起。由于气隙的存在，滚轮转动起来自身的摩擦极小，因此可以说采用气浮顶尖结构比采用普通轴承在减少滑失方面又前进了一步。 [p]
图4 气垫结构简图
数据采集由两部分组成，测量被测件转数N以及滚轮的转数n。首先谈一下如何得到被测件的转数N。
在被测件的侧面做一标记，当此标记通过光电开关时，光电开关将接收到一个光脉冲，工件每转一周光电开关都会接收到一个脉冲信号，此信号经光电转换、电路放大、整形后送入计算机进行计数，工件的转数N就这样被记录下来。
从式（1）中看出，滚轮所转的圈数n与被测件直径有着直接的关系，因此滚轮转数n要力求精确测出，所以采用了莫尔测量技术。把一圆光栅安装在滚轮轴上，滚轮转一周，光栅亦转一周。在圆光栅的前面按装了照明灯泡、透镜和指示光栅，在圆光栅的后面则安装了光电接收装置，这样在滚轮与光栅转动的时候就形成了移动的莫尔条纹。若光栅的周刻线为10 800条的话，由莫尔条纹的性质可知：光栅每转一周就有10 800个脉冲输出。当计算机接收到工件的第一个脉冲时，开始对移动的莫尔条纹进行计数，工件的第10个脉冲到时，说明工件已转了10周（取10周为的是提高测量精度），此时停止莫尔条纹计数。将所计的莫尔条纹的移动数目从计算机中取出，除以10 800即是滚轮所转的圈数n。若使计算机能准确地将工件的转数以及光栅所产生的莫尔条纹信号记录下来，光电转换及电路放大是必不可少的，因为光电接收装置接收到的脉冲信号较弱且是模拟变化量，而计算机所能接受的则是数字量，因此需将信号进行放大，且将模拟信号转变为数字信号。信号放大我们采用了较为常用的反相比例放大电路，此电路结构简单，由于电压负反馈的作用，输入、输出电阻都很小，所以带负载的能力较强。另外为了得到数字量，用555定时芯片搭接而成施密特触发器。此电路的优点在于：①输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下降时的转换电平不同，以提高电路的抗干扰能力。②在电路进行状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点不仅可以将边沿变化缓慢的模拟信号（正弦信号）整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形波脉冲信号的高、低电平有效地清除。
用单片机进行计数可以使电路大为简化，因为8031单片机内部有两个定时/计数器,即T0与T1。在软件编程中让T0与T1工作在计数方式。T0用来记录工件的转数N，T1则记录移动的莫尔条纹数目，当T0记录的脉冲数为10后，马上停止T1的计数，随即将T1的计数取出，用式（1）算出工件的直径D。另外用8255 A作为单片机的并行接口将算出的直径D送到LED进行显示。其中8255 A的A口与C口均作为输出口，A口用作LED的段控，C口用作位控。
3 程序设计
有了上述的硬件，完成计数与运算直到用LED显示出被测工件直径就靠程序来实现了。计数是对被测工件所转的周数以及由光栅产生的莫尔条纹的移动数目进行记录。由记录出的莫尔条纹的移动数目就可算出被测工件的直径。图5、图6分别为主程序流程图和计数程序流程图。
图5 主程序流程图
图6 计数程序流程图
对传统的滚轮法在线测量大直径，经过采取有效的提高精度措施，其测量精度和重复性与不采取这些措施相比较，均能提高一个数量级。所以用滚轮法在线测量大直径仍是一个方便、有效的方法。(end)
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