寧 磊，于大國(guó)，2，孟曉華

(1.中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，太原 030051;2.山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，太原030051)

0 引言

深孔軸線檢測(cè)是深孔類零件加工過(guò)程中的一個(gè)重要組成部分，是對(duì)深孔零件進(jìn)行質(zhì)量控制和管理的重要手段［1］。如果能夠及時(shí)檢測(cè)出鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的偏斜，并對(duì)其采取相應(yīng)的措施會(huì)降低零件誤差或減小報(bào)廢的現(xiàn)象。然而影響孔軸線偏斜的因素有許多，比如:加工方式的不同、導(dǎo)向套的偏心、工件端面的偏斜、鉆桿的剛度和材質(zhì)硬度不均勻、機(jī)床振動(dòng)和外部振動(dòng)的干擾等［2］。只有從根本上了解影響孔軸線偏斜的因素，提出切實(shí)可行的方案解決問(wèn)題，才能夠保證加工質(zhì)量提高加工效率。

在國(guó)外，如日本的Akio Katsuki 等人開(kāi)發(fā)使用高性能的激光制導(dǎo)深孔鏜刀，能夠預(yù)防鉆孔偏斜［3］;瑞典Sandvik Coromant 公司和德國(guó)的Guhring 公司也相繼投入了大量的人力和財(cái)力進(jìn)行孔軸線偏斜研究［4］，最終也只是提出了一些減小孔軸線偏斜的途徑;C.H. Gao［5］從切屑變形和切削力的角度對(duì)BTA 深孔鉆削加工過(guò)程進(jìn)行了研究分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了軸向力、側(cè)向力的經(jīng)驗(yàn)公式，為研究深孔偏斜提供了理論成果;Y.S Liu［6］設(shè)計(jì)了深孔直線度測(cè)量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)配套軟件的使用，使直線度誤差控制在0.366 范圍內(nèi)。

在國(guó)內(nèi)，西安工業(yè)大學(xué)的白萬(wàn)民根據(jù)彈性力學(xué)原理并利用有限元法，推導(dǎo)了深孔鉆削時(shí)孔中心線偏移量的計(jì)算公式，并提出了減小孔中心線偏移量的措施;西安理工大學(xué)的孔令飛等人將穩(wěn)健設(shè)計(jì)理論應(yīng)用于深孔加工孔軸線偏斜問(wèn)題研究中;中北大學(xué)機(jī)械制造工藝研究所于2009 年5 月研究成功了超聲波深孔加工測(cè)厚儀使解決孔軸線偏斜問(wèn)題向前邁進(jìn)了一大步，為實(shí)現(xiàn)在線糾偏提供了支持［7］。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，深孔鉆削的檢測(cè)技術(shù)也隨之得到了發(fā)展。采用電感、電子、激光等先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)，并用計(jì)算機(jī)采集、處理、存儲(chǔ)、檢測(cè)數(shù)據(jù)［8］，在很大程度上保證了孔的軸線不偏斜。深孔加工又是一種封閉式或半封閉式加工方式，操作人員無(wú)法直接觀察到刀具切削情況，只能依靠聽(tīng)聲音、看切屑、油壓、觀察機(jī)床負(fù)荷等判斷切削中的加工情況，在多數(shù)情況下，深孔加工只能跟著感覺(jué)走，造成加工質(zhì)量不穩(wěn)定［9］。因此，對(duì)鉆頭走向的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，應(yīng)作為深孔加工控制技術(shù)中優(yōu)先的課題加以研究和解決。

2 PSD 的結(jié)構(gòu)和工作原理

PSD 是一種新型橫向光電效應(yīng)器件，與光導(dǎo)攝像管及固體攝像器元件相比，有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，具有不存在測(cè)量死區(qū)、分辨率高、響應(yīng)速度快、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在位移位置檢測(cè)、精密尺寸測(cè)量、三維空間位、高能物理等技術(shù)領(lǐng)域具有獨(dú)到之處和廣泛應(yīng)用［10］。PSD 可分為一維和二維兩種，這里主要介紹二維PSD 結(jié)構(gòu)和工作原理。

二維PSD 可以用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的位置坐標(biāo)，原理圖及等效電路圖如圖1 所示。

圖1 二維PSD 原理圖及等效電路圖

PSD 的工作原理是基于橫向光電效應(yīng)，當(dāng)入射光照射到光敏面上某一點(diǎn)后，光生載流子在薄層中流動(dòng)，可用兩個(gè)正交分量表示:平行于x 軸方向的分量Iy和平行于y 軸方向的分量Iy，且Ix+Iy=I0，I0為光生總電流。根據(jù)載流子的移動(dòng)按照歐姆定律分配的規(guī)律，得到每個(gè)電極上的電流表達(dá)式:

其中:Ix1，Ix2，Iy1，Iy2分別為各個(gè)電極上的電流。

當(dāng)電阻層均勻時(shí)有

聯(lián)立式(1)—(6)可求出光點(diǎn)在PSD 光敏面上的位置坐標(biāo)的表達(dá)式

其中:L 為PSD 光敏面的寬度。

由式(7)和(8)可知只要檢測(cè)出4 個(gè)電極上電流的大小，即可計(jì)算出坐標(biāo)x 和y 的值。

3 在線檢測(cè)系統(tǒng)方案構(gòu)思

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)裝置組成

檢測(cè)系統(tǒng)裝置主要由激光器、反射鏡、立方角錐棱鏡、檢測(cè)鉆頭傾角(位置)PSD、信號(hào)處理儀、A/D 轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī)等組成，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為了保證反射光束能夠照射在外固定架內(nèi)的PSD上，裝置中用于檢測(cè)鉆頭傾角PSD 和鉆頭位置PSD 的高度應(yīng)在反射光束的照射范圍內(nèi)。同時(shí)外固定架安裝在機(jī)床上，鉆削開(kāi)始前調(diào)整外固定架位置使發(fā)射激光束照在PSD 的坐標(biāo)原點(diǎn)，位置調(diào)整后將固定架固定住。為了便于理解，用于測(cè)量?jī)A角的入射光束和反射光束用兩條線表示。

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

調(diào)整外固定架位置，使反射光束正好照射在PSD 的坐標(biāo)原點(diǎn)，將外固定架固定在機(jī)床上。固定在外固定架的兩個(gè)激光器分別發(fā)出脈沖光束，光束平行于鉆桿初始軸線穿過(guò)鉆桿的過(guò)光孔到達(dá)反射鏡或立方角錐棱鏡。其中一條光束射向相對(duì)于鉆頭固定的立方角錐棱鏡，由于該棱鏡的特點(diǎn)，光束通過(guò)立方體角錐棱鏡后，會(huì)以平行于入射光束返回到檢測(cè)鉆頭位置PSD。檢測(cè)鉆頭位置PSD 會(huì)以光電流的形式輸出四個(gè)極其微弱的信號(hào)，連接PSD 的信號(hào)處理儀會(huì)對(duì)四路光電流進(jìn)行放大處理并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，模擬電壓信號(hào)再由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)單片機(jī)處理后經(jīng)接口電路將單片機(jī)輸出的TTL 電平，轉(zhuǎn)換為供計(jì)算機(jī)串口讀取的電平，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理計(jì)算最終得出鉆頭位置的變化，亦即鉆頭在其軸線法面內(nèi)的位置變化。另一條光束也平行于鉆頭初始軸線，穿過(guò)檢測(cè)鉆頭傾角PSD 上開(kāi)設(shè)的微孔，射向反射鏡，由反射鏡返回到檢測(cè)鉆頭傾角PSD，信號(hào)最終由計(jì)算機(jī)處理可以得到鉆頭傾角的變化。通過(guò)所測(cè)得的鉆頭位置、姿態(tài)數(shù)值，間接反映了孔的精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔的間接的在線檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)工作原理圖如圖3。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)工作原理圖

3.3 激光器和鉆頭的設(shè)計(jì)

激光器的設(shè)計(jì):半導(dǎo)體激光頭發(fā)出波長(zhǎng)為635nm 的脈沖激光束，經(jīng)過(guò)位于焦平面上的物鏡匯聚后發(fā)出平行光束，通過(guò)相當(dāng)于倒置的望遠(yuǎn)鏡的透鏡系統(tǒng)將激光光束壓縮成直徑為1 mm 的激光束，然后通過(guò)光闌調(diào)節(jié)，最后出射的光束為直徑小于0.5mm 的平行激光束［11］。這樣設(shè)計(jì)激光器的目的是保證發(fā)出激光束直徑小且平行，減少對(duì)測(cè)量誤差的影響，激光器簡(jiǎn)圖如圖4。

圖4 激光器簡(jiǎn)圖

鉆頭的設(shè)計(jì):鉆頭經(jīng)過(guò)改造采用的是小直徑段，小直徑段不僅提供了安裝光學(xué)鏡的空間，更重要的是，小直徑段的存在，使得調(diào)整鉆頭姿態(tài)(即角度)變成可能，鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5。

4 檢測(cè)情況分析

當(dāng)鉆頭鉆削工件時(shí)大致會(huì)出現(xiàn)四種情況:鉆削正常、鉆頭繞x 軸偏斜、鉆頭沿y 軸平移、鉆頭繞x 軸偏斜和沿y軸平移。

(1)鉆削正常

當(dāng)鉆頭鉆削正常時(shí)，固定在鉆頭的反射鏡和立方角錐棱鏡位置都不會(huì)變化，測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖6。從示意圖中我們可以看出激光發(fā)射器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)反射鏡或立方角錐棱鏡，反射光束都照在PSD 的坐標(biāo)原點(diǎn)O1和O2。由于在檢測(cè)鉆頭傾角的PSD 中心O1開(kāi)一個(gè)微小孔，因此當(dāng)反射光束照射在O1點(diǎn)時(shí)PSD不會(huì)有電流產(chǎn)生也就不會(huì)有坐標(biāo)變化，但是此時(shí)可視坐標(biāo)為(0，0);與O1不同O2處會(huì)有光電流產(chǎn)生，依據(jù)公式(7)和(8)同樣可以得到O2坐標(biāo)為(0，0)。

圖6 鉆削正常示意圖

(2)鉆頭繞x 軸偏斜

(3)鉆頭沿y 軸平移

假設(shè)當(dāng)鉆頭沿y 軸向上平移時(shí)，示意圖如圖9，其它情況類似。因?yàn)橥夤潭懿粫?huì)移動(dòng)，所以安裝在固定架里的激光器位置不變。激光器發(fā)出的光束會(huì)經(jīng)反射鏡原路返回，照在點(diǎn)O1。而立方角錐棱鏡的入射光束和反射光束是平行的，當(dāng)鉆頭向上平移h 時(shí)，可以參考文獻(xiàn)［12］中的角錐棱鏡的位移與光束移動(dòng)的關(guān)系得出O2B 的大小為2h。很直觀的看出測(cè)量結(jié)果比實(shí)際偏移大一倍，因而測(cè)量的靈敏度也相應(yīng)提高了一倍。

圖9 鉆頭沿軸上平移示意圖

(4)鉆頭繞x 軸偏斜和沿y 軸平移

當(dāng)鉆頭繞x 軸左偏斜和沿y 軸上平移，示意圖如圖10，其它情況類似。我們依然采用(2)(3)的假設(shè)，因?yàn)槠铅缺容^的小，所以立方角錐棱鏡的位置幾乎不變只是平移了h。這種情況就是(2)和(3)情況的結(jié)合，因此我們可以通過(guò)粗略計(jì)算得到。

圖10 繞左偏斜和沿上平移示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的分析我們可以得到:假如A 和B 的坐標(biāo)都是(0，0)，得知鉆頭處于正常情況下;假如B 點(diǎn)坐標(biāo)幾乎接近坐標(biāo)原點(diǎn)，而A 點(diǎn)離得較遠(yuǎn)時(shí)，鉆頭處于繞軸偏斜情況下;假如A 點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0)B 點(diǎn)為(0，2h)時(shí)，鉆頭向上平移了h;當(dāng)A 和B 坐標(biāo)都離坐標(biāo)原點(diǎn)較遠(yuǎn)，鉆頭既偏斜又平移。A 點(diǎn)和B 點(diǎn)的坐標(biāo)可以根據(jù)公式(7)和(8)計(jì)算出，由計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終算出鉆頭偏斜的角度和位置的變化。

要提高加工孔的質(zhì)量，從影響孔軸線偏斜的因素進(jìn)行分析，并借助于現(xiàn)有的技術(shù)提出切實(shí)可行的方案。深孔軸線在線檢測(cè)系統(tǒng)將光的反射原理以及PSD 技術(shù)結(jié)合起來(lái)，雖然技術(shù)不是很成熟并且有一定的局限性，但是可以給深孔鉆削加工中孔軸線檢測(cè)提供了一定的參考，因此該課題的研究必將是長(zhǎng)期的。

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