郭小冬，張 勇，席立海，翁漢旺，郭 猛

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

半球軸承批量檢測夾具的設計及應用

郭小冬，張 勇，席立海，翁漢旺，郭 猛

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

三坐標測量機是快速自動測量設備，其裝夾工件環(huán)節(jié)產(chǎn)生的準備時間對測量效率的影響遠比手動量儀大。因此在批量輪番生產(chǎn)方式下采取有效措施，縮短測量準備時間，對提高產(chǎn)品檢測效率具有重要意義。針對動壓馬達半球軸承成批輪番生產(chǎn)檢測的任務特點，在分析檢測流程、零件結(jié)構(gòu)以及測量機工作特點的基礎上，設計了由孔系基礎板及專用定位、支承、緊固件組成的半球軸承批量檢測夾具，實現(xiàn)了工件離線快速裝夾、縮短了測量準備時間。通過實際應用證明了此方法的有效性。

半球軸承；批量檢測；夾具設計；效率提升

0　引言

動壓馬達是新型慣性儀表的核心元件。為保證動壓馬達的工作性能，對馬達半球軸承的工作間隙有嚴格的要求，為此需要精確測量半球、球碗的半徑及球心位置，而且測量在工藝過程中需要反復進行（在粗加工、鍍膜、精加工工序后均需要測量球半徑及球心位置）。測量在Leitz-PMM866三坐標測量機上進行。

近年來，動壓馬達的生產(chǎn)任務日益繁重。半球軸承每個生產(chǎn)批組件數(shù)從10件到數(shù)10件不等，而且是多個批組在生產(chǎn)線上流水生產(chǎn)。因此，不同批次、不同工序狀態(tài)的半球軸承輪番交檢，在三坐標測量機上檢測。在檢測半球軸承的同時，三坐標測量機還要穿插檢測其他零件，因此檢測工作量很大，設備處于 “滿負荷”狀態(tài)，但仍不能滿足車間生產(chǎn)進度的要求，在馬達生產(chǎn)線上形成了計量進度瓶頸。

1　開發(fā)思路

三坐標測量機在程序控制下自動測量，測量速度比手動量儀快很多，裝夾工件等準備工作產(chǎn)生的設備等待時間對測量效率的影響遠比手動量儀大，因此工件裝夾是提高測量效率應重點關注的環(huán)節(jié)。針對目前存在的半球軸承計量進度瓶頸，應用并行作業(yè)理念，設計半球軸承批量檢測成組夾具，實現(xiàn)工件離線裝夾和成組快速換裝，壓縮測量機的等待時間，提高檢測效率。

首先針對球碗檢測進行開發(fā)，取得成功經(jīng)驗后不難推廣至軸承的另一種主要零件—半球的檢測。

2　夾具設計

2.1效率提升潛力分析

球碗零件如圖1所示，球半徑R7.5*是需要反復檢測的尺寸，球心距0.2*也需要反復檢測。球碗檢測的現(xiàn)行方法是單件測量，實景照片如圖2所示，工步流程如圖3所示。

圖1　球碗Fig.1 The spherical bowl

圖2　球碗檢測現(xiàn)行方法Fig.2 Current spherical bowl measuring method

圖3　現(xiàn)行球碗檢測方法流程圖Fig.3 The flow chart of the current spherical bowl measuring

分析：工步4、6、7操作時，測量機停機等待，時間合計30s，占單件測量總時間90s的1/3。如果能設計1套夾具，實現(xiàn)分組測量、工件離線安裝，就能夠挖掘這1/3的時間潛力，壓縮停機等待時間，提高工效。工步5的單件測量，通過采用夾具準確預定位工件，測量安全距離可以減小，測量時間也可以縮短。

2.2設計方案

設計方案為孔系基礎板+球碗夾持座。

（1）孔系基礎板

孔系基礎板是整套夾具的安裝基體，成矩陣排列的等間距M8螺紋安裝孔分布在基礎板上，用于安裝球碗夾持座（每個夾持座夾持1個球碗）。安裝孔的間距與球碗夾持座的大小相適應?；A板的大小及安裝孔的數(shù)量應能滿足1次安裝20個以上工件的要求。安裝孔的矩陣網(wǎng)格式布局可以靈活地布置夾持座的數(shù)量，以適應變批量檢測。

為實現(xiàn)批量離線裝夾，采用雙基礎板方案。

基礎板材料選用不銹鋼2Cr13并進行調(diào)質(zhì)處理，保證足夠的剛度以及使用中不易生銹。

基礎板在測量機上的定位：利用三坐標測量機工作臺上的M8螺紋孔安裝等徑定位柱，設置基礎板安裝三點定位基準，如圖4所示。測量機測量時工件受力很小，僅靠基礎板自身重量產(chǎn)生的靜摩擦力就足以保證測量時不發(fā)生移動，因此基礎板安裝時僅需側(cè)面定位，上下無需夾緊。

圖4　應用批量檢測夾具檢測球碗實景Fig.4 The scene photo of application

（2）球碗夾持座

球碗夾持座由安裝座和鎖緊帽組成，如圖5所示。球碗夾持座采用端面、止口定位法夾持工件。具體地說，就是用球碗上的B基準面和Φ24.4*外圓（如圖1）定位，以鎖緊帽螺旋壓緊。安裝座底部設M8螺柱，并有Z向定位端面A，以此將安裝座安裝在基礎板上。夾具、工件裝配關系如圖6所示。

安裝座上設有Φ4.5扳手孔，方便裝卸；鎖緊帽上設有直紋滾花，方便操作；夾持座材料選用黃銅 H62，材料相對較軟，可保護工件，避免壓傷。

圖5　球碗夾持座Fig.5 Clamping seat for spherical bowl

圖6　夾具、工件裝配關系Fig.6 Assembly relationship between fixture and workpice

2.3夾具精度分配與核算

三坐標測量機測量時，測頭先以快移速度接近工件，到達設定的安全距離后降為探測速度進行觸測。快移速度與探測速度相差40倍，因此為獲得高的測量效率，應設定盡可能小的安全距離。但另一方面，如果工件裝夾定位誤差大，設定安全距離小，就很可能導致測頭快移未結(jié)束時接觸工件，發(fā)生碰撞，損壞測頭。因此，要根據(jù)安全距離進行夾具精度的分配與核算。

（1）夾具精度的分配

設安全距離為Gap，工件X/Y向裝夾定位誤差為EXY，工件Z向裝夾定位誤差為EZ。為保證不發(fā)生碰撞，應有：

EXY、EZ均為合成誤差，由夾具/工件系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)在X/Y向及Z向的誤差合成而來，如表1所示。

平均分配誤差，令EXY1=EXY2=EXY3=EXY4=E1，代入式（1），EZ1=EZ2=EZ3=E2代入式（2），則有E1＜0.25Gap，E2＜0.29Gap。

為提高檢測效率，應用本夾具方案時，將測量安全距離Gap值由目前的2.54mm改為1mm，于是有E1＜0.25mm，E2＜0.29mm。

即EXY1、EXY2、EXY3、EXY4中每一項誤差均應小于0.25mm，EZ1、EZ2、EZ3中每一項誤差均應小于0.29mm。以此為誤差上限進行夾具精度設計，給定尺寸公差，參照表1中 “誤差值”一欄所列。

（2）定位精度核算

將給定尺寸公差及Gap=1帶入式（1）、式（2）得：

核算結(jié)果：工件裝夾定位誤差滿足測量安全距離減小的要求。

表1　裝夾定位誤差分解表Table 1 List of clamping position errors

3　應用策略

3.1編程

根據(jù)工件在基礎板上矩陣排列的特點，運用測量機PCDMIS軟件系統(tǒng)的陣列偏移功能進行測量編程，實現(xiàn)多工件循環(huán)測量。

3.2方案

1）工件批量大時，采用雙基礎板方案。一組工件測量完后換上另一塊預裝好一組工件的基礎板，兩塊基礎板交替測量。

2）工件批量小時，采用單基礎板方案?；A板定位點在測量機上設置后，一段時間內(nèi)不撤除，并保留測量程序及坐標系數(shù)據(jù)。在進行其他零件測量時，可離線在基礎板上完成球碗預裝，待機器可以安排測量球碗時換上、測量。

4　實際應用

球碗批量檢測夾具在半球軸承生產(chǎn)中進行了實際應用。球碗40件一批，分兩組測量，每組20件，使用雙基礎板。夾具/工件安裝過程示意如圖7所示。

圖7　夾具/工件安裝過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of fixture/workpice installing

5　效果分析

現(xiàn)將批量檢測夾具應用前后，球碗測量的時間流程圖分別列出，如圖8、圖9所示。

圖8　批量檢測夾具應用前球碗檢測流程圖Fig.8 The flow chart of spherical bowl measuring before using the fixture

圖9　批量檢測夾具應用后球碗檢測流程圖Fig.9 The flow chart of spherical bowl measuring after using the fixture

完成40件球碗測量所需時間計算：

1）應用批量檢測夾具前=140+20+240+（10+ 60+10+10）×40=4000s

2）應用批量檢測夾具后=30+20+360+（10+ 1000）×2=2430s

檢測效率提升比率=（4000/2430-1）×100% =64.6%

6　結(jié)論

本項目運用并行作業(yè)理念，設計批量球碗檢測夾具，實現(xiàn)了工件離線裝夾和分組快速換裝，

大幅度減少了測量機的停機等待時間，挖掘出了設備的時間潛力，提高球碗檢測效率64.6%。通過設計不同的夾持座，本成果還可以容易地推廣到馬達軸承的另一種主要零件——半球的批量檢測上，為打通計量瓶頸，完成繁重的動壓馬達生產(chǎn)任務作出更多的貢獻。

［1］ 楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011. YANGShu-zi.Mechanicalprocessingmanual［M］. Beijing：China Machine Press，2011.

［2］ 朱耀祥，浦林祥.現(xiàn)代夾具設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010. ZHU Yao-xiang，PU Lin-xiang.Morden fixture design manual［M］.Beijing：China Machine Press，2010.

［3］ 王輝.夾具技術的過去、現(xiàn)在和未來瞻望—夾具技術創(chuàng)新芻議（下）［J］.現(xiàn)代制造工程，2012（1）：3-7+64. WANG Hui.The past，present and future trend on fixture technology—some suggestions on fixture innovation（part2）［J］.Modern Manufacturing Engineering，2012（1）：3-7+64.

［4］ 齊孟雷.孔系組合夾具在高精度零件制造中的應用研究［J］.裝備制造技術，2014（4）：234-235+242. QI Meng-lei.Hole series modular fixture in the new machineresearchapplication［J］.Equipment Manufacturing Technology，2014（4）：234-235+242.

［5］ Wang J，ZhouJ， LinZ.Locatorsoptimizationfor measuringfixturedesign［J］.ChineseJournalof Mechanical Engineering，2004，17（3）：332-335.

［6］ Vallapuzha S，Demeter E C.An investigation of the effectiveness of fixture layout optimization methods［J］.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2002，42 （2）：251-263.

［7］ PCDMIS編程手冊［M］.青島：?？怂箍禍y量技術（青島）有限公司，2006. PCDMIS programming manual［M］.Qingdao：Hexagon Metrology（Qingdao）Co.，Ltd.，2006.

Design and Application of Fixture for the Hemisphere Bearings Measuring in Batch Production

GUO Xiao-dong，ZHANG Yong，XI Li-hai，WENG Han-wang，GUO Meng
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

Three coordinate measuring machine（CMM）is a fast automatic measuring equipment，their preparation time spent on clamping workpieces has far more impact on the measurement efficiency than manual measuring equipment. So in batch production mode，to take effective measures to shorten the measurement preparation time is of great significance to promote the efficiency of product inspection.Aim at the task characteristics of the batch measurement of dynamic pressure hemisphere bearings，on the basis of analysing the measurement flow，the workpiece structure and characteristics of the CMM，the design of the hemisphere bearing batch measuring fixture is finished，which composed of hole-series base plate，special positing，supporting and fastening elements.The fast offline workpiece clamping is achieved.The measurement preparation time is shortened.The effectiveness of the proposed method in this paper is proven in the practical application.

hemisphere bearings；batch measurement；fixture design；efficiency promotion

TG806

A

1674-5558（2016）04-01143

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.04.015

2015-06-10

郭小冬，男，高級工程師，從事產(chǎn)品檢驗技術研究工作。