1　引言
　　大型機(jī)械設(shè)備，如水輪機(jī)、汽輪機(jī)、大型發(fā)電機(jī)組、大型軸承圈等，常需對(duì)其大直徑進(jìn)行高精度測(cè)量，以滿足加工過(guò)程中對(duì)直徑尺寸的控制。
　　大直徑測(cè)量必須解決以小測(cè)大、在線測(cè)量等一系列特殊問(wèn)題。目前所采用的方法有：①用π尺進(jìn)行測(cè)量，方法雖簡(jiǎn)單，但測(cè)量誤差較大，精度很難提高。②采用大型卡尺進(jìn)行測(cè)量，卡尺若隨被測(cè)直徑的增大而增大將會(huì)出現(xiàn)很多難以克服的困難。③電子卡尺測(cè)量精度雖然較高，但是測(cè)量范圍仍然有限。④座標(biāo)機(jī)是一種較先進(jìn)的測(cè)量方法，可是大型座標(biāo)機(jī)價(jià)格十分昂貴，且不便在線測(cè)量。⑤利用滾輪測(cè)量被測(cè)件的周長(zhǎng)，然后算出其直徑，此方法的優(yōu)點(diǎn)在于被測(cè)工件的幾何尺寸不受限制，能以小測(cè)大并可方便地進(jìn)行在線測(cè)量，這也是幾十年來(lái)，始終未被人們放棄的原因所在。滾輪法從理論上講是無(wú)原理誤差的，但由于技術(shù)未臻完善，如沒有解決好滾輪與被測(cè)工件接觸點(diǎn)的滑失問(wèn)題，給測(cè)量帶來(lái)了誤差，限制了其測(cè)量精度的提高。如何解決滾輪與被測(cè)工件接觸點(diǎn)的滑失問(wèn)題，是完善此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。
2　滾輪法測(cè)量原理及提高精度的措施
　　滾輪法測(cè)量大直徑的原理如圖1所示。它是利用滾輪測(cè)量出被測(cè)工件的圓周長(zhǎng)，利用圓周長(zhǎng)和直徑的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)計(jì)算來(lái)求出被測(cè)件的直徑即：D=L/π
           
                圖1　滾輪法測(cè)直徑
　　其中L為被測(cè)件周長(zhǎng)，可以看出被測(cè)件的直徑D其精度取決于被測(cè)件周長(zhǎng)的測(cè)量，因此測(cè)量時(shí)，滾輪應(yīng)以一定的壓力與被測(cè)件接觸，壓緊力保證滾輪相對(duì)被測(cè)件作無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng)。當(dāng)被測(cè)件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它與滾輪的傳動(dòng)關(guān)系為：
                   n π d=N π D
　　　　　　　　　 D=（n/N） d　　   （1）
　　式中：n 為滾輪轉(zhuǎn)數(shù)；N為被測(cè)件轉(zhuǎn)數(shù)；d為滾輪直徑；D為被測(cè)件直徑
　　滾輪法測(cè)量直徑較好地解決了以小測(cè)大的問(wèn)題，且方便于在線檢測(cè)。但前提條件是：被測(cè)件（以下稱工件）與滾輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，它們之間應(yīng)是無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng)，即沒有滑失現(xiàn)象。但是滑失現(xiàn)象一直是滾輪法測(cè)量大直徑讓人們所困擾的事情，也是較難解決的問(wèn)題。為此，我們?cè)谶@種測(cè)量方法上采取了一些措施，以減小滑失的產(chǎn)生。
1.1　解決被測(cè)件軸與滾輪軸在安裝過(guò)程中的不平行問(wèn)題
    被測(cè)工件與滾輪在安裝過(guò)程中兩者的軸應(yīng)互相平行，如圖2（a）所示。
  
                圖2　滾輪軸與被測(cè)件軸不平行對(duì)測(cè)量的影響
    只有這樣測(cè)量的時(shí)候才能保證它們?cè)诿恳粡较蚪孛媸窃谕黄矫鎯?nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果不計(jì)兩輪之間壓力變形，它們之間的接觸是點(diǎn)接觸，如圖1中的A點(diǎn)。因?yàn)槭菍?duì)滾，所以它們的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度相同，且又在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在A點(diǎn)，滾輪與工件的相對(duì)速度為零，它們轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)彼此相等，說(shuō)明沒有滑失現(xiàn)象，可以精確地測(cè)出工件的直徑。
   但是在安裝工件與滾輪的時(shí)候，工件軸與滾輪軸可能并沒有嚴(yán)格平行，滾輪軸相對(duì)工件軸偏離了一定的角度θ，如圖2中的（b）和（c）。因?yàn)楣ぜ霓D(zhuǎn)動(dòng)是由驅(qū)動(dòng)裝置提供，而滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)則依賴于工件的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于兩軸的不平行，工件與滾輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候不是在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成它們的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不相同，從圖2的（b）和（c）中看出：
                   v_滾=v_工cosθ
　　滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度將小于工件的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，滑失由此產(chǎn)生。它們轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)不再相等。測(cè)出的直徑將變小。若設(shè)計(jì)一個(gè)微調(diào)機(jī)構(gòu)，讓滾輪軸在與工件軸平行的位置附近擺動(dòng)，滾輪軸與工件軸之間的角度θ越大，測(cè)出的工件直徑就越小。調(diào)整微調(diào)機(jī)構(gòu)，使θ角逐漸減小，測(cè)出的工件直徑就逐漸變大。當(dāng)θ= 0時(shí)，兩軸平行，測(cè)出的直徑最大，繼續(xù)調(diào)整微調(diào)機(jī)構(gòu)使θ角向反的方向增大，測(cè)出的直徑又隨之減小，如圖3所示。只有當(dāng)測(cè)出的直徑為最大時(shí)，說(shuō)明此時(shí)滾輪軸與工件軸是平行的，即圖中的極大值位置。將滾輪軸安裝在此位置可以避免滑失的產(chǎn)生。
               
      圖3　滾輪軸與工件軸之間的夾角θ對(duì)測(cè)量直徑的影響
1.2　減小滾輪軸的摩擦力
　　當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，滾輪軸與軸承要產(chǎn)生摩擦，此摩擦力直接影響著滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，我們希望這個(gè)摩擦力越小越好，達(dá)到減小滑失的目的。因此選用摩擦極小的空氣軸承是比較理想的，于是我們?cè)O(shè)計(jì)與構(gòu)思了氣浮頂尖的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。頂尖制成空心，可以通氣，上下兩端分別通入高壓氣體。圖中采用孔式節(jié)流方式。當(dāng)壓縮空氣由頂尖中心孔通進(jìn)時(shí)，它會(huì)由間隙溢出。頂尖座和頂尖有一小段是經(jīng)過(guò)研磨而成的，在靜態(tài)下兩壁密合，當(dāng)氣體通入時(shí)，兩頂尖因氣體壓力而產(chǎn)生微量分離，形成錐形間隙，其余部分的頂尖座和頂尖，角度有極小的差異，形成楔形間隙。上下頂尖用同一壓力供氣，滾輪的自重使下頂尖的氣隙小于上頂尖，因此下頂尖溢出的氣體流量小，上頂尖流量大。另一方面高壓氣體是經(jīng)過(guò)孔式節(jié)流器進(jìn)入氣腔的，上下頂尖使用相同結(jié)構(gòu)的節(jié)流器，對(duì)流動(dòng)氣體的阻力相同。節(jié)流器產(chǎn)生的壓力降與氣體流量成正比，所以上端節(jié)流器的壓力降大，下端的壓力降小，即上端氣腔內(nèi)壓力小，而下端氣腔內(nèi)壓力大。上下氣腔內(nèi)存在著壓力差，這個(gè)壓力差與供氣壓力有關(guān)，當(dāng)供氣壓力達(dá)到某一值時(shí)，該壓力差作用在頂尖上的作用力等于滾輪的自重，就能把滾輪浮起。由于氣隙的存在，滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)自身的摩擦極小，因此可以說(shuō)采用氣浮頂尖結(jié)構(gòu)比采用普通軸承在減少滑失方面又前進(jìn)了一步。
               
                 圖4　氣墊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3　數(shù)據(jù)采集
　　數(shù)據(jù)采集由兩部分組成，測(cè)量被測(cè)件轉(zhuǎn)數(shù)N以及滾輪的轉(zhuǎn)數(shù)n。首先談一下如何得到被測(cè)件的轉(zhuǎn)數(shù)N。
　　在被測(cè)件的側(cè)面做一標(biāo)記，當(dāng)此標(biāo)記通過(guò)光電開關(guān)時(shí)，光電開關(guān)將接收到一個(gè)光脈沖，工件每轉(zhuǎn)一周光電開關(guān)都會(huì)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、電路放大、整形后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，工件的轉(zhuǎn)數(shù)N就這樣被記錄下來(lái)。
　　從式（1）中看出，滾輪所轉(zhuǎn)的圈數(shù)n與被測(cè)件直徑有著直接的關(guān)系，因此滾輪轉(zhuǎn)數(shù)n要力求精確測(cè)出，所以采用了莫爾測(cè)量技術(shù)。把一圓光柵安裝在滾輪軸上，滾輪轉(zhuǎn)一周，光柵亦轉(zhuǎn)一周。在圓光柵的前面按裝了照明燈泡、透鏡和指示光柵，在圓光柵的后面則安裝了光電接收裝置，這樣在滾輪與光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候就形成了移動(dòng)的莫爾條紋。
    若光柵的周刻線為10 800條的話，由莫爾條紋的性質(zhì)可知：光柵每轉(zhuǎn)一周就有10 800個(gè)脈沖輸出。當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到工件的第一個(gè)脈沖時(shí)，開始對(duì)移動(dòng)的莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)，工件的第10個(gè)脈沖到時(shí)，說(shuō)明工件已轉(zhuǎn)了10周（取10周為的是提高測(cè)量精度），此時(shí)停止莫爾條紋計(jì)數(shù)。將所計(jì)的莫爾條紋的移動(dòng)數(shù)目從計(jì)算機(jī)中取出，除以10 800即是滾輪所轉(zhuǎn)的圈數(shù)n。若使計(jì)算機(jī)能準(zhǔn)確地將工件的轉(zhuǎn)數(shù)以及光柵所產(chǎn)生的莫爾條紋信號(hào)記錄下來(lái)，光電轉(zhuǎn)換及電路放大是必不可少的，因?yàn)楣怆娊邮昭b置接收到的脈沖信號(hào)較弱且是模擬變化量，而計(jì)算機(jī)所能接受的則是數(shù)字量，因此需將信號(hào)進(jìn)行放大，且將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。信號(hào)放大我們采用了較為常用的反相比例放大電路，此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于電壓負(fù)反饋的作用，輸入、輸出電阻都很小，所以帶負(fù)載的能力較強(qiáng)。另外為了得到數(shù)字量，用555定時(shí)芯片搭接而成施密特觸發(fā)器。此電路的優(yōu)點(diǎn)在于：①輸入信號(hào)從低電平上升時(shí)的轉(zhuǎn)換電平和從高電平下降時(shí)的轉(zhuǎn)換電平不同，以提高電路的抗干擾能力。②在電路進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)電路內(nèi)部的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。利用這兩個(gè)特點(diǎn)不僅可以將邊沿變化緩慢的模擬信號(hào)（正弦信號(hào)）整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形波脈沖信號(hào)的高、低電平有效地清除。
　　用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)可以使電路大為簡(jiǎn)化，因?yàn)?031單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，即T0與T1。在軟件編程中讓T0與T1工作在計(jì)數(shù)方式。T0用來(lái)記錄工件的轉(zhuǎn)數(shù)N，T1則記錄移動(dòng)的莫爾條紋數(shù)目，當(dāng)T0記錄的脈沖數(shù)為10后，馬上停止T1的計(jì)數(shù)，隨即將T1的計(jì)數(shù)取出，用式（1）算出工件的直徑D。另外用8255 A作為單片機(jī)的并行接口將算出的直徑D送到LED進(jìn)行顯示。其中8255 A的A口與C口均作為輸出口，A口用作LED的段控，C口用作位控。
4　程序設(shè)計(jì)
　　有了上述的硬件，完成計(jì)數(shù)與運(yùn)算直到用LED顯示出被測(cè)工件直徑就靠程序來(lái)實(shí)現(xiàn)了。計(jì)數(shù)是對(duì)被測(cè)工件所轉(zhuǎn)的周數(shù)以及由光柵產(chǎn)生的莫爾條紋的移動(dòng)數(shù)目進(jìn)行記錄。由記錄出的莫爾條紋的移動(dòng)數(shù)目就可算出被測(cè)工件的直徑。圖5、圖6分別為主程序流程圖和計(jì)數(shù)程序流程圖。 
                    
                圖5　主程序流程圖
        
                 圖6　計(jì)數(shù)程序流程圖
5　結(jié)論
　　對(duì)傳統(tǒng)的滾輪法在線測(cè)量大直徑，經(jīng)過(guò)采取有效的提高精度措施，其測(cè)量精度和重復(fù)性與不采取這些措施相比較，均能提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以用滾輪法在線測(cè)量大直徑仍是一個(gè)方便、有效的方法。