船用螺旋槳螺距測(cè)量機(jī)的改造

李勇波，何 佳，楊 揚(yáng)，徐云朝，張運(yùn)邦

LI Yong-bo,HE Jia,YANG Yang,XU Yun-zhao,ZHANG Yun-bang

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

螺距是螺旋槳的一個(gè)重要參數(shù)，數(shù)顯式螺旋槳螺距測(cè)量機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)螺距機(jī)）作為測(cè)量螺距的主要工具，被大量用于螺旋槳鑄模、毛胚加工和成品檢測(cè)等工序中[1]。

應(yīng)用于某螺旋槳廠(chǎng)的螺距機(jī)，由于使用時(shí)間較長(zhǎng)，出現(xiàn)X軸顯示不穩(wěn)定、Y軸測(cè)桿垂直度偏差大和C軸重復(fù)定位精度差等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，在分析螺距機(jī)的測(cè)量方法和結(jié)構(gòu)之后，采用了更換磁柵尺和直線(xiàn)導(dǎo)軌、安裝偏心軸承、用較低成本的編碼器配合精密同步帶傳動(dòng)裝置代替原來(lái)的高精密光柵編碼器等方法，成功地完成了對(duì)螺距機(jī)的改造工作，恢復(fù)了測(cè)量穩(wěn)定性，提高了定位精度。

1 螺距機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 螺距的測(cè)量方法

如圖1（a）所示，在槳葉表面選取到軸線(xiàn)距離相同的兩點(diǎn)A、B作為測(cè)量點(diǎn)，該距離記為r，由X軸磁柵尺測(cè)得；O’A’與O’B的夾角記為θ，由C軸角度編碼器測(cè)得；A、B兩點(diǎn)在軸向的高度差記為Δh，由Y軸磁柵尺測(cè)得。則半徑r處的螺距P與θ、Δh的函數(shù)關(guān)系為：

在實(shí)際生產(chǎn)中，依據(jù)測(cè)量點(diǎn)間的r、θ、Δh和P的函數(shù)關(guān)系來(lái)鑄造、加工和檢測(cè)螺旋槳。圖1(b)是一組樣本點(diǎn)的選取示例，在垂直于螺旋槳軸線(xiàn)的同一平面內(nèi)，每隔5°畫(huà)一條輻射線(xiàn)，作半徑分別為0.35R、0.4R、0.5R、0.6R、0.7R、0.8R、0.9R、R的同心圓，輻射線(xiàn)與圓的交點(diǎn)在槳葉表面的投影即為螺距測(cè)量的樣本點(diǎn)[2,3]。

圖1 螺距測(cè)量示意圖

1.2 螺距機(jī)的組成

螺距機(jī)由機(jī)架體、滑車(chē)體、測(cè)桿、平衡配重體、基座、電控系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。其中，電控系統(tǒng)包括單片機(jī)控制電路、信號(hào)處理電路、傳感器、繼電器、顯示屏、按鍵、抱閘裝置等，其功能是控制坐標(biāo)值的檢測(cè)和顯示、分辨率的調(diào)整、機(jī)架體的抱緊與松開(kāi)[3]。

圖2 螺距機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 螺距機(jī)的改造

2.1 X軸的改造

2.1.1 直線(xiàn)導(dǎo)軌和滑塊的更換

螺距機(jī)的X軸滑車(chē)體通過(guò)四個(gè)滑塊在機(jī)架體旋轉(zhuǎn)臂的兩個(gè)平行直線(xiàn)導(dǎo)軌上移動(dòng)，滑塊的滑槽和直線(xiàn)導(dǎo)軌磨損嚴(yán)重，且兩邊導(dǎo)軌磨損程度不同，水平高度已不一致，造成滑車(chē)體不能順暢地移動(dòng)。因此，對(duì)滑塊和導(dǎo)軌進(jìn)行成套更換，選用上銀公司的HGH20C型號(hào)直線(xiàn)導(dǎo)軌和滑塊，并且在安裝前將旋轉(zhuǎn)臂上表面打磨至兩邊等高，再安裝直線(xiàn)導(dǎo)軌，這樣保證了兩條導(dǎo)軌各處高度相同，使滑車(chē)體能在導(dǎo)軌上直線(xiàn)移動(dòng)。

2.1.2 磁柵尺和磁頭的選型

螺距機(jī)的X、Y軸測(cè)量由磁柵位移傳感器完成。磁柵的工作原理是磁電轉(zhuǎn)換，空氣的磁阻很大，為保證磁頭有穩(wěn)定的輸出信號(hào)幅度，磁柵尺與磁頭之間不允許存在較大和可變的間隙[4]。X軸的磁柵尺貼在旋轉(zhuǎn)臂內(nèi)側(cè)，磁頭安裝在滑車(chē)體上，由于使用年限已久，測(cè)得的數(shù)值不穩(wěn)定。

鑒于原型號(hào)的磁柵尺和配套磁頭已經(jīng)停產(chǎn)，且連接磁頭的信號(hào)變送器輸出的信號(hào)為易受干擾的單端信號(hào)，將位移測(cè)量傳感器更換為Magnescale公司的SL130磁柵尺和PL20C磁頭，該傳感器的輸出信號(hào)為更加穩(wěn)定的差分信號(hào)，分辨率為0.01mm。

2.1.3 X軸刻度尺的制作

為方便與傳感器的測(cè)量值形成對(duì)比，以檢驗(yàn)測(cè)量電路是否正常工作，在三個(gè)軸上安裝刻度尺。由于X軸橫臂沿X軸正方向越來(lái)越細(xì)，刻度尺又只能安裝在橫臂側(cè)面，與直線(xiàn)導(dǎo)軌存在一個(gè)不為零的夾角θ，所以標(biāo)注的最小刻度對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度Δl’與實(shí)際長(zhǎng)度Δl之間的關(guān)系為：

2.2 Y軸的改造

2.2.1 偏心軸承的安裝

要實(shí)現(xiàn)Y軸坐標(biāo)的準(zhǔn)確測(cè)量，不僅要求滑車(chē)體處于垂直位置，測(cè)桿上下移動(dòng)的軌跡也要與直線(xiàn)導(dǎo)軌所在平面垂直，而原機(jī)測(cè)桿的垂直度偏差已超過(guò)誤差允許范圍。為此，采用8個(gè)IKO CF8UU偏心軸承對(duì)測(cè)桿的垂直度進(jìn)行微調(diào)，安裝在測(cè)桿滑槽的上半部四壁和下半部四壁，分別調(diào)整上、下半部分測(cè)桿四個(gè)方向的偏心量。軸承安裝完成后將滑槽水平放置，用水平尺檢驗(yàn)測(cè)桿水平度，對(duì)各偏心軸承的位置作出相應(yīng)調(diào)整使測(cè)桿水平，將滑槽翻轉(zhuǎn)90°，重復(fù)上述步驟直至測(cè)桿四個(gè)方向的水平度都達(dá)到要求，裝回螺距機(jī)后檢查其垂直度[5]。

2.2.2 恒力彈簧的采用

在螺距測(cè)量過(guò)程中，要求螺距機(jī)的測(cè)尖與槳葉接觸時(shí)的沖量足夠小，以免造成測(cè)尖和槳葉受損，這就要求測(cè)桿在豎直方向上的移動(dòng)速度具有較好的平滑度，而滑槽與測(cè)桿的摩擦力不足以平衡測(cè)桿重力。原來(lái)的渦卷彈簧彈力會(huì)隨測(cè)桿的上、下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的拉力變化，無(wú)法保證測(cè)桿運(yùn)動(dòng)速度的平滑度，將其更換為恒力渦卷彈簧，這種彈簧密繞圈各處的原始曲率基本相同，變形所產(chǎn)生的恢復(fù)力，即對(duì)測(cè)桿的豎直拉力大小基本不變，很好地改善了測(cè)桿上下移動(dòng)速度的平滑度[6]。

2.3 C軸的改造

2.3.1 同步帶傳動(dòng)裝置的引入

原螺距機(jī)的C軸存在回轉(zhuǎn)重復(fù)定位性差的問(wèn)題，所用角度編碼器為日本MUTOH公司NH-10800型號(hào)的產(chǎn)品，該編碼器的精度為10800P/R，中間空心，直接固定在螺距機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸上，打開(kāi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)編碼器內(nèi)部玻璃介質(zhì)有裂隙。鑒于該型號(hào)的角度編碼器為高精密進(jìn)口產(chǎn)品，訂貨周期長(zhǎng)，無(wú)法在改造合同要求的工期內(nèi)到貨，且售價(jià)較高，采用低成本NEMICON公司的OVW2-25-2MD型號(hào)編碼器更換。該編碼器精度為3600P/R，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)比為4:1的同步帶傳動(dòng)裝置變速后，測(cè)量精度達(dá)到14400P/R。

同步帶傳動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，大同步輪固定在螺距機(jī)基座的中心軸上，小同步輪安裝在支撐架內(nèi)，通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)接角度編碼器的轉(zhuǎn)軸，基座與機(jī)架體平面通過(guò)螺絲固定，旋轉(zhuǎn)機(jī)架體時(shí)螺距機(jī)的中心軸相對(duì)于機(jī)架體轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)同步帶將角度增量4倍放大后傳遞給角度編碼器[7]。起初選用的同步帶為HTD型圓弧齒帶，測(cè)量誤差尤其是反向測(cè)量誤差仍較大，后經(jīng)研究改用帶有雙圓弧齒的RPP型同步帶，其傳動(dòng)精度比HTD型同步帶高[8]，滿(mǎn)足了用戶(hù)要求。

圖3 同步帶傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 環(huán)形刻度尺和移動(dòng)指針的制作

C軸測(cè)量尺安裝在基座圓柱面上，其刻度的標(biāo)定與基座底盤(pán)半徑r有關(guān)，基座底盤(pán)圓周長(zhǎng)為2πr，考慮到測(cè)量尺本身具有一定厚度，將尺厚d計(jì)入半徑，最小刻度為30’，其對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為：

螺旋槳生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，角度測(cè)量的起始位置不確定，故將指針做成與機(jī)架體相對(duì)位置可改變的移動(dòng)指針。

2.4 系統(tǒng)性能的提升

2.4.1 加入一鍵置數(shù)功能

圖4 信號(hào)轉(zhuǎn)換與同步輸出電路

由于滑車(chē)體無(wú)法滑到基座的軸線(xiàn)位置，原螺距機(jī)在X軸坐標(biāo)值的顯示上沒(méi)有計(jì)入其初始位置到軸線(xiàn)的距離，螺距測(cè)量者通過(guò)顯示屏只能獲知滑車(chē)體當(dāng)前位置相對(duì)于初始位置的坐標(biāo)。針對(duì)此問(wèn)題，在改造后的系統(tǒng)中增加一鍵置數(shù)的功能，將滑車(chē)體移動(dòng)到初始位置后，按下一鍵置數(shù)功能按鍵，X軸顯示值即被設(shè)定為初始坐標(biāo)值。

2.4.2 增設(shè)輔助顯示模塊

顯示三個(gè)軸坐標(biāo)值的數(shù)顯表安裝在電氣控制箱上，距離機(jī)架體頂端較遠(yuǎn)，不便于大半徑螺旋槳螺距測(cè)量時(shí)坐標(biāo)值的讀取和按鍵的操作，需要在滑車(chē)體上增加副顯示屏和操作面板，這就要求將各傳感器的輸出信號(hào)同時(shí)送到兩個(gè)顯示設(shè)備進(jìn)行同步顯示。

考慮到測(cè)量電路的穩(wěn)定性與信號(hào)傳輸過(guò)程中干擾的最小化，采用圖4所示脈沖轉(zhuǎn)換與同步輸出電路，角度編碼器和新磁頭的輸出信號(hào)均為差分信號(hào)，各路差分信號(hào)經(jīng)過(guò)200Ω電阻輸入到信號(hào)光耦HCPL-M456，輸出的單端信號(hào)經(jīng)三極管放大后送到差動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)器MC3487的兩個(gè)輸入端，在輸出端得到兩路相同的差分信號(hào)。整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了一個(gè)傳感器測(cè)量信號(hào)的兩路同步轉(zhuǎn)換，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)完全隔離，具有較高的共模抑制比，增強(qiáng)了電路的抗干擾能力[9]。

2.4.3 增加電源濾波器

工業(yè)電源產(chǎn)生的強(qiáng)烈噪聲能夠干擾含有微處理器的數(shù)字設(shè)備，使其產(chǎn)生誤動(dòng)作，采用帶有共模扼流圈的傳輸濾波器對(duì)電源進(jìn)行濾波。安裝時(shí)讓濾波器的金屬外殼與電氣控制箱鐵皮緊密接觸，使電源在高頻的工作效果更好[10]。

3 結(jié)束語(yǔ)

改造后的螺距機(jī)X、Y軸坐標(biāo)顯示精度達(dá)到0.01mm，C軸重復(fù)定位準(zhǔn)確，分辨率達(dá)到22.5''。從用戶(hù)使用后的反饋來(lái)看，改造后的系統(tǒng)性能穩(wěn)定，使用方便。

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