安圖A2000PLUS儀器主軸系統(tǒng)中端面圓跳動的影響因素研究

王培艷，秦兵兵，仇凌燕，李龍海，趙鵬

（安圖實驗儀器（鄭州)有限公司，鄭州 450016）

0 引言

軸系主要包括軸上零件、軸承和軸，這些是儀器的重要組成部分，對儀器的正常運轉有著重大的影響[1]。根據(jù)在傳動鏈之中的地位不同，軸系可分為主軸軸系和傳動軸系，一般對傳動軸的精度要求不高，而作為執(zhí)行件的主軸對完成機械運動、保證機械功能的實現(xiàn)具有直接影響，因此對主軸有較高的要求。本文所提軸系統(tǒng)為主軸系統(tǒng)，是安圖A2000PLUS發(fā)光儀器的重要模塊溫育盤的主軸系統(tǒng)，該結構也是非標自動化設計中常見的設計形式，用途廣泛。

在體外診斷儀器上的反應杯均勻分布在溫育盤圓周的各個點上，所有其他模塊的排布均以溫育盤為中心進行交互，為了提高溫育盤與各個模型的兼容性，需要控制整個組件運行過程中的盤的端面圓跳動，而溫育盤結構就是典型的主軸系統(tǒng)。在儀器的模塊檢驗過程中發(fā)現(xiàn)多例儀器溫育盤平面度超過標準要求的問題，會造成其他模塊與溫育盤交互時發(fā)生儀器故障，需要針對此問題進行排查、解決。

圖1 軸的端面圓跳動示意圖

平面度誤差是指被測實際表面相對其理想平面的變動量[5]。實際平面的凹凸變化很可能會導致圓跳動的變化，所以端面的圓跳動受端面平面度的影響很大。

同軸度公差是指以理論位置作為基準軸線[6]，實際軸線相對于理論軸線在徑向的不同方向上均存在多個公差值[7-8]，因而其公差帶是一個以基準軸為中心軸線的圓柱體，該圓柱體的直徑為其公差值。

端面圓跳動的影響因素還有垂直度。垂直度表示的是一種位置公差，其公差帶是一個垂直于基準平面的圓柱面內(nèi)區(qū)域，其圓柱面的直徑為其公差值。據(jù)國家標準的解釋，端面圓跳動在一定條件下反映端面對軸線的垂直度誤差[9]，可用垂直度替代端面圓跳動[10-11]。

1 組件整體簡化

先對溫育盤所在主軸系統(tǒng)進行簡化（如圖2），分析該系統(tǒng)中可能影響盤面的端面圓跳動的因素：1）因為接觸位置不同，軸系統(tǒng)偏擺造成的溫育盤圓跳動偏差；2）連接件與溫育盤的配合面和與主軸的理想軸線的垂直度偏差造成的盤端面圓跳動偏差；3）軸與連接件的間隙造成的盤端面圓跳動偏差；4）連接件與溫育盤的間隙造成的盤端面圓跳動偏差；5）連接件的同軸度造成的端面圓跳動偏差；6）連接件與盤的配合面處的連接件的平面度影響；7）盤本身的平面度的影響。

圖2 盤面與軸配合簡化圖

結合使用要求將給定的軸系統(tǒng)旋轉一周，溫育盤面的端面圓跳動符合要求（≤0.3 mm），但實際裝配完成后會出現(xiàn)個別超差的問題。為了解決上述問題，現(xiàn)對相關零部件的上述幾個可能影響因素進行分析。為簡化分析，把軸、連接件和溫育盤做為一個整體，簡化模型后，因軸與連接件的配合間隙（影響因素3））、連接件與溫育盤的配合間隙（影響因素4））和連接件的同軸度（影響因素5））與溫育盤的端面圓跳動方向垂直，對溫育盤的端面圓跳動無影響，因此可忽略因素3）、因素4）、因素5）的影響。因溫育盤較厚，不會因為連接件和溫育盤的配合面的不平而變形產(chǎn)生溫育盤的端面圓跳動誤差，因此因素6）的影響也可忽略。因為主軸固定點和溫育盤不在同一個位置，會產(chǎn)生偏擺，其原理如圖2所示。一方面考慮把上述的因素1）、因素2）作為一個整體作為垂直度的偏擺；另外一方面考慮平面的影響把因素7）作為一個直接影響因素。兩個方面的影響疊加起來即為所有需要考慮的端面圓跳動的影響因素。

2 理論分析計算

溫育盤的支撐在底部，首先考慮偏擺的影響，因為主軸是細長件，盤面的端面較大，越到盤的邊沿，影響就越大。

的表達水平 PBMCs于37℃水浴復蘇后，HBSS洗滌，取(1～2)×106個細胞，加入1 mL Trizol，按照說明書提取總RNA。檢測RNA純度及濃度，取1 μg RNA的液體量，配制反轉錄反應液，37℃ 15 min、85℃ 5 s，逆轉錄cDNA。取cDNA 1 μL，配制qRT-PCR反應液，反應體系為20 μL。反應條件：95℃預變性30 s，95℃擴增5s，60℃延伸30 s；共40個循環(huán)。以GAPDH作為內(nèi)參，記錄Ct值，計算相對RNA含量。

如圖3所示，前兩項偏擺對端面圓跳動的影響進行如下推導：

圖3 理論計算示意圖

在主軸的垂直度為0.02 mm，連接件同軸度為0.02 mm的情況下，計算出盤面的最大偏差為

從結果來看，偏擺對系統(tǒng)的端面圓跳動影響不可忽視，尤其是主軸系統(tǒng)的端面直徑與軸的長度比較大的情況下，需特別注意。

因素7）對端面圓跳動的影響是直接影響，需直接計算在內(nèi)，其影響為Δ2max=0.2 mm。

疊加兩個方面的影響計算端面圓跳動為

從結果來看：1）同軸度、垂直度等造成的主軸系統(tǒng)的偏擺，因為盤端面直徑與軸長比較大而放大其影響，不可忽略，但同軸度、垂直度已經(jīng)是高精度配合，因此后續(xù)重點考慮平面度的影響。2）計算出來的極限情況下端面圓跳動超過標準要求，有不能滿足使用要求的風險，需要提高平面度的公差。

溫育盤的平面度影響最大，因此考慮提高盤的平面度值，將平面度調整至0.1 mm的情況下，計算出盤面的最大偏差為Δ2max′=0.1 mm。重新計算綜合影響結果為

可以滿足端面圓跳動偏差小于0.3 mm的要求。

3 實裝驗證

3.1 測量方法和工具

盤和轉接件的平面度及主軸的同軸度用三坐標測量儀進行主軸同軸度和轉接件垂直度的測量，并使用帶激光位移傳感器的平臺測量盤面的端面圓跳動，跟蹤一定數(shù)量的物料的同軸度情況及其裝配后盤的圓跳動結果。其中測量溫育盤的端面圓跳動裝置如圖4所示。

圖4 測量平臺原理圖

3.2 實測物料數(shù)據(jù)計算

隨機選取6組包含主軸、轉接件和溫育盤的形位公差進行測量。其中主軸的測量是指主軸的同軸度測量，現(xiàn)要求標準為0.02 mm，測量結果如表1所示。

表1 主軸實測結果

轉接件的測量數(shù)據(jù)包括轉接件的軸肩即溫育盤下端面配合的平面和與主軸配合的軸心的垂直度。其中軸肩的垂直度標準為0.02 mm。其測量結果如表2所示。

表2 連接件實測結果

溫育盤的平面度是指上端面的平面度，要求標準為0.2 mm，其測量結果如表3所示。

表3 溫育盤實測結果

從上述測量數(shù)據(jù)來看，主軸的同軸度存在超差問題，需要更改物料主軸同軸度的檢驗方式即由抽檢改為全檢。

對上述3種零件進行組合后把測量數(shù)據(jù)代入理論公式進行計算，得到溫育盤的端面圓跳動值如表4所示。

表4 組合后計算理論端面圓跳動結果

從理論計算結果可以看出：1）當溫育盤平面度小于0.1 mm時，同時主軸的同軸度和轉接件的垂直度都達到標準要求0.02 mm時，即組合方式為3、4、5、6項時，溫育盤端面圓跳動滿足0.3 mm的要求。2）當溫育盤平面度為（0.1，0.2）mm時，即組合形式為1、7～11時，端面圓跳動有部分滿足0.3 mm的要求，個別端面圓跳動不滿足0.3 mm的要求（為第7、9、11項組合形式）。2）當主軸同軸度超過標準0.02 mm，但轉接件的垂直度達到標準0.02mm，溫育盤的平面度達到0.1 mm的標準要求時，即組合方式為2時，溫育盤端面圓跳動不滿足0.3 mm的要求。

上述結果也驗證了理論計算中需要進行調整并把盤的平面度公差標準調整到0.1 mm才能達到盤的端面圓跳動小于0.3 mm的要求。

3.3 實裝驗證

對上述6套主軸、轉接件和溫育盤進行組合裝配，裝配完成后，使用工裝平臺對溫育盤端面圓跳動進行測量，其結果如表5所示。

表5 組合裝配后測量系統(tǒng)端面圓跳動結果

從結果來看：1）當溫育盤的平面度均小于0.1 mm，且影響偏擺的同軸度和垂直度均小于0.02 mm時，所有的組合，即3、4、5、6項組合形式結果都滿足端面圓跳動小于0.3 mm的標準；2）即使主軸同軸度未達0.02 mm標準，實際端面圓跳動也可能小于0.3 mm；3）實際所有裝配結果的端面圓跳動值均小于理論結算結果。

3.4 批量驗證

為了進一步印證分析結果，對批量的150個符盤的平面度均小于0.1 mm的檢驗標準的反應盤和轉接件垂直度小于0.02 mm、主軸同軸度小于0.02 mm的3種物料進行批量裝配，裝配完成后統(tǒng)計裝配結果。裝配結果統(tǒng)計如圖5所示。

圖5 裝配結果批量數(shù)據(jù)

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看：更改檢驗方式為全檢，保證物料合格即主軸的同軸度為0.02 mm、轉接件的垂直度為0.02 mm，并提高溫育盤端面的平面度為0.1 mm后，跟蹤150個裝配結果，結果證明主軸系統(tǒng)的端面圓跳動全部達標，即小于0.3 mm，該應對方案有效。

4 結論

為了改善端面圓跳動的情況，達到圓跳動要求，一方面把主軸的同軸度作為一個檢驗項；另外一方面，提高盤和轉接件的平面度要求，由原來的0.2 mm提高至0.1 mm確認此方案有效。理論計算結果跟實際裝配后的檢驗結果相符合，此方法對后續(xù)的設計具有參考意義，并得出以下結論：

1）在影響主軸端面的圓跳動的因素中，對端面圓跳動有直接影響的是盤的平面度，其次是連接件的垂直度及主軸同軸度偏擺的影響，因為溫育盤直徑與軸長比較大，也不能忽視其影響。

2）此計算方法計算的是最大端面圓跳動值，實際上用平面度和偏擺計算理論端面圓跳動結果與實際測量結果基本一致，但是實際端面圓跳動結果均小于理論圓跳動結果。也就說明端面圓跳動公差大平面度公差一定大；反之，平面度公差大，端面圓跳動公差不一定大。