1　引言
　　大型機械設(shè)備，如水輪機、汽輪機、大型發(fā)電機組、大型軸承圈等，常需對其大直徑進行高精度測量，以滿足加工過程中對直徑尺寸的控制。
　　大直徑測量必須解決以小測大、在線測量等一系列特殊問題。目前所采用的方法有：①用π尺進行測量，方法雖簡單，但測量誤差較大，精度很難提高。②采用大型卡尺進行測量，卡尺若隨被測直徑的增大而增大將會出現(xiàn)很多難以克服的困難。③電子卡尺測量精度雖然較高，但是測量范圍仍然有限。④座標(biāo)機是一種較先進的測量方法，可是大型座標(biāo)機價格十分昂貴，且不便在線測量。⑤利用滾輪測量被測件的周長，然后算出其直徑，此方法的優(yōu)點在于被測工件的幾何尺寸不受限制，能以小測大并可方便地進行在線測量，這也是幾十年來，始終未被人們放棄的原因所在。滾輪法從理論上講是無原理誤差的，但由于技術(shù)未臻完善，如沒有解決好滾輪與被測工件接觸點的滑失問題，給測量帶來了誤差，限制了其測量精度的提高。如何解決滾輪與被測工件接觸點的滑失問題，是完善此項技術(shù)的關(guān)鍵。
2　滾輪法測量原理及提高精度的措施
　　滾輪法測量大直徑的原理如圖1所示。它是利用滾輪測量出被測工件的圓周長，利用圓周長和直徑的函數(shù)關(guān)系，通過計算來求出被測件的直徑即：D=L/π
           
                圖1　滾輪法測直徑
　　其中L為被測件周長，可以看出被測件的直徑D其精度取決于被測件周長的測量，因此測量時，滾輪應(yīng)以一定的壓力與被測件接觸，壓緊力保證滾輪相對被測件作無滑動的純滾動。當(dāng)被測件轉(zhuǎn)動時，它與滾輪的傳動關(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為被測件轉(zhuǎn)數(shù)；d為滾輪直徑；D為被測件直徑
　　滾輪法測量直徑較好地解決了以小測大的問題，且方便于在線檢測。但前提條件是：被測件（以下稱工件）與滾輪在轉(zhuǎn)動的時候，它們之間應(yīng)是無滑動的純滾動，即沒有滑失現(xiàn)象。但是滑失現(xiàn)象一直是滾輪法測量大直徑讓人們所困擾的事情，也是較難解決的問題。為此，我們在這種測量方法上采取了一些措施，以減小滑失的產(chǎn)生。
1.1　解決被測件軸與滾輪軸在安裝過程中的不平行問題
    被測工件與滾輪在安裝過程中兩者的軸應(yīng)互相平行，如圖2（a）所示。
  
                圖2　滾輪軸與被測件軸不平行對測量的影響
    只有這樣測量的時候才能保證它們在每一徑向截面是在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。如果不計兩輪之間壓力變形，它們之間的接觸是點接觸，如圖1中的A點。因為是對滾，所以它們的轉(zhuǎn)動線速度相同，且又在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，因此在A點，滾輪與工件的相對速度為零，它們轉(zhuǎn)過的弧長彼此相等，說明沒有滑失現(xiàn)象，可以精確地測出工件的直徑。
   但是在安裝工件與滾輪的時候，工件軸與滾輪軸可能并沒有嚴(yán)格平行，滾輪軸相對工件軸偏離了一定的角度θ，如圖2中的（b）和（c）。因為工件的轉(zhuǎn)動是由驅(qū)動裝置提供，而滾輪的轉(zhuǎn)動則依賴于工件的轉(zhuǎn)動，由于兩軸的不平行，工件與滾輪在轉(zhuǎn)動的時候不是在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，造成它們的轉(zhuǎn)動速度不相同，從圖2的（b）和（c）中看出：
                   v_滾=v_工cosθ
　　滾輪的轉(zhuǎn)動速度將小于工件的轉(zhuǎn)動速度，滑失由此產(chǎn)生。它們轉(zhuǎn)過的弧長不再相等。測出的直徑將變小。若設(shè)計一個微調(diào)機構(gòu)，讓滾輪軸在與工件軸平行的位置附近擺動，滾輪軸與工件軸之間的角度θ越大，測出的工件直徑就越小。調(diào)整微調(diào)機構(gòu)，使θ角逐漸減小，測出的工件直徑就逐漸變大。當(dāng)θ= 0時，兩軸平行，測出的直徑最大，繼續(xù)調(diào)整微調(diào)機構(gòu)使θ角向反的方向增大，測出的直徑又隨之減小，如圖3所示。只有當(dāng)測出的直徑為最大時，說明此時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對測量直徑的影響
1.2　減小滾輪軸的摩擦力
　　當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)動的時候，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)動情況，我們希望這個摩擦力越小越好，達到減小滑失的目的。因此選用摩擦極小的空氣軸承是比較理想的，于是我們設(shè)計與構(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時，它會由間隙溢出。頂尖座和頂尖有一小段是經(jīng)過研磨而成的，在靜態(tài)下兩壁密合，當(dāng)氣體通入時，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)過孔式節(jié)流器進入氣腔的，上下頂尖使用相同結(jié)構(gòu)的節(jié)流器，對流動氣體的阻力相同。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，這個壓力差與供氣壓力有關(guān)，當(dāng)供氣壓力達到某一值時，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)動起來自身的摩擦極小，因此可以說采用氣浮頂尖結(jié)構(gòu)比采用普通軸承在減少滑失方面又前進了一步。
               
                 圖4　氣墊結(jié)構(gòu)簡圖
3　數(shù)據(jù)采集
　　數(shù)據(jù)采集由兩部分組成，測量被測件轉(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件的轉(zhuǎn)數(shù)N。
　　在被測件的側(cè)面做一標(biāo)記，當(dāng)此標(biāo)記通過光電開關(guān)時，光電開關(guān)將接收到一個光脈沖，工件每轉(zhuǎn)一周光電開關(guān)都會接收到一個脈沖信號，此信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、電路放大、整形后送入計算機進行計數(shù)，工件的轉(zhuǎn)數(shù)N就這樣被記錄下來。
　　從式（1）中看出，滾輪所轉(zhuǎn)的圈數(shù)n與被測件直徑有著直接的關(guān)系，因此滾輪轉(zhuǎn)數(shù)n要力求精確測出，所以采用了莫爾測量技術(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)動的時候就形成了移動的莫爾條紋。
    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個脈沖輸出。當(dāng)計算機接收到工件的第一個脈沖時，開始對移動的莫爾條紋進行計數(shù)，工件的第10個脈沖到時，說明工件已轉(zhuǎn)了10周（取10周為的是提高測量精度），此時停止莫爾條紋計數(shù)。將所計的莫爾條紋的移動數(shù)目從計算機中取出，除以10 800即是滾輪所轉(zhuǎn)的圈數(shù)n。若使計算機能準(zhǔn)確地將工件的轉(zhuǎn)數(shù)以及光柵所產(chǎn)生的莫爾條紋信號記錄下來，光電轉(zhuǎn)換及電路放大是必不可少的，因為光電接收裝置接收到的脈沖信號較弱且是模擬變化量，而計算機所能接受的則是數(shù)字量，因此需將信號進行放大，且將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。信號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)簡單，由于電壓負反饋的作用，輸入、輸出電阻都很小，所以帶負載的能力較強。另外為了得到數(shù)字量，用555定時芯片搭接而成施密特觸發(fā)器。此電路的優(yōu)點在于：①輸入信號從低電平上升時的轉(zhuǎn)換電平和從高電平下降時的轉(zhuǎn)換電平不同，以提高電路的抗干擾能力。②在電路進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。利用這兩個特點不僅可以將邊沿變化緩慢的模擬信號（正弦信號）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的高、低電平有效地清除。
　　用單片機進行計數(shù)可以使電路大為簡化，因為8031單片機內(nèi)部有兩個定時/計數(shù)器，即T0與T1。在軟件編程中讓T0與T1工作在計數(shù)方式。T0用來記錄工件的轉(zhuǎn)數(shù)N，T1則記錄移動的莫爾條紋數(shù)目，當(dāng)T0記錄的脈沖數(shù)為10后，馬上停止T1的計數(shù)，隨即將T1的計數(shù)取出，用式（1）算出工件的直徑D。另外用8255 A作為單片機的并行接口將算出的直徑D送到LED進行顯示。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
　　有了上述的硬件，完成計數(shù)與運算直到用LED顯示出被測工件直徑就靠程序來實現(xiàn)了。計數(shù)是對被測工件所轉(zhuǎn)的周數(shù)以及由光柵產(chǎn)生的莫爾條紋的移動數(shù)目進行記錄。由記錄出的莫爾條紋的移動數(shù)目就可算出被測工件的直徑。圖5、圖6分別為主程序流程圖和計數(shù)程序流程圖。 
                    
                圖5　主程序流程圖
        
                 圖6　計數(shù)程序流程圖
5　結(jié)論
　　對傳統(tǒng)的滾輪法在線測量大直徑，經(jīng)過采取有效的提高精度措施，其測量精度和重復(fù)性與不采取這些措施相比較，均能提高一個數(shù)量級。所以用滾輪法在線測量大直徑仍是一個方便、有效的方法。