鋼球表面粗糙度測量儀的改進

張亭亭，宋曉波，胡波，張慧，王宏強

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

鋼球表面粗糙度是指鋼球加工表面上具有較小的間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性，由切削過程中的刀痕、切屑分裂時的塑性變形和振動等原因造成，與其加工方法有直接聯系，通常用Ra，Rz，Ry表示[1]。鋼球表面粗糙度的優劣直接影響著鋼球精度和質量評定，一般用觸針式輪廓儀或激光式表面粗糙度儀、干涉儀測量[1]。老式粗糙度儀在測量過程中存在測量精度差、效率低、易損傷鋼球等問題，現對老式測量儀機械結構進行改進，開發出可對鋼球表面粗糙度進行光電式快速測量的新型測量儀器。

1 測量原理

測量原理如圖1所示，激光散斑理論和試驗表明，光核部分的光能量D2與散斑部分的光能量D1的比值與被測表面粗糙度呈單值對應關系，即

圖1 測量原理圖

Ra=K(D1/D2)，

式中：K為修正系數。被測表面的粗糙度值越小，其中心光核項的光能量占整個衍射圖樣的比重越大，而散斑項占的比重越小。隨著表面粗糙度值的增大，光核項占的比重減小，散斑項占的比重增加。因此在被測表面衍射圖樣的光強區域中，可用光核區域光能量與散斑區域光能量的比值來評定(測量)表面粗糙度[2]。

在對被測鋼球進行檢測時，激光管發射激光，照射到鋼球的最頂端(中心)，經反射后形成的光核和光帶分別由相應的傳感器接收，經電路按給定的函數關系運算后得到相應的表面粗糙度值。

2 技術指標

(1)測量范圍：Ra為0.005 ～ 0.32 μm，Ry為0.01 ～ 0.32 μm。

(2)鋼球尺寸范圍：Φ8～70 mm。

(3)示值誤差：<15%。

(4)示值重復性：>95%。

(5)效率：約150 粒/h。

3 結構改進

如圖2所示，新型鋼球表面粗糙度測量儀主要在機械結構上進行了改進，鋼球調整裝置位于底座正前方，測量心軸安裝在鋼球調整裝置中的升降軸上，被測鋼球放在測量心軸的錐窩里；激光管及調整裝置位于鋼球調整裝置的左側，使激光光源的入射光線可以正好作用于被測鋼球的頂點上；擺動調整裝置位于鋼球調整裝置的后方，擺動接收裝置安裝在擺動調整裝置的傳感器擺動軸上，傳感器擺動軸的中心與鋼球調整裝置的升降軸處于同一個平面上，光電傳感器固定在擺動接收裝置上，可以沿擺桿移動位置，以調節傳感器與被測球之間的位置，進而調節傳感器的接收距離。

1—底座：2—鋼球調整裝置；3—擺動調整裝置；4—測量心軸；5—被測鋼球；6—限位裝置；7—光電傳感器；8—擺動接收裝置；9—激光管及調整裝置；10—外殼

3.1 鋼球調整裝置

鋼球調整裝置主要由升降座、限位螺釘、軸承、升降套、升降軸、大錐齒輪、小錐齒輪、鋼球調整軸、鋼球調整座、鋼球調整手輪構成。軸承固定在升降座里，大錐齒輪、升降套與軸承內圈固定，可繞升降軸轉動，升降軸與升降套之間通過細牙螺紋連接，在升降軸下端開有上下直槽，限位螺釘從槽中穿過，并固定在升降座上。轉動手輪，通過小錐齒輪帶動大錐齒輪和升降套轉動，進而帶動升降軸和鋼球上下精密移動，從而調整鋼球位置。

3.2 擺動調整裝置

擺動調整裝置主要由擺動調整手輪、擺動調整軸、軸承、擺動調整座、調整螺母、連桿、搖桿、傳感器擺動座、傳感器擺動軸構成。調整螺母、連桿、搖桿組成連桿機構，帶動傳感器擺動軸在傳感器擺動座中轉動，擺動調整軸與調整螺母通過T形螺紋連接。轉動手輪可通過連桿機構帶動傳感器接收裝置沿擺動座中心轉動，實現調整傳感器接收角度的目的。

3.3 限位裝置

限位裝置主要由限位座、軸承、限位軸、升降螺母、鎖緊螺母、限位桿及銅片構成。限位軸通過2套軸承固定在限位座里，并消除軸承軸向間隙，限位桿下部裝有升降螺母，轉動升降螺母可上下移動限位桿，實現限位高度的調整，限位桿上部通過反螺紋的鎖緊螺母鎖緊，保證限位桿移動過程中無軸向間隙。銅片鑲嵌在限位桿的前端，并用一根導線連接銅片與底座的限位燈(發光二極管)，當鋼球頂端觸碰銅片后，限位指示燈亮，起到限位控制作用。

3.4 擺動接收裝置

擺動接收裝置主要由擺桿、滑軌、調整轉軸、鎖緊螺釘、彈性摩擦套、標尺構成。采用摩擦套結構，松開鎖緊螺釘后，轉動調整轉輪，可將連接傳感器裝置的滑軌沿傳感器擺桿上下移動，觀察鑲嵌在擺桿上的標尺，根據鋼球尺寸和接收距離對照表上的距離，調整傳感器在擺桿上的位置，然后通過鎖緊螺釘將滑軌固定在擺桿上，從而實現傳感器接收位置的調整。

3.5 激光管及調整裝置

激光管及調整裝置主要由激光管、管套、前后蓋、支架、支座、調整螺母等組成。激光管固定在管套內部，可通過微調螺釘調整激光管在管套內部的位置，進而實現激光光束入射角度的微調。管套與支架固定后插入支座孔中，調整螺母位于支座上端，通過螺紋與支架旋合，轉動調整螺母，支架及激光管可上下移動，通過調整可將激光束通過傳感器轉動中心，達到最佳的測量效果。

與原測量儀相比，新結構具有如下優點：

(1)鋼球調整裝置采用錐齒輪嚙合和細牙螺紋升降，擺動調整裝置采用T形螺紋嚙合和連桿機構傳動調整擺桿擺動角度，移動精度高、成本低、體積小，且移動靈活、噪聲?。?/p>

(2)激光管封閉，激光光源損失較小，增加了光電傳感器有效感光能力，調整結構可以進行激光管的前后、左右和高低調整，調整方便，而且改善了整臺檢測裝置的外觀；

(3)限位裝置不僅可以調整限位桿的高低，而且限位桿轉動靈活、無間隙；

(4)擺動接收裝置移動時通過調整轉軸靈活地調整游標在擺桿上的位置，松開后游標自動固定在擺桿上，并可以通過鎖緊螺釘進行更牢固的固定；

(5)儀器整體外觀采用圓弧形，符合現代儀器工業設計特點。

4 測量數據對比

為了實現準確的測量，必須對測量儀關鍵工作裝置進行適當、精確的調整。調節鋼球調整裝置，將被測鋼球的頂點調整到光電傳感器接收裝置的擺動中心，調整激光管及調整裝置，使激光光源的入射光斑可以正好作用于被測鋼球的頂點上，鋼球頂點、光斑與傳感器的旋轉中心重合。激光入射光束照射在鋼球頂點后，反射光束分成光核和散斑，分別進入不同的光電元件，通過光電元件接收能量比實現測量。

鋼球表面粗糙度測量儀測量的關鍵是將激光管的入射光斑、鋼球最頂端以及傳感器調整裝置的回轉中心調整到一點上(三點同一線)，同時反射光斑剛好落在光核傳感器的正中心，并使整個光路受到良好的暗室保護，即可將誤差縮到最小，達到最佳測量狀態。

表1為在不同環境光線情況下，新、老結構測量儀的測量數據對比。表中測量值為10次測量數據的平均值，重復性為10次測量的3σ值。從表中可以看出，新結構測量儀在測量誤差和重復性方面有明顯改進，且封閉性好，環境光線對測值的影響較小。

表1 鋼球表面粗糙度值測量對比

5 結束語

該新型鋼球表面粗糙度測量儀在調整機構設計與制造合理的情況下，能保證好的測量精度，并且具有較快的測量速度和不損傷被測鋼球等突出的特征。改進后的測量儀器已經申請發明和外觀等專利。隨著制造工藝與測控技術的進步和發展，根據不同用戶的需求，可為企業選用配套鋼球提供一種新的檢測和分析手段，具有相當的市場。