球面滾子非接觸測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

王曉強(qiáng)，崔鳳奎，張毛煥

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

高質(zhì)量的軸承制造離不開(kāi)高精度的檢測(cè)，對(duì)滾子的精確測(cè)量是保證軸承質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，對(duì)軸承性能要求越來(lái)越高，工作環(huán)境更加嚴(yán)酷，對(duì)于一些應(yīng)用在航空、航天等場(chǎng)合的特種軸承滾子，其精度、性能要求都較高，采用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法無(wú)法滿(mǎn)足檢測(cè)的需要。國(guó)外設(shè)備昂貴，技術(shù)保密，不適合引進(jìn)。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)滾子的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備主要分為3大類(lèi)：(1)檢測(cè)樣板[1]。此類(lèi)檢測(cè)為比對(duì)測(cè)量，依賴(lài)操作者的經(jīng)驗(yàn)和操作技巧，人為誤差比較大；(2)接觸式輪廓測(cè)量?jī)x。測(cè)量過(guò)程繁瑣、效率低，誤差較大，不適合批量測(cè)量[2]；(3)專(zhuān)用測(cè)量?jī)x器。此類(lèi)儀器都是針對(duì)零件的某一參數(shù)(如曲率半徑、曲面凸度、圓心位置等)進(jìn)行檢測(cè)[3-8]，全參數(shù)測(cè)量?jī)x器較少，且均為接觸式測(cè)量。

1 滾子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

球面滾子的結(jié)構(gòu)如圖1所示。滾子軸向?yàn)閹в型苟鹊难男危淇v切面兩側(cè)的截線(xiàn)為圓弧，頂端面為一具有較大直徑的切頂球面，且球冠高度僅為幾十微米到上百微米，下端面為一平面，與滾子軸線(xiàn)無(wú)垂直度要求。

圖1 球面滾子的結(jié)構(gòu)

根據(jù)滾子的結(jié)構(gòu)及尺寸控制條件，要求檢測(cè)最大軸徑L、軸截面圓弧半徑R、球形端面球半徑SR及最大軸徑到球形端面球頂點(diǎn)(空間虛點(diǎn))的距離H。此類(lèi)滾子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)測(cè)量?jī)x器的定位及檢測(cè)都提出了很高的要求。

2 測(cè)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

測(cè)量?jī)x如圖2所示，主要由大理石基臺(tái)、角度可調(diào)式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、精密電動(dòng)平移臺(tái)、光柵尺、光學(xué)測(cè)頭組件及立柱支架組成。

1—大理石基臺(tái)；2—角度可調(diào)式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；3—光學(xué)測(cè)頭組件；4—光柵尺；5—精密電動(dòng)平移臺(tái)；6—立柱支架

基本工作原理為：以滾子小端面進(jìn)行初定位，通過(guò)安裝于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上呈正交組合的X，Y向角位移調(diào)整臺(tái)實(shí)現(xiàn)滾子的擺正(保證滾子軸線(xiàn)與測(cè)頭光幕相垂直)；通過(guò)精密電動(dòng)平移臺(tái)帶動(dòng)光學(xué)測(cè)頭組件上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾子的平掃測(cè)量，得到各掃描截面的徑向尺寸，軸向位移由安裝于立柱上的光柵尺獲取；通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到滾子的最大軸徑；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理和圓弧擬合，計(jì)算出軸截面圓弧半徑及球形端面球半徑；根據(jù)球形端面球頂點(diǎn)的球心Z向坐標(biāo)及最大軸徑坐標(biāo)值，得到最大軸徑到球形端面虛擬球頂點(diǎn)的距離。

2.1 光學(xué)測(cè)頭組件

光學(xué)測(cè)頭組件采用日本Keyence公司的LS-7000系列綠色LED數(shù)字測(cè)微計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

高亮度GaN綠色LED光源經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)透鏡形成單一的平行光線(xiàn)對(duì)滾子進(jìn)行照射，再經(jīng)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)分別在HL-CCD及CMOS顯示照相機(jī)上成像。CCD上明亮和黑暗區(qū)域之間的邊緣檢出，得到光幕掃描截面徑向測(cè)量值；經(jīng)數(shù)值二分，并與測(cè)頭Z向位置相結(jié)合，獲得零件軸向截面輪廓相對(duì)位置坐標(biāo)。

圖3 LS-7000系列光學(xué)測(cè)頭測(cè)量原理圖

LS-7000系列特有的綠色LED和遠(yuǎn)心鏡頭HL-CCD光學(xué)系統(tǒng)，能達(dá)到常規(guī)測(cè)微計(jì)的雙倍速度和精度，系統(tǒng)采樣速度達(dá)到每秒2 400點(diǎn)，測(cè)量精度達(dá)到±2 μm及±0.15 μm的重復(fù)性。

2.2 X-Y雙向角度可調(diào)式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)

工作臺(tái)的調(diào)整裝置廣泛應(yīng)用于各種計(jì)量檢測(cè)儀器中，是實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x器高精度檢測(cè)的保證，同時(shí)調(diào)整方法的可靠性和方便性也是影響測(cè)量?jī)x器操作性的關(guān)鍵因素。現(xiàn)有工作臺(tái)的調(diào)整裝置大多通過(guò)楔形塊或蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，借助于水平儀或者標(biāo)準(zhǔn)件加儀器本身的讀數(shù)結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)的水平調(diào)整，且絕大多數(shù)僅能實(shí)現(xiàn)在一維方向上的水平調(diào)整。

之所以緊迫，主要是全球教育飛速發(fā)展，教育現(xiàn)代化也穩(wěn)步推進(jìn)，全國(guó)教育大會(huì)提出德智體美勞全面發(fā)展的人才培養(yǎng)目標(biāo)也十分明確，作為同時(shí)具有健身功能與教育價(jià)值的體育學(xué)科的完善體育課程體系建設(shè)就顯得更為緊迫。尤其是國(guó)外許多國(guó)家以人為本的體育課程體系建設(shè)經(jīng)驗(yàn)日益豐富，我國(guó)一體化體育課程體系建設(shè)的步伐就更要加快。

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合成熟的角位移工作臺(tái)技術(shù)，提出了一種X-Y雙向角度可調(diào)式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。工作臺(tái)由回轉(zhuǎn)臺(tái)、2個(gè)耦合角位移臺(tái)及墊鐵組成。回轉(zhuǎn)臺(tái)繞軸線(xiàn)回轉(zhuǎn)，按90°分度；2個(gè)耦合角位移臺(tái)(偏擺中心重合)呈正交方式安裝于回轉(zhuǎn)臺(tái)上；墊鐵作為被測(cè)零件支撐臺(tái)，其高度由耦合角位移臺(tái)偏擺中心高度及被測(cè)零件高度范圍確定。

1—被測(cè)零件；2—墊鐵；3—耦合角位移臺(tái)；4—回轉(zhuǎn)臺(tái)

進(jìn)行軸線(xiàn)擺正(工件軸線(xiàn)與測(cè)頭光幕相垂直)時(shí)，首先將測(cè)頭移動(dòng)到耦合角位移臺(tái)的偏擺中心高度，調(diào)整角位移臺(tái)，通過(guò)測(cè)頭控制器顯示數(shù)值找到最小讀數(shù)狀態(tài)，即為一個(gè)方向上的擺正；通過(guò)下層回轉(zhuǎn)臺(tái)使工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°，重復(fù)上述調(diào)整過(guò)程，實(shí)現(xiàn)另一正交方向上的擺正。對(duì)于采用非接觸式光幕測(cè)量?jī)x器且回轉(zhuǎn)類(lèi)被測(cè)零件端平面與回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)沒(méi)有垂直度要求時(shí)，此種調(diào)整方式具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，它無(wú)需借助其他高精度檢驗(yàn)裝置即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)零件的擺正，調(diào)整方便且速度快。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制及數(shù)據(jù)采集

測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量的基礎(chǔ)。根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的基本工作原理，構(gòu)建硬件控制系統(tǒng)，其原理如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的硬件控制原理

在本系統(tǒng)中選用固高公司的GT系列運(yùn)動(dòng)控制器，該控制器采用2軸步進(jìn)或伺服電動(dòng)機(jī)控制，具有最高頻率為8 MHz的4倍頻增量式輔助編碼器，滿(mǎn)足精密電動(dòng)平移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制以及Z軸的光柵讀數(shù)。控制卡為PCI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，采用轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)與外部硬件的信號(hào)連接，便于整個(gè)控制系統(tǒng)的構(gòu)建。

測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通過(guò)LS-7001型光學(xué)測(cè)頭控制器獲取，在控制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理，并通過(guò)RS232C串口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信。該控制器具有多種類(lèi)型的計(jì)算功能、數(shù)據(jù)處理功能及校正功能，并配備直觀的數(shù)顯屏幕，可以方便地實(shí)現(xiàn)被測(cè)零件的擺正。對(duì)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的軟件實(shí)現(xiàn)，則采用多線(xiàn)程和系統(tǒng)定時(shí)器相結(jié)合的編程方式，測(cè)量過(guò)程中不進(jìn)行任何的數(shù)據(jù)處理及圖形顯示，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。

3 系統(tǒng)標(biāo)定

任何測(cè)量系統(tǒng)都需要精確的標(biāo)定，系統(tǒng)標(biāo)定精度直接影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。本系統(tǒng)采用高精度LED光源和遠(yuǎn)心鏡頭HL-CCD，從硬件上保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的線(xiàn)性度，故設(shè)備采用單點(diǎn)校準(zhǔn)標(biāo)定技術(shù)，其標(biāo)定原理如圖6所示。

圖6 單點(diǎn)校準(zhǔn)標(biāo)定原理示意圖

以已知標(biāo)準(zhǔn)值的圓柱T1作為單一測(cè)量點(diǎn)，基于校準(zhǔn)前的顯示值T1A(測(cè)量值)和校準(zhǔn)后的顯示值T1B(真值)對(duì)測(cè)頭進(jìn)行標(biāo)定，得到系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)為

(1)

則對(duì)于任一測(cè)量值x，其真實(shí)數(shù)據(jù)為

x′=βx。

(2)

光學(xué)測(cè)頭所采用的平行光幕盡管厚度很小(約30 μm)，但對(duì)于零件端面(特別是球端面)的數(shù)據(jù)采集仍有較大影響。測(cè)量過(guò)程中采用分序列數(shù)據(jù)處理標(biāo)定技術(shù)，對(duì)不同的測(cè)量區(qū)域設(shè)置不同的邊緣檢測(cè)閾值，不同閾值檢測(cè)狀態(tài)下進(jìn)行獨(dú)立的單點(diǎn)校準(zhǔn)標(biāo)定，有效減小了光幕厚度尺寸對(duì)精確數(shù)據(jù)采集的影響。

4 軟件系統(tǒng)組成及工作流程

測(cè)量軟件系統(tǒng)主要由系統(tǒng)設(shè)置、測(cè)量數(shù)據(jù)的處理及文件操作等幾部分組成，各個(gè)功能模塊如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功能組成模塊

系統(tǒng)設(shè)置功能包括計(jì)算機(jī)與測(cè)頭控制器串口通信參數(shù)、平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)及被測(cè)零件設(shè)計(jì)參數(shù)等；數(shù)據(jù)處理模塊功能實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)擬合及圖形輸出等；文件操作模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取、保存以及處理結(jié)果的打印輸出等功能。軟件系統(tǒng)的工作流程如圖8所示。

圖8 軟件系統(tǒng)工作流程

5 系統(tǒng)精度分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的綜合測(cè)量精度，隨機(jī)選取一組(6個(gè))鋼球作為被測(cè)對(duì)象，采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)測(cè)量球直徑作為比對(duì)值，以檢驗(yàn)本測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度及測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)性(穩(wěn)定性)。具體測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

表1 不同鋼球直徑測(cè)量值 mm

表1中，系統(tǒng)所測(cè)得的鋼球直徑為同一鋼球5次測(cè)量結(jié)果的平均值，可以看出，所構(gòu)建的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與CMM測(cè)量結(jié)果誤差在±1 μm之內(nèi)，滿(mǎn)足系統(tǒng)的高精度測(cè)量要求。

表2所示測(cè)量數(shù)據(jù)為截取3#鋼球不同的測(cè)量范圍所測(cè)得的鋼球直徑數(shù)據(jù)。從表中可以得出，測(cè)量結(jié)果誤差在2 μm之內(nèi)，表明本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，重復(fù)性較高。

6 結(jié)束語(yǔ)

在分析球面滾子結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了針對(duì)此類(lèi)零件的測(cè)量系統(tǒng)硬件平臺(tái)及控制結(jié)構(gòu)，分析了軟件系統(tǒng)的功能組成模塊和整體工作流程。該測(cè)量系統(tǒng)以非接觸光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)、精密運(yùn)動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)控制等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)集成控制下對(duì)球面滾子的自動(dòng)化測(cè)量及一次掃描下的全參數(shù)評(píng)定。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，所開(kāi)發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)滿(mǎn)足對(duì)球面滾子檢測(cè)的功能及精度要求。

表2 同一鋼球(3#：28.498 mm)直徑測(cè)量值 mm