激光在寶石軸承曲率半徑檢測中的應用

楊超 孫繼賢 張長秋

【摘 要】激光測量作為非接觸測量的新技術，具有高精度、高效率的優(yōu)勢，本文采用ZIP250型影像測量儀，加裝DRS300型激光位移傳感器，實現(xiàn)了寶石軸承曲率半徑的檢測。利用輪廓儀對新方法測量結果進行修正，可以保證測量準確性滿足要求。測量節(jié)拍可達到10S/件，重復精度可達到0.003mm，均優(yōu)于原方法；新方法無需借助二碘甲烷顯影，降低了環(huán)境和職業(yè)健康風險。

【關鍵詞】寶石軸承；曲率半徑檢測；激光

中圖分類號： TH133.3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）13-0063-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.028

球型寶石軸承（以下簡稱軸承，如圖1）具有體積小、精度高的特點，軸承槽曲率半徑（以下稱SR）作為軸承的關鍵尺寸，在裝配前必須進行全數(shù)檢測。原有檢測方法采用二碘甲烷浸液法顯示軸承輪廓，利用二維光學影像儀測量SR，測量過程效率低，加之二碘甲烷具有毒性，在環(huán)保和職業(yè)健康方面存在一定的風險，因此進行檢測方法優(yōu)化十分必要。

依據行業(yè)標準，軸承SR采用浸液法在50倍投影儀上用樣板比較測量[1]，對其定量測量方法，標準并未述及。小尺寸零件的測量過程對測量力比較敏感[2]，接觸式測量需要進行工件的可靠固定，其測量效率一般較低，所以優(yōu)先考慮采用非接觸式測量。激光測量作為非接觸測量的新技術，具有高精度、高效率等優(yōu)勢，如能將其應用于軸承SR檢測，將有助于提高效率、降低風險。

1 激光測量的基本原理

1.1 激光測量概述

激光具有優(yōu)異的單色性、方向性和高亮性，在長度計量中得到廣泛應用。激光測距基本原理是將激光射向被測件，測量它返回的時間，由此求得激光器與被測目標間的距離。激光測量有多種方法，技術也日趨成熟，采用激光干涉法、激光衍射法測量長度[3]文獻中都有述及，其中激光三角法具有結構簡單、測試速度快、實時處理能力強、使用靈活方便等優(yōu)點，在長度、距離及三維形貌等檢測中有著廣泛的應用[4]。

1.2 激光三角法的工作原理

激光三角法是激光視覺檢測技術的基礎，下面以斜射式單點激光三角法為例說明其測量原理。

如圖2所示，激光器1發(fā)出光線，經會聚透鏡2聚焦后垂直入射到被測物體表面3上，物體移動或輪廓變化，導致入射光沿入射光軸移動。接收透鏡4接收來自入射光點處的散射光，并將其成像在光電位置探測器5上。若光電成像面上的位移為x，，可求出被測表面的位移x。

式中，a為激光束光軸和接收透鏡光軸的交點到接收透鏡前主面的距離；b為接收透鏡后主面到成像面中心點的距離；θ為激光軸與接收透鏡光軸之間的夾角[5]。

2 測量方法

2.1 方法設計及難點分析

利用激光三角法測量，可以得出軸承表面各點的坐標信息，通過測量程序控制激光傳感器和樣品移動，采集到軸承球窩直徑方向的位置點信息，即可構造出過球心的大圓，進而得出SR值。

以上測量方法要實現(xiàn)，必須具備以下條件：

（1）樣品精確定位，激光傳感器和樣品臺位移實現(xiàn)精密控制，確保激光掃描通過球徑；

（2）選擇適宜的激光測量系統(tǒng)，要求其測量范圍、精度等參數(shù)滿足測量要求，結果輸出準確、直觀；

（3）測量結果的準確度、精密度可驗證。

2.2 方案提出

采用ZIP250型三維光學影像測量儀，該設備配備高精度伺服電機，樣品臺和測量部（XYZ方向）的位移誤差均小于2μm，將激光傳感器固定在該設備測量部上，即可實現(xiàn)位移精密控制。同時，設計專用定位工裝，固定軸承在測量臺上的位置，通過影像儀程序控制，保證測量過程樣品不發(fā)生位移，激光傳感器在Y方向移動進行測量。通過影像測量儀的光學系統(tǒng)找準軸承外圓并構造出圓心，然后調用激光從軸承的上端面邊緣開始，沿著Y方向徑向掃描軸承輪廓，可以保證掃描軌跡通過球徑。

通過多次試驗，選取DRS300型激光位移傳感器，該傳感器利用激光三角法來測量表面位移，其精度為1.0μm，分辨率為0.125μm，三角測量范圍為70°，其信號采集、傳輸及控制均與ZIP250型影像測量儀可匹配，利用激光傳感器的距離參數(shù)結合影像儀的圖像參數(shù)即可實現(xiàn)檢測功能，檢測結果通過影像儀工控機輸出。

利用輪廓儀測量軸承SR，與新方法量結果進行比對，如有必要對新方法所得結果進行修正，消除測量結果的整體偏倚，保證測量準確性滿足要求。測量系統(tǒng)的精密度可以通過與原方法開展比對試驗進行驗證。

2.3 試驗及結果修正

利用影像儀控制系統(tǒng)編制自動測量程序：調用光學鏡頭測量軸承外圓，并構造出圓心；調用激光從軸承上端面邊緣，通過圓心沿Y方向掃描軸承上端輪廓，結果以坐標點的形式輸出；在去除球窩邊緣圓角的條件下，擬合生成圓弧，評價得出圓弧直徑即為軸承SR。

抽取50件軸承，根據專用定位工裝的容量，每組10件逐一采用新方法進行自動測量；然后，利用CV-3200S4型探針式輪廓儀進行逐個測量。分別計算50件樣品兩種方法的結果差值，輪廓儀測量結果比新方法平均大0.019mm；對差值進行統(tǒng)計，其標準差僅為0.005mm，說明2組測量結果存在系統(tǒng)偏差，可以通過補償來消除。因此，通過影像儀軟件系統(tǒng)對新方法進行修正，原始測量結果加0.019mm后輸出。

3 驗證

3.1 測量效率及環(huán)保性

通過1000件連續(xù)檢測驗證，軸承SR值的測量節(jié)拍為10S/件，遠小于原方法的30S/件，主要是因為新方法可以實現(xiàn)多件自動連續(xù)測量，而且測量過程軸承平放即可，與原方法要求軸承外圓放置在容器底部相比，擺放過程大為簡化。新方法中激光裝置可以直接采點測量，不需要借助浸液顯示輪廓，成功去除了二碘甲烷，降低了環(huán)境和職業(yè)健康風險。

3.2 測量精確度

（1）分辨力

軸承SR值的公差為50μm，新方法中測量系統(tǒng)的分辨力為0.1μm，可以滿足檢測需求。

（2）準確性

隨機抽取50件樣品，分別采用新方法和輪廓儀進行SR測量，對測量結果進行比對，其均值差為0.002mm，約為公差帶的1/25，表明測量準確性滿足要求。

（3）精密度

隨機抽取10件樣品，分別對每件樣品在人員、方法、環(huán)境均不改變的條件下，進行重復測量10次，得出數(shù)據進行重復精度分析。新方法10組數(shù)據極差均值為0.003mm，遠小于原方法的極差均值0.026mm，可以表明，新方法的重復精度優(yōu)于原方法。

4 結論

（1）采用ZIP250型影像測量儀，加裝DRS300型激光傳感器，配套專用定位工裝，可以實現(xiàn)軸承SR檢測。

（2）利用輪廓儀測量結果對系統(tǒng)進行修正，可以保證新方法測量準確性滿足要求。

（3）新方法的測量節(jié)拍可達到10S/件，重復精度可達到0.003mm，效率及精密度均優(yōu)于原方法。

（4）新方法不需要借助二碘甲烷顯影，降低了環(huán)境和職業(yè)健康風險。

【參考文獻】

[1]JB/T6790-2010，儀器儀表用槽形寶石軸承[S].2010.

[2]楊先穎等.淺談幾何量測量中的小尺寸測量[J].品牌與標準化，2015，（8）：82-83.

[3]鮑娟.激光在長度計量中的應用[J].商品與質量，2012，（7）：78.

[4]王曉嘉等.激光三角法綜述[J].儀器儀表學報，2004，（8）：61-64.

[5]萬瑾等.激光三角法測量的研究[J].三明學院學報，2006，（12）：361-364.