非接觸測量式圓柱滾子自動分選機

王連吉，鄒國偉，李興林，王續躍

(1.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116023；2.杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022)

軸承是機械工程領域最為關鍵的基礎元件之一[1]。為了保持軸承精度，必須用合適的滾動體與套圈配套，當滾子和內、外圈的加工精度確定的情況下，合理的選配就顯得格外重要[2-3]。

據相關資料表明，目前圓柱滾子分選方式主要有2種，一種為人工分選，所用的工具為千分表,其測量精度為±0.001 mm[4]，人工分選效率一般在45～55個/min，能夠滿足測量的要求，但效率低且勞動強度大；另一種是采用分選機分選。國內、外軸承圓柱滾子分選機已有多種，但僅限于分選直徑小于20 mm和長度小于40 mm的普通滾子。國內從20世紀70年代就已開始進行滾子分選機的研發[5-7]，目前所研制的大部分分選機幾乎采用的都是接觸式的測量方式[8]，在測量過程中一定程度上會造成滾子表面劃傷并且影響接觸頭的壽命；同時，分選機的測量直徑范圍受到一定的限制。

因此，采用新式激光非接觸式測量就凸顯出其優越性。激光測量的關鍵是對測量過程中可能出現誤差的原因及種類進行有效地分析，更好地發揮激光測量的優越性。對激光測量過程中誤差的分析主要有以下幾個方面：激光波長漂移誤差，空氣折射率變化引起的誤差，被測物體膨脹引起的誤差，阿貝誤差等[9-11]。同時也要根據不同測量系統的實際情況，區分主要誤差和次要誤差，對主要誤差進行分析，避免其產生；控制次要誤差，防止其轉化為主要誤差。

在此立足于實際情況，結合所研制的滾子分選機，提出一種新分選方法，介紹了該分選機的結構組成和測量原理，并對測量過程中可能出現的誤差以及控制誤差產生的方案進行詳盡的分析。

1 分選機結構及工作過程

該分選機采用激光非接觸的測量方式并結合PLC實現自動化控制。分選機結構如圖1所示，其主要由4部分組成，分別是送料、測量、滾子傳送以及落料。

1—汽缸；2—5#斜面；3—激光傳感器；4—V形活動塊；5—傳送帶；6—提升汽缸；7—盛料斗

1.1 送料

送料部分主要由一個傾角為5°的斜面擺放待測工件，在斜面的下端有一個150°的V形定位塊與之相連，擺放在斜面上的滾子在自身重力及后排滾子推力的合力作用下落到V形定位塊上，此時汽缸向前推動、送料，同時汽缸伸出桿阻擋住下一個落下的滾子，直至汽缸桿完全收縮時下一個滾子才會再次落到V形塊中。汽缸在此過程中不僅起到了送料的作用，同時也充當阻料器，使送料部分簡單實用。

1.2 測量

測量部分主要是傳感器和V形定位塊，在位于傳感器之間的V形塊部分銑出一道矩形缺口，目的是使傳感器接收端能夠完全接收發射端的光線，當待測零件透過時就能夠獲得要測量的滾子直徑的數值，傳感器信號經A/D轉換后再進行放大處理，將結果發送到PLC控制器中，以供分選時控制氣閥的開啟和汽缸的動作。

1.3 滾子傳送

滾子傳送靠分料器和傳送鏈之間協調動作共同實現。

送料汽缸的動作時間為

T1=T(伸出)+T(收縮)=0.3+0.2=0.5 s;

則測量一個滾子將花費的平均時間為

T=T1+T2=0.5 s+T2，

式中：T2為走行一個工位所花費的時間。每分選一個滾子的時間主要由走行一個工位所花費的時間所決定，由于傳送鏈速度的限制，不能使一個工位所走行的時間少于0.5 s,送料汽缸此時會處于停頓狀態，因此采用增加一套傳送鏈的方式以提高分選機的工作速率。

測量后的滾子會落入一個由汽缸控制的分料板(分料板傾斜的方向決定滾子的走向)，然后落入鉸接于頂板鏈上的V形塊上， V形定位塊的一側下方有配重塊，會有傾斜的趨勢，為防止滾子的脫落，采用一條貫穿于整個傳送鏈上的托板，使V形塊能夠順利進行動作。

1.4 落料

落料部分是整個分選裝置的核心之一。

當盛有測量完畢滾子的V形活動塊移動至指定落料位置時，PLC控制氣閥開啟，位于V形活動塊下方的氣管會有高壓氣體噴出，產生的氣流作用于V形塊一側，使其發生翻轉，滾子則落入漏斗并沿著彎管進入盛料斗中。采用的彎管由兩部分組成，上段為塑料管，下段為皮質管，目的是對落下的滾子產生緩沖作用，避免測量完畢的滾子再次產生磕碰。為了防止落入料盒中的滾子產生堆積，滾子落下后PLC將控制與皮管相連的汽缸收縮，從而帶動皮管中滾子脫落。與此同時，V形活動塊不用恢復到平衡狀態就可以繼續向前移動，從而節省分選時間。

2 測量原理

激光用于測量系統時，具有不接觸、精度高、速度快、靈敏度好及不受電磁干擾等優點，對于生產線或設備維修都具有極大的應用潛力[12]。

如圖2所示，激光傳感器主要由2部分組成，圖示左側為激光發射端，右側為接收端，發射端會產生一個截面狀的光源向前傳遞，接收端能夠檢測到所發射的激光值，這樣就在兩者之間形成了一面測量區域。從圖中可見，V形定位塊在激光通過的部分銑出缺口以便光線能夠完全無阻礙通過，當待測工件從中穿過時，被測零件會在一瞬間阻擋住接收端接收到激光的值，此時接收端通過前、后的差值可計算出被測滾子的直徑值。傳感器內部裝有專用數字指令控制器的異常值去除過濾器，可以高精度地除去附著在工件上的水滴、灰塵及劃傷等異常數值。

采用激光傳感器進行測量，是一種測量裝置和待測工件之間進行非接觸式的測量方法。在滿足測量精度的同時，其更能夠避免傳感器測頭與工件之間接觸而產生的磨損和測量誤差的產生；另外，激光傳感器每秒鐘的掃描次數都能達到千次以上，相應時間極短，消除了其對測量效率的影響。該分選機采用日本進口的激光透過式傳感器,最小顯示值為0.01 μm，重復精度為0.13 μm，完全能夠滿足滾子分選時2 μm為一組的分組要求。

圖2 激光傳感器測量原理示意圖

3 測量誤差分析及解決方案

為了能夠使高精度測量儀器發揮其測量準確、減少誤差的作用，需對測量過程中可能出現的誤差進行分析，找出誤差出現的來源，計算其對測量結果的影響，并提出解決方案。

3.1 單側雜質產生的測量誤差

如圖3所示，如果在V形定位塊中的某側出現多個直徑為k的雜質，會導致滾子整體向另一側移動L的距離，測量后的結果將為d1=d。可見，這樣的干擾不會對測量結果產生影響。

圖3 單側雜質產生測量誤差示意圖

3.2 圓度產生的測量誤差

如圖4所示，如果出現滾子的圓度不滿足加工要求，就會導致測量后的值產生偏差，對測量結果不利。為了滿足測量要求，必須有

|d1-d|<2 μm;|d2-d|<2 μm,

式中：d1，d2分別為由于滾子圓度不同的截面測量尺寸；d為滾子理想尺寸。

圖4 圓度產生測量誤差示意圖

因此，為了避免由于滾子圓度不同而對滾子分選產生影響，應將滾子圓度誤差控制在1 μm內。針對此類問題，采取的解決方法主要有：(1)在加工過程中進行控制，保證滾子加工精度；(2)在測量過程中，利用傳感器掃描次數多的特點，對滾子在一次測量過程中進行多次測量，取測量結果平均值，使測量結果接近真實值，避免由于測量方式不合理而對滾子分選產生影響。

3.3 雜質導致偏轉產生的測量誤差

如圖5所示，如果在滾子的端部出現直徑為K的雜質，會導致其發生一定角度(定義為δ)的傾斜，則有下面關系

G/W=T/K,

式中：G為滾子直徑；W為滾子長度；T為△ACD的一個直角邊。

圖5 雜質導致偏轉產生的測量誤差示意圖

在正常測量環境工況下，本設備應用的滾子范圍為

8≤G≤30;10≤W≤30(mm)；允許存在的雜質的大小K≤0.05 mm。

所以，當K=0.05 mm 時，T=0.05G/W;

即，0.013≤T≤0.15。

從△ABC可知：P=Tsinδ,P為雜質所引起的測量偏差值;當K≤0.05時，δ≤0.29°，即sinδ≤0.005；從而0.000 06≤P≤0.000 8。從圖5中可見

Q-G≈P。

因此，限定測量環境中的最大雜質不超過0.05 mm時，所引起的測量誤差將不會影響到真實的測量結果，對滾子分組不會造成影響。

3.4 圓柱度產生的測量誤差

如圖6所示，如果加工后的滾子出現圓柱度不夠理想，會導致在測量部位滾子的直徑與實際值有所區別，因此對其進行了簡化設計，以計算其對測量值的影響。

圖6 圓柱度產生測量誤差示意圖

如滾子的錐度為θ，那么滾子的任意截面尺寸V滿足下面關系

V=D-2X，

式中:X為測量截面理想尺寸與實際截面尺寸的差值。

由于θ≈tanθ≈sinθ(θ→0°)，

則X/L=tanθ/2≈θ/2，

式中：L為測量截面到大端面的距離；

X=Lθ/2;

V=D-Lθ。

可見，當滾子的圓柱度不滿足要求而產生的錐度較大時，可能引起測量誤差的產生。這類誤差是機床加工過程中產生的，應在加工以及測量過程中進行控制和改善。

從以上分析可知，產生的誤差將不會對測量方式的有效性產生影響，因此，采用該測量方式不僅簡便、準確，而且可以提高分選效率及準確性。

4 結束語

(1)采用激光傳感器的滾子測量新方法，不同于傳統接觸式測量的方法，減少了測量過程中對滾子和測頭的磨損，保證測量的精度要求，為以后分選機的研制提出了新的方法和思路。

(2)通過對測量過程中出現的誤差分析，找出主要誤差和次要誤差，對測量結果產生影響的因素加以控制和約束，避免其對測量結果產生影響，使測量結果接近真實值。

(3)落料過程中采用皮管對滾子進行緩沖，減少了滾子的磕碰。

(4)采用雙排傳送鏈下料的方式，分選效率顯著提高，可達120～150個/min，用機選代替人選不僅滿足了生產的需要，還可以節約大量勞動力，降低勞動成本，以及分選過程中錯選及漏選現象的發生。