球面滾子非接觸測量系統的開發

王曉強，崔鳳奎，張毛煥

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

高質量的軸承制造離不開高精度的檢測，對滾子的精確測量是保證軸承質量的重要環節。近年來，對軸承性能要求越來越高，工作環境更加嚴酷，對于一些應用在航空、航天等場合的特種軸承滾子，其精度、性能要求都較高，采用傳統的檢測方法無法滿足檢測的需要。國外設備昂貴，技術保密，不適合引進。

目前國內針對滾子的傳統測量設備主要分為3大類：(1)檢測樣板[1]。此類檢測為比對測量，依賴操作者的經驗和操作技巧，人為誤差比較大；(2)接觸式輪廓測量儀。測量過程繁瑣、效率低，誤差較大，不適合批量測量[2]；(3)專用測量儀器。此類儀器都是針對零件的某一參數(如曲率半徑、曲面凸度、圓心位置等)進行檢測[3-8]，全參數測量儀器較少，且均為接觸式測量。

1 滾子結構特點

球面滾子的結構如圖1所示。滾子軸向為帶有凸度的腰鼓形，其縱切面兩側的截線為圓弧，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，與滾子軸線無垂直度要求。

圖1 球面滾子的結構

根據滾子的結構及尺寸控制條件，要求檢測最大軸徑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(空間虛點)的距離H。此類滾子結構特點對測量儀器的定位及檢測都提出了很高的要求。

2 測量系統方案設計

測量儀如圖2所示，主要由大理石基臺、角度可調式旋轉工作臺、精密電動平移臺、光柵尺、光學測頭組件及立柱支架組成。

1—大理石基臺；2—角度可調式旋轉工作臺；3—光學測頭組件；4—光柵尺；5—精密電動平移臺；6—立柱支架

基本工作原理為：以滾子小端面進行初定位，通過安裝于旋轉工作臺上呈正交組合的X，Y向角位移調整臺實現滾子的擺正(保證滾子軸線與測頭光幕相垂直)；通過精密電動平移臺帶動光學測頭組件上下移動，實現對滾子的平掃測量，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；通過計算機對原始測量數據進行處理，得到滾子的最大軸徑；對數據進行分段處理和圓弧擬合，計算出軸截面圓弧半徑及球形端面球半徑；根據球形端面球頂點的球心Z向坐標及最大軸徑坐標值，得到最大軸徑到球形端面虛擬球頂點的距離。

2.1 光學測頭組件

光學測頭組件采用日本Keyence公司的LS-7000系列綠色LED數字測微計，其結構如圖3所示。

高亮度GaN綠色LED光源經標準透鏡形成單一的平行光線對滾子進行照射，再經遠心光學系統分別在HL-CCD及CMOS顯示照相機上成像。CCD上明亮和黑暗區域之間的邊緣檢出，得到光幕掃描截面徑向測量值；經數值二分，并與測頭Z向位置相結合，獲得零件軸向截面輪廓相對位置坐標。

圖3 LS-7000系列光學測頭測量原理圖

LS-7000系列特有的綠色LED和遠心鏡頭HL-CCD光學系統，能達到常規測微計的雙倍速度和精度，系統采樣速度達到每秒2 400點，測量精度達到±2 μm及±0.15 μm的重復性。

2.2 X-Y雙向角度可調式旋轉工作臺

工作臺的調整裝置廣泛應用于各種計量檢測儀器中，是實現測量儀器高精度檢測的保證，同時調整方法的可靠性和方便性也是影響測量儀器操作性的關鍵因素。現有工作臺的調整裝置大多通過楔形塊或蝸輪蝸桿機構，借助于水平儀或者標準件加儀器本身的讀數結果來實現對工作臺的水平調整，且絕大多數僅能實現在一維方向上的水平調整。

之所以緊迫，主要是全球教育飛速發展，教育現代化也穩步推進，全國教育大會提出德智體美勞全面發展的人才培養目標也十分明確，作為同時具有健身功能與教育價值的體育學科的完善體育課程體系建設就顯得更為緊迫。尤其是國外許多國家以人為本的體育課程體系建設經驗日益豐富，我國一體化體育課程體系建設的步伐就更要加快。

針對上述問題，結合成熟的角位移工作臺技術，提出了一種X-Y雙向角度可調式旋轉工作臺，其結構如圖4所示。工作臺由回轉臺、2個耦合角位移臺及墊鐵組成。回轉臺繞軸線回轉，按90°分度；2個耦合角位移臺(偏擺中心重合)呈正交方式安裝于回轉臺上；墊鐵作為被測零件支撐臺，其高度由耦合角位移臺偏擺中心高度及被測零件高度范圍確定。

1—被測零件；2—墊鐵；3—耦合角位移臺；4—回轉臺

進行軸線擺正(工件軸線與測頭光幕相垂直)時，首先將測頭移動到耦合角位移臺的偏擺中心高度，調整角位移臺，通過測頭控制器顯示數值找到最小讀數狀態，即為一個方向上的擺正；通過下層回轉臺使工作臺旋轉90°，重復上述調整過程，實現另一正交方向上的擺正。對于采用非接觸式光幕測量儀器且回轉類被測零件端平面與回轉軸線沒有垂直度要求時，此種調整方式具有顯著的優點，它無需借助其他高精度檢驗裝置即可實現被測零件的擺正，調整方便且速度快。

2.3 運動控制及數據采集

測量系統的運動控制是實現計算機自動測量的基礎。根據測量系統的基本工作原理，構建硬件控制系統，其原理如圖5所示。

圖5 系統的硬件控制原理

在本系統中選用固高公司的GT系列運動控制器，該控制器采用2軸步進或伺服電動機控制，具有最高頻率為8 MHz的4倍頻增量式輔助編碼器，滿足精密電動平移臺的運動控制以及Z軸的光柵讀數。控制卡為PCI總線結構，采用轉接板實現與外部硬件的信號連接，便于整個控制系統的構建。

測量系統的數據采集通過LS-7001型光學測頭控制器獲取，在控制器內部實現測量數據的數字化處理，并通過RS232C串口實現與計算機的通信。該控制器具有多種類型的計算功能、數據處理功能及校正功能，并配備直觀的數顯屏幕，可以方便地實現被測零件的擺正。對于系統數據采集的軟件實現，則采用多線程和系統定時器相結合的編程方式，測量過程中不進行任何的數據處理及圖形顯示，以保證測量數據的精度。

3 系統標定

任何測量系統都需要精確的標定，系統標定精度直接影響整個系統的測量精度。本系統采用高精度LED光源和遠心鏡頭HL-CCD，從硬件上保證了測量數據的線性度，故設備采用單點校準標定技術，其標定原理如圖6所示。

圖6 單點校準標定原理示意圖

以已知標準值的圓柱T1作為單一測量點，基于校準前的顯示值T1A(測量值)和校準后的顯示值T1B(真值)對測頭進行標定，得到系統標定系數為

(1)

則對于任一測量值x，其真實數據為

x′=βx。

(2)

光學測頭所采用的平行光幕盡管厚度很小(約30 μm)，但對于零件端面(特別是球端面)的數據采集仍有較大影響。測量過程中采用分序列數據處理標定技術，對不同的測量區域設置不同的邊緣檢測閾值，不同閾值檢測狀態下進行獨立的單點校準標定，有效減小了光幕厚度尺寸對精確數據采集的影響。

4 軟件系統組成及工作流程

測量軟件系統主要由系統設置、測量數據的處理及文件操作等幾部分組成，各個功能模塊如圖7所示。

圖7 系統功能組成模塊

系統設置功能包括計算機與測頭控制器串口通信參數、平移臺運動參數及被測零件設計參數等；數據處理模塊功能實現對零件的自動測量、數據擬合及圖形輸出等；文件操作模塊實現對測量數據的讀取、保存以及處理結果的打印輸出等功能。軟件系統的工作流程如圖8所示。

圖8 軟件系統工作流程

5 系統精度分析

為了驗證系統的綜合測量精度，隨機選取一組(6個)鋼球作為被測對象，采用三坐標測量機(CMM)測量球直徑作為比對值，以檢驗本測量系統的測量精度及測量數據重復性(穩定性)。具體測量數據見表1和表2。

表1 不同鋼球直徑測量值 mm

表1中，系統所測得的鋼球直徑為同一鋼球5次測量結果的平均值，可以看出，所構建的測量系統測量結果與CMM測量結果誤差在±1 μm之內，滿足系統的高精度測量要求。

表2所示測量數據為截取3#鋼球不同的測量范圍所測得的鋼球直徑數據。從表中可以得出，測量結果誤差在2 μm之內，表明本系統測量結果穩定，重復性較高。

6 結束語

在分析球面滾子結構及技術要求特點的基礎上，構建了針對此類零件的測量系統硬件平臺及控制結構，分析了軟件系統的功能組成模塊和整體工作流程。該測量系統以非接觸光學精密測量技術為基礎，綜合運用計算機視覺、精密運動控制及計算機控制等相關技術，實現了在計算機集成控制下對球面滾子的自動化測量及一次掃描下的全參數評定。經實際應用表明，所開發的測量系統滿足對球面滾子檢測的功能及精度要求。

表2 同一鋼球(3#：28.498 mm)直徑測量值 mm