CN102353336B - 可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置 - Google Patents

Abstract

可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置。它涉及测量分组装置，它避免接触式测量方法的问题和弊端。它包括上料单元、测量单元和下料单元；上料单元，用于将被测轴承球投放到测量单元上；测量单元，用于测量被测轴承球的直径；下料单元，用于根据被测轴承球的测量直径进行分组；其中，上料单元包括半球形储料仓、顶球杆、直线电机、吸嘴和摇臂；测量单元包括角度调节器、高精度定位V型块、激光测量传感器和接球管路；下料单元包括多个归属槽和运动控制系统驱动转台。它测量速度快，测量精度高，且可嵌入生产线中，作为生产后、装配前的检测环节，提高自动化程度，使各部件生产节奏加快、可控性增强，适用于大中批量的球轴承生产线中。

Description

可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置

技术领域

本发明涉及测量分组装置，具体涉及对于轴承球的测量分组的装置。

背景技术

目前轴承球直径的测量多采用接触式测量方法。接触式轴承球直径测量常用方法有：压电元件夹持测量（如图14）和电容传感器夹持测量（如图15）等方法。

压电元件夹持测量原理为：运放发出驱动信号，驱动器发出电信号驱动压电元件运动，夹持机构相对运动，当碰到球表面时传感器触电发出信号到运放，运放停止工作。此种测量方法弊端在于，停止夹持机构的信号是在接触信号输入到运放之后才发出，那么，所以在传感器发出停止信号，到运放停止发出驱动信号这段时间内，夹持机构将继续运动，造成测量不准确，甚至压坏被测轴承球0。

电容传感器夹持测量方法为将轴承球直径转化为电容传感器的两极的间距变化，进而反求出直径的大小。

轴承球直径接触式测量即测量终端部件与轴承球有接触，这种测量方法有很多的缺点。例如：测量力难以精确控制，这将使轴承球在测量时由于不确定大小的测量力引起的微小形变量将导致测量失准；接触式测量通常采用静态测量，即要求被测轴承球0静止不动，显然，这将影响测量效率。上述两种方法均为直接测量法，并没有进行测量球与标准球的测量对比，这将使由于测量定位部件产生的系统误差不能被很好的排除。

同时，接触式测量易对轴承球表面产生影响，即可能产生被测轴承球0表面划伤、造成表面污染；定位测量零件较多，易使污染灰尘沉积，对测量准确对产生不利影响；易将热影响引入轴承球，导致直径测量不准。

此外接触式测量还有一些缺点，测量装置结构复杂，定位复杂，成本较高，因而造成运用时，操作复杂，维护较为不便。

发明内容

本发明为了避免接触式测量方法的问题和弊端，而提出了一种可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置。

可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置包括上料单元、测量单元和下料单元；

上料单元，用于将被测轴承球投放到测量单元上；

测量单元，用于测量被测轴承球的直径；

下料单元，用于根据被测轴承球的测量直径进行分组；

其中，上料单元包括半球形储料仓、顶球杆、直线电机、吸嘴和摇臂；测量单元包括角度调节器、高精度定位V型块、激光测量传感器和接球管路；下料单元包括多个归属槽和运动控制系统驱动转台；

半球形储料仓，用于储存被测轴承球，

顶球杆，用于在直线电机的推动下将半球形储料仓底部的存储的被测轴承球中的一个推至到吸嘴所能吸附的高度；

直线电机，用于带动顶球杆做往复运动；

摇臂，用于在顶球杆上方与角度调节器的V型滚道的上方之间移动吸嘴；

吸嘴，用于吸附顶球杆顶部的被测轴承球，并在达到角度调节器的V型滚道的上方后释放被测轴承球，

角度调节器，用于赋予被测轴承球初速度，角度调节器的V型滚道倾斜至设定角度，从吸嘴上下落的被测轴承球沿倾斜的V型滚道滚动，使得被测轴承球得到初速度；角度调节器的V型滚道与高精度定位V型块的V型轨道对接，并且所述的V型滚道的轴承球出口与所述的V型轨道的轴承球入口连接，

高精度定位V型块，用于限定被测轴承球的移动轨迹，

激光测量传感器，用于测量在高精度定位V型块的V型轨道上滚动的被测轴承球的直径，

接球管路，用于将被测轴承球引导至归属槽中；

若干个归属槽，用于装载不同直径的被测轴承球，若干个归属槽分为若干个组，每个归属槽作为一个相同直径的被测轴承球的一个分组；

运动控制系统驱动转台，用于根据被测轴承球的直径将对应直径的归属槽的轴承球入口转动到接球管路的轴承球出口下方。

本发明测量速度快，测量精度高，且可嵌入生产线中，作为生产后、装配前的检测环节，提高生产自动化程度，使产品各部件生产节奏加快、可控性增强，极为适用于大中批量的球轴承生产线中。本发明操作简单，只需一个人进行前期的标准球标定及后续的测量监控。

附图说明

图1是本发明的轴侧示意图；图2是本发明的侧视图；图3是测量单元的结构示意图；图4是激光测量传感器9测量原理图，其中，A为全聚透镜；图5是被测轴承球0的直径定位及测量示意图，其中C为理想球，D为被测轴承球0的轮廓；图6是动态测量示意图；图7是本发明完整的一次测量控制时序图；图8是被测轴承球0的直径变化对测量影响原理图；图9是误差补偿部分的流程图；图10是高精度定位V型块8对被测轴承球0定位沿球运动方向有偏差时测量误差产生的原理图；图11是被测轴承球0的圆度对测量精度的影响原理，其中a是最小外接圆，b是最大内切圆，D为被测轴承球0的轮廓；图12和图13是水平运动对测值影响原理图；图14是压电元件夹持测量装置的结构示意图；图15是电容传感器夹持测量装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式它包括上料单元、测量单元和下料单元；

上料单元，用于将被测轴承球0投放到测量单元上；

测量单元，用于测量被测轴承球0的直径；

下料单元，用于根据被测轴承球0的测量直径进行分组；

其中，上料单元包括半球形储料仓1、顶球杆2、直线电机3、吸嘴5和摇臂4；测量单元包括角度调节器7、高精度定位V型块8、激光测量传感器9和接球管路10；下料单元包括归属槽11和运动控制系统驱动转台12；

半球形储料仓1，用于储存被测轴承球0，半球形储料仓1的底部为半球形，半球形底部的中心开有圆孔，顶球杆2穿过所述的圆孔；

顶球杆2，用于在直线电机3的推动下将半球形储料仓1底部的存储的被测轴承球0中的一个推至到吸嘴5所能吸附的高度；顶球杆2的顶端设置有半圆形凹槽，所述的半圆形凹槽为使每次都能够保证顶出一个球，即避免多球同时顶出，所述凹槽口侧壁厚度为1mm，便可有效避免被测轴承球0在凹槽边缘站立，并且有效的隔开了多球间的接触，增强了被测轴承球0的入槽能力；顶球杆2的底端与直线电机3的动力输出端连接；为适用于范围更为广泛的轴承球直径相对测量，针对不同被测轴承球0直径使用的凹槽顶球杆2；

直线电机3，用于带动顶球杆2做往复运动，给顶球杆2一个使其顶部从半球形储料仓1底部升到摇臂4上吸嘴5所能吸附的高度的向上的推动力和定位力；

摇臂4，用于在顶球杆2上方与角度调节器7的V型滚道的上方之间移动吸嘴5；摇臂4的转轴的底部设置在升降台6上，摇臂4包括旋转臂、转轴和转动电机，吸嘴5固定在摇臂4的旋转臂底面的一端上，所述旋转臂底面的另一端固定在摇臂4的转轴的顶部，转轴的底部与转动电机的动力输出轴连接，转动电机，用于带动旋转臂在水平方向转动；

吸嘴5，用于吸附顶球杆2顶部的被测轴承球0，并在达到角度调节器7的V型滚道的上方后释放被测轴承球0，吸嘴5包括开口向下的凹槽和负压泵，开口向下的凹槽，用于嵌放被测轴承球0，负压泵，用于给被测轴承球0一个吸附力，使其固定在开口向下的凹槽中；

升降台6，用于调整被测轴承球0与角度调节器7的V型滚道之间垂直方向上的距离，使被测轴承球0与角度调节器7的V型滚道之间垂直方向上的距离仅为1mm，可有效降低被测轴承球0与V型滚道间的碰撞，降低对被测轴承球0表面的损坏；

角度调节器7，用于赋予被测轴承球0初速度，角度调节器7的V型滚道倾斜至设定角度，从吸嘴5上下落的被测轴承球0沿倾斜的V型滚道滚动，使得被测轴承球0到初速度；角度调节器7的V型滚道与高精度定位V型块8的V型轨道对接，并且所述的V型滚道的轴承球出口与所述的V型轨道的轴承球入口连接，

高精度定位V型块8，用于限定被测轴承球0的移动轨迹，高精度定位V型块8的V型轨道的轴承球出口与接球管路10的轴承球入口连接，

激光测量传感器9，用于测量在高精度定位V型块8的V型轨道上滚动的被测轴承球0的直径，所述激光测量传感器9采用的测量原理为三角测量，图4即为三角测量原理图。激光束经照射在被测轴承球0表面上，光线发生漫发射，再经接受透镜照射在感光CCD上成像，经过光电转换，利用测得的漫发射后光斑位移与激光器基本参数（如图4中a，b以及激光束角度u），反推出入射光在光轴方向上的位移，即反应出被测物的表面尺寸。所述激光测量传感器9的最小测量尺寸达到0.02μm；激光测量传感器9与轴承球表面间的最小距离，如图5。采用相对测量方法：首先对标准轴承球进行标定，即标准球表面最高点与激光传感器的距离；之后，再对被测轴承球0进行激光传感器与轴承球表面点的最小值测量，取两者的差值，作为最终的测量结果输出；激光测量传感器9的测量结果输出端与运动控制系统驱动转台12的测量结果输入端连接；同时，为大幅提高测量效率，采取动态测量方式，如图6所示，动态测量方式即使被测轴承球0从高精度定位V型块8自由滚下，当滚动经过激光测量点附近时，激光测量传感器9进行快速多次测量（测量间隔最低可达到20μs），经过运动控制系统驱动转台12内部处理，将被测轴承球0与测头两者间的距离的最小值记录下来。由于测量是在运动的过程中完成的，故动态测量可大幅的提高测量效率。高精度定位V型块8的应用保证了测量的准确性，且本设备结构简单，定位及测量装置较为常见；

接球管路10，用于将被测轴承球0引导至归属槽11中；

若干个归属槽11，用于装载不同直径的被测轴承球0，若干个归属槽11分为若干个组，每个归属槽11作为一个相同直径的被测轴承球0的一个分组；

运动控制系统驱动转台12，用于根据被测轴承球0的直径将对应直径的归属槽11的轴承球入口转动到接球管路10的轴承球出口下方。

本本实施方式工作过程为：被测轴承球0由带有凹槽的顶球杆2由直线电机3顶出半球形储料仓1。当被测轴承球0顶到摇臂4上的吸嘴5的凹槽的高度后，吸嘴5的负压泵开始工作，吸住被测轴承球0。此时，摇臂4的旋转臂开始旋转，同时由升降台6补偿旋转吸嘴处到角度调节器7在垂直方向上的距离，当到达角度调节器7预定落点上方后，升降台6下落一小段距离，之后，吸嘴5的负压泵放开被测轴承球0，被测轴承球0由角度调节器7上的V型滚道上自由下落，获得一定的初速度。当被测轴承球0由角度调节器7获得初速度后，运动到高精度定位V型块8上的激光测量点附近时，激光测量传感器9开始高速大量的对被测轴承球0表面的激光斑点进行取点，进过对比之后，将激光测量传感器9与被测轴承球0表面光斑的最近距离作为测量结果输出。整个测量时间过程仅2s。测量后的轴承球经由接球管路10落于归属槽11。

对于上料单元，可将加工完成后的被测轴承球0直接通过一定的传送手段引入半球形储料仓1中。若干个归属槽11通过固定管槽托板和螺母固定在运动控制系统驱动转台12上，当被测轴承球0测量全部完成后，卸下固定管槽托板上的螺母，便可将装有分组完成的球管槽取出。同时，下料单元可做一定的改进设计，即将若干个归属槽11换为接球软管，接入到装配线中，并由传送带接至相应精度的轴承装配工位上。这样，经由此台机器，便可实现被测轴承球0的生产—检测—装配一体化。这样极大程度的提高了工厂生产线的自动化程度和生产效率。

具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于还包括接球漏斗14；接球漏斗14，用于缩小被测轴承球0的下落范围，接球漏斗14的上端大端口位于接球管路10的出球口的下方，接球漏斗14的下端小端口位于归属槽11的入球口的上方。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于还包括隔球板15和隔球电机16；隔球板15，用于准确顺利的将被测轴承球0导入到归属槽11中，隔球板15的前端上表面上设置有倾斜向下的滑道，隔球板15的后端与隔球电机16的动力输出端连接，隔球电机16，用于移动隔球板15的位置。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。

运动控制系统驱动转台12将轴承球的归属槽11转动到接球漏斗14下方后，隔球电机16运动带动隔球板15收缩，被测轴承球0经漏斗落于归属槽11内。为使小球下落顺利，特将隔球板15前端上表面设计带有一定斜度。被测轴承球0成功落入到其归属槽11之后，运动控制系统驱动转台12及隔球电机16复位，准备下一个被测轴承球0的测量及分组。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于还包括安装台13，安装台13分为上台面和下台面，半球形储料仓1、摇臂4、角度调节器7、高精度定位V型块8、激光测量传感器9、接球管路10、接球漏斗14、隔球板15和隔球电机16设置在上台面上，直线电机3、升降台6、归属槽11和运动控制系统驱动转台12设置在下台面上。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于还包括安装台13、橡胶阻尼片17和防震动台面18，安装台13分为上台面和下台面，半球形储料仓1、摇臂4、设置在上台面上，防震动台面18也位于上台面上，橡胶阻尼片17设置在防震动台面18与上台面之间，角度调节器7、高精度定位V型块8、激光测量传感器9、接球管路10、接球漏斗14、隔球板15和隔球电机16设置在防震动台面18上，橡胶阻尼片17，用于吸收机械振动，直线电机3、升降台6、归属槽11和运动控制系统驱动转台12设置在下台面上。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

同时，为最大限度的保证测量的稳定性，降低机械振动带给测量的影响，特将在测量前运动的电机，放在下台面中；同时，将角度调节器7、高精度定位V型块8、激光测量传感器9、接球管路10、接球漏斗14、隔球板15和隔球电机16设置在防震动台面18上，两部分中间添加橡胶阻尼片17用于吸收机械振动，减少机械振动误差。

具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、四或五不同点在于还包括二维位移平台19和三维位移平台20；二维位移平台19，用于调整高精度定位V型块8水平面上的位置，三维位移平台20，用于调整激光测量传感器9的位置，使得激光采集点对准被测轴承球0的球面最高点。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、四或五相同。

运动控制程序中针对不同被测轴承球0直径，调整升降台6的初始高度以及二维位移平台19、三维位移平台20和运动控制系统驱动转台12控制程序相关运动控制参数，即可实现不同球径的相对测量顺利进行。

如图7，为保证被测轴承球0在摇臂4旋转时不因突然加速而导致吸球不稳，故在旋转臂启、停阶段采用梯形加速方式，以防离心力激增将被测轴承球0甩出；为降低电机或负压泵产生的振动对激光器工作产生影响，在激光测量传感器9取点时各电机均处于非工作状态；当直径差数值通过测量软件传入到运动控制系统驱动转台12后，运动控制系统驱动转台12开始旋转将对应归属槽11转到接球管路10下方；为提高整个设备的测量效率，各电机采用分时复位，且在运动控制系统驱动转台12即将到达初位时，顶球杆2、负压泵等上料电机便工作，开始下一循环。

测量过程中，通过对比，将被测轴承球0与激光测量传感器9间最小距离与标准球与激光测量传感器9间最小距离作差，并进行系统误差补偿，将最终的测量结果传递给运动控制系统驱动转台12，运动控制系统驱动转台12后台控制程序根据测量结果判断被测轴承球0归属槽11。测量结束后，顶球杆2以及摇臂4及升降台6先行归位，将下一被测轴承球0先行顶起，准备测量。

测量部件的系统误差补偿

系统误差成因

由于采用V形锥面进行被测轴承球0的定位，当被测轴承球0与标准球两球球径不同时势必引起小球与V形锥壁接触线高度的变化，继而引起激光着点竖直位移变化，致使测值不能准确的反映出被测轴承球0与标准球之间的真实球径差。

图8是被测轴承球0的直径变化对测量影响原理图；采用的定位装置的锥面夹角为90°。作辅助线使∠O′ZO=π/2，有

∠O′OZ=∠ZO′O=π/4

在这种情况下，标准球-被测轴承球0的直径差真实差值即为

ε=(D-d)

式中D-标准球理想圆直径；

d-被测轴承球0理想圆直径。

在不考虑其他因素产生的不确定度的影响下，实测出的两球直径差值为

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\frac{(1+\sqrt{2})}{2}(D-d)=\frac{(1+\sqrt{2})}{2}\mathrm{\ϵ}$

进而，可推导出此因素下导致的相对测量的相对误差为

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}-\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ϵ}}\×100\%=\frac{\frac{(1+\sqrt{2})}{2}\mathrm{\ϵ}-\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ϵ}}=20.7\%$

由此可见，这种因素带给测量结果的影响十分重大，然而此种误差是V型块球定位必然存在的结果。这种误差的存在将直接影响到最后的仪器测量效果。由于此因素造成的相对误差较大，后续将对此种误差提出有效的误差补偿方案。

系统误差补偿方案

针对轴承球直径精密测量分组仪器而言，通过对误差分析，发现系统误差为球径变化引起的切点变化对测量精度造成的影响，这种误差引起的相对误差达到了20.7%。而其他误差随机性较大、很难或无法预知，所以，在误差补偿部分不予考虑，后续将对这部分引起的测量不确定度进行计算。

由于标准球-被测轴承球0直径理论差值与实际测得的差值成一定的比例关系，即

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2}{\sqrt{2}+1}{\mathrm{\ϵ}}^{\′}={\mathrm{\α\ϵ}}^{\′}$

将比例系数α称为直径差相关系数，则有

$\mathrm{\α}=\frac{2}{\sqrt{2}+1}$

可以运用误差补偿中的误差修正技术进行滞后误差补偿，即先进行测量，再利用一定的手段将实测的标准球-被测轴承球0直径差乘以直径相关系数α作为最后的测量结果输出，这样便可以有效的降低误差，使测值更加接近理论真实值。如图9。

测量误差分析

轴承球水平定位基准偏差引起的测量不确定度

可能对球测点位置定位产生误差的因素来源于球水平定位误差，该误差可分解为沿球运动方向及沿运动方向垂直方向。由于单一方向上的球窝位置误差造成的测量误差原理类似，故计算时只需考虑一种。若同时存在两种位置误差则需要将误差距离叠加。下面仅以沿运动方向球窝位置加工误差对测量结果造成的影响为例进行分析。

图10是高精度定位V型块8对被测轴承球0定位沿球运动方向有偏差时测量误差产生的原理图。为使理论推导在单一因素下进行，假定小球底部与球窝接触的高度不变。显然，在这种情况下，标准球-被测轴承球0直径真实差值即为

x-X=2(R-r)

式中R-标准球理论半径；

r-被测轴承球0理论半径。

如图5，当球定位不准确造成了球在测量过程中并没有使激光测头发出的激光照射在其最高点上，此时，实测的激光着点产生的相对偏差将不能真正反映出真实的球径偏差，这势必对测值准确性产生影响。

现以标准球进行推导，由于

∠O′OB=π/2

故有，线段OB长即为实测球径，即

$\mathrm{OB}=R^{\′}=\sqrt{R^2-z^2}$

R′为标准轴承球实测半径值，即在有水平定位误差时的实测标准球直径为

$D^{\′}=R+R^{\′}=R+\sqrt{R^2-z^2}$

其中z为球窝位置误差。此时若一个直径为r的被测轴承球0与标准球进行对比，便可以推导出实测的标准球-被测轴承球0直径差

${\mathrm{\ϵ}}_B=D^{\′}-d^{\′}=(R+R^{\′})-(r+r^{\′})=(R-r)+(\sqrt{R^2-z^2}-\sqrt{r^2-z^2})$

其中D′为标准球实测直径，d′为被测轴承球0实测直径，r′为被测轴承球0实测半径。

根据上式，可以推导出在此种情况下的相对误差为

$1-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_B}{D-d}=1-\frac{(R-r)+(\sqrt{R^2-z^2}-\sqrt{r^2-z^2})}{2(R-r)}\frac{(R-r)-(\sqrt{R^2-z^2}-\sqrt{r^2-z^2})}{2(R-r)}$

由于在对球测量点定位时，采用高精度的二维位移平台，其位移精度为0.01mm，即z最大为0.01mm，以测量10mm的小球为例，即有

r/500≤z≤R/500

现对式，进行简单计算，推导出相对误差在此种情况下的最大值

$\frac{(R-r)-(\sqrt{R^2-z^2}-\sqrt{r^2-z^2})}{2(R-r)}\≤\frac{1}{2}(\frac{R-r}{R-r}-\frac{\sqrt{R^2-{\left(0.002R\right)}^2}-\sqrt{r^2-{\left(0.002r\right)}^2}}{R-r})$

$=\frac{1}{2}(\frac{R-r}{R-r}-\frac{\sqrt{1-{0.002}^2}R-\sqrt{1^2-{0.002}^2}r}{R-r})$

$=\frac{1}{2}(1-\sqrt{1-{0.002}^2})=0.0001\%$

可见，单一的球测点定位误差对最终的测量结果影响甚微，可忽略不计。

轴承球圆度引起的测量不确定度

由于本设备采用的是动态测量方式，即小球滚动到激光发射器附近时进行测量，所以小球滚动时与V型槽面接触表面球度及粗糙度都将对小球顶端最高点的高度，即对最终的实测值产生影响。

图11即描述了轴承球圆度对测量精度的影响原理。图中虚线为同一轴承球因圆度造成其余V型定位块内壁切点变化进而引起的激光测头测量出此球球径的最小值，粗实线为激光测头测量的此球球径的最大值，二者差为ΔS。然而，轴承球圆度即为最大内切圆与最小外接圆半径之差即图中ΔS。查阅相关标准，结合本实验室的轴承球精度等级，相关标准数值如表1。

表1轴承球等级评价标准

每一次无论标准球测量还是被测轴承球0测量，其测量结果受圆度影响为最大内切圆与最小外接圆两圆半径差，即为球直径变动量最大值的一半，而本设备采取的是相对测量，即在两次相对测量时，得出的球径差受球度影响恰巧为球直径变动量的最大值。同理，粗糙度造成影响在两次相对测量中，产生最大影响即为最大的粗糙度Ra值。因而，球直径变动与表面粗糙度相加即为此因素下对测量造成的不确定度的影响。计算针对两种精度等级的球，在此种因素下的最大不确定度为

f₃=0.08+0.012=0.092μm

f₅=0.13+0.02=0.15μm

动态测量引起的测量不确定度

如图6，动态测量即使被测轴承球0从高精度V型块自由滚下，当滚动经过激光测量点附近时，位移传感器进行快速多次测量（测量周期最低可达到20μs），经过一些列控制器内部处理，将被测轴承球0与测头两者间的距离的最小值记录下来。由于测量是在运动的过程中完成的，故动态测量可大幅的提高测量效率。

由于测量极值保持模式只是保持了激光测头与被测轴承球0距离的所有测值中的最小值，且测量为周期性取值，故运动速度势必影响到测点是否能够包含小球与激光测头间真实的最小值，即运动速度将对测量精度造成影响。

被测轴承球0是在有一定坡度的高精度V型槽上滑下，为使误差分析明了，可将其运动分解为竖直方向及水平方向上的运动。分别考虑两方向上的运动对测值的影响。以下为测量系统部分的重要参数列表。

表2测量部件参数

由于测点位于小球自由滚动所沿斜面10mm处位置，故首先计算小球在运动在此处时的瞬时速度。

首先，规定斜坡的斜度为θ，且假定高精度V型槽表面光滑无摩擦损耗。故根据动能定理有

$\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=\mathrm{mgl}\sin \mathrm{\θ}$

解出在测试点的瞬时速度为

$v=\sqrt{2\mathrm{gl}\sin \mathrm{\θ}}$

在进行单一方向运动对测值影响时，由于测量为周期性进行，故只须考虑在相邻量周期内单一方向运动对竖直方向造成的下降高度。

（1）竖直方向上的运动对测值的影响

根据上面的论述，在计算竖直运动对测值的影响时考虑，在相邻量周期内小球在竖直方向上下降了多少。如图12和图13。

分解到竖直方向的速度为

v_⊥=vsinθ

在一个周期内，小球因竖直方向上的运动，下降高度为

l_⊥=v_⊥t+g sinθt²

但由于g sinθt²为关于微小量t的高阶无穷小，所以在相邻两测量周期内，下降距离只需用v_⊥进行计算，亦即

$l_{\⊥}\≈v_{\⊥}t=\mathrm{vt}\sin \mathrm{\θ}=t\sin \mathrm{\θ}\sqrt{2\mathrm{gl}\sin \mathrm{\θ}}$

（2）水平方向上的运动对测值的影响

动态测量球面点与激光发生器最近距离时，水平速度也将产生竖直方向上测点高度的偏差。下面进行此部分计算。

水平速度为

v_→=vcosθ

水平的运动也将影响到取样点是否能包括小球的顶点。在一个周期内，小球水平运动的距离为

$l_{\→}=v_{\→}t=\mathrm{vt}\cos \mathrm{\θ}=t\cos \mathrm{\θ}\sqrt{2\mathrm{gl}\sin \mathrm{\θ}}$

因此计算出，水平运动对测值造成的最大误差为

$l_{\_}=R-\sqrt{R^2-{l_{\→}}^2}=R-\sqrt{R^2-2\sin \mathrm{\θ}{\cos }^2{\mathrm{\θglt}}^2}$

（3）测量定位平台斜面的设计

为保证测量精度，分配进行动态测量时的最大误差不超过0.1μm。

将竖直、水平运动对测值的影响叠加在一起，求出动态测量的总误差为：

现对上式，分析动态测量总误差Δ^□随各因素变化的趋势：

1)Δ^□受t影响。显然，Δ^□随采样周期t增大而增大；

2)Δ^□受R影响。将Δ^□对R求导发现导数恒小于0，即Δ^□随R值的增大而减小；

3)Δ^□受θ影响。将Δ^□对θ求导数，发现导数大于零，即动态测量总误差随θ增大而增大。分别在小球运动中，其竖直方向在相邻采样周期内下降的距离即为球重心在竖直方向上下降的距离，而水平方向的运动造成的影响是由于水平运动在相邻周期内导致的光斑划过的圆弧在竖直方向上的差值。

由上述内容可看出，竖直方向上的运动对最终的动态测量总误差贡献量更直接，所以在设计斜面时应尽量减小斜面角度。故现在设计将滚动的轴承球的测量位置从斜面变为水平放置的V型块，而由可调节角度的角度进给装置提供小球下落时的初速度。

此时，设计摇臂将小球在位于角度进给器与V型定位块10mm处放下，自由下落到水平V型块测量点附近开始测量。在此结构下，动态测量总误差为可以考虑仅为水平运动引起，即

其中α为斜面倾斜角度。为保证设计的可靠型，根据动态测量误差随R递减的事实，选择球径中最小的以直径为10mm的轴承球为例计算出动态测量误差Δ^□的最大值。不考虑沿程小球滚动时的能量损失，故在测量出小球的水平速度引起的误差为：

通过计算，以20μs的测量间隔为例，为使动态测量误差满足设计要求，斜面倾角范围为α≤900都满足条件。

本设计的试验台，α选为5°，同样以测量直径10mm的小球，采样间隔为100μs为例计算出动态测量误差的最大值为：

激光光斑直径引起的测量不确定度

本轴承球精密测量部分采用的测量装置为KEYENCE出品的LK-G10高精度CCD激光位移传感器。在之前的分析过程中，始终假设激光测头发出的激光为没有直径的射线，而事实上，激光束为带有一定直径的射线。根据公司提供的产品说明书，与测量相关的参数见表3。

表3LK-G10系列激光位移传感器参数表

由于激光并非没有直径，这就造成CCD在接受反射光信号时，光线是从光束中心位置反射回来还是从光束边缘位置反射回来的不确定性将造成误差。

假设激光束直径d″=20μm，被测轴承球0直径为D。

作光束轴截面图，光斑边缘线点为AC，光斑中心着点为B，连接AC有AC⊥OB，垂足为D。则线段AD长度为

$\mathrm{AD}=\frac{1}{2}\sqrt{D^2-{d^{\′\′}}^2}$

在此引入光斑对应的圆心角α，故有

$\sin \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)=\frac{d^{\′\′}}{D}$

故由于光斑直径造成反光点位置的偏差造成的误差为

$l=R-\mathrm{OD}=\frac{1}{2}(D-\sqrt{D^2-{d^{\′\′}}^2})=\frac{D}{2}\{1-\cos \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)\}$

误差l对D求导数小于0，即l为D的减函数，参照所测量的小球一般大于10mm，故下面计算此因素引起的最大误差，即取D=10mm，故有

$l=R-\mathrm{OD}=\frac{1}{2}(D-\sqrt{D^2-{d^{\′\′}}^2})=\frac{1}{2}(10-\sqrt{{10}^2-{0.02}^2})=1\×{10}^{-5}\mathrm{mm}=0.01\mathrm{\μm}$

由此可见，此因素引起的测量结果不确定度比较可观。

机械振动及位移传感器测值波动引起的测量不确定度

除上文所分析到的测量部件系统误差之外，随机测量误差的出现也会对测量最终的精度产生影响。分析这部分误差，发现此部分误差主要来源于两方面，即激光测头测值波动以及机械振动对测量部件对测量产生的影响。而两部分随机误差大多叠加在一起同时发生，所以需要通过实验，来测量出这种耦合误差的峰值。

测量稳定性实验：是利用CCD激光位移传感器对已经定位完全的标准球在一段时间内进行单点多次重复采样，以检验测头-工件系统的稳定性。

由于LK-G10系列的激光测量传感器9的解析度为0.02μm，故剩下的数值波动峰值考虑为机械振动引起的测量误差。对于此部分，可采取一定的隔振及阻尼添加技术将其影响降至最低。

测量部件误差校核

通过以上的分析，已经基本掌握了系统误差、测量不确定度的来源和大小，并对该设备的测量系统误差提出了误差补偿方案，即该系统的系统误差已基本得到了消除，下面将对测量部件整体的测量不确定度大小进行校核计算。

经过误差补偿之后，轴承球直径精密测量部分的误差包括：轴承球水平定位基准不确定度ε_B、轴承球圆度f、动态测量不确定度Δ^□、激光光斑直径对测量精度的影响l以及测值波动不确定度P，由于第一项数值较小，故忽略不计。因而，测量部件的误差之和为

U_D-U_d=f+Δ^～+l+P

带入数据后，分别针对3级轴承球和5级轴承球计算得出不确定度最大值。3级球不确定度最大值为

(U_d-U_D)₃＝0.092+0.0174+0.01+0.06=0.1794μm

5级球不确定度最大值为

(U_D-U_d)₅＝0.15+0.0174+0.01+0.06=0.2374μm

通过计算，针对两种轴承球均不超过重复测量精度小于0.3μm的设计要求。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (10)

1.可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置，其特征在于它包括上料单元、测量单元和下料单元；

上料单元，用于将被测轴承球(0)投放到测量单元上；

测量单元，用于测量被测轴承球(0)的直径；

下料单元，用于根据被测轴承球(0)的测量直径进行分组；

其中，上料单元包括半球形储料仓(1)、顶球杆(2)、直线电机(3)、吸嘴(5)和摇臂(4)；测量单元包括角度调节器(7)、高精度定位V型块(8)、激光测量传感器(9)和接球管路(10)；下料单元包括多个归属槽(11)和运动控制系统驱动转台(12)；

半球形储料仓(1)，用于储存被测轴承球(0)，

顶球杆(2)，用于在直线电机(3)的推动下将半球形储料仓(1)底部的存储的被测轴承球(0)中的一个推至到吸嘴(5)所能吸附的高度；

直线电机(3)，用于带动顶球杆(2)做往复运动；

摇臂(4)，用于在顶球杆(2)上方与角度调节器(7)的V型滚道的上方之间移动吸嘴(5)；

吸嘴(5)，用于吸附顶球杆(2)顶部的被测轴承球(0)，并在达到角度调节器(7)的V型滚道的上方后释放被测轴承球(0)，

角度调节器(7)，用于赋予被测轴承球(0)初速度，角度调节器(7)的V型滚道倾斜至设定角度，从吸嘴(5)上下落的被测轴承球(0)沿倾斜的V型滚道滚动，使得被测轴承球(0)得到初速度；角度调节器(7)的V型滚道与高精度定位V型块(8)的V型轨道对接，并且所述的V型滚道的轴承球出口与所述的V型轨道的轴承球入口连接，

高精度定位V型块(8)，用于限定被测轴承球(0)的移动轨迹，

激光测量传感器(9)，用于测量在高精度定位V型块(8)的V型轨道上滚动的被测轴承球(0)的直径，

接球管路(10)，用于将被测轴承球(0)引导至归属槽(11)中；

若干个归属槽(11)，用于装载不同直径的被测轴承球(0)，若干个归属槽(11)分为若干个组，每个归属槽(11)作为一个相同直径的被测轴承球(0)的一个分组；

运动控制系统驱动转台(12)，用于根据被测轴承球(0)的直径将对应直径的归属槽(11)的轴承球入口转动到接球管路(10)的轴承球出口下方。

2.根据权利要求1所述的可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置，其特征在于顶球杆(2)的顶端设置有半圆形凹槽，所述凹槽口侧壁厚度为1mm，顶球杆(2)的底端与直线电机(3)的动力输出端连接。

3.根据权利要求1或2所述的可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置，其特征在于摇臂(4)包括旋转臂、转轴和转动电机，吸嘴(5)固定在摇臂(4)的旋转臂底面的一端上，所述旋转臂底面的另一端固定在摇臂(4)的转轴的顶部，转轴的底部与转动电机的动力输出轴连接，转动电机，用于带动旋转臂在水平方向转动。

4.根据权利要求3所述的可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置，其特征在于吸嘴(5)包括开口向下的凹槽和负压泵，开口向下的凹槽，用于嵌放被测轴承球(0)，负压泵，用于给被测轴承球(0)一个吸附力，使其固定在开口向下的凹槽中。

5.根据权利要求1、2或4所述的可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置，其特征在于它还包括升降台(6)；升降台(6)，用于调整被测轴承球(0)与角度调节器(7)的V型滚道之间垂直方向上的距离。

6.根据权利要求5所述的可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置，其特征在于它还包括接球漏斗(14)；接球漏斗(14)，用于缩小被测轴承球(0)的下落范围，接球漏斗(14)的上端大端口位于接球管路(10)的出球口的下方，接球漏斗(14)的下端小端口位于归属槽(11)的入球口的上方。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置，其特征在于它还包括隔球板(15)和隔球电机(16)；隔球板(15)，用于准确顺利的将被测轴承球(0)导入到归属槽(11)中，隔球板(15)的前端上表面上设置有倾斜向下的滑道，隔球板(15)的后端与隔球电机(16)的动力输出端连接，隔球电机(16)，用于移动隔球板(15)的位置。

8.根据权利要求7所述的可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置，其特征在于它还包括安装台(13)，安装台(13)分为上台面和下台面，半球形储料仓(1)、摇臂(4)、角度调节器(7)、高精度定位V型块(8)、激光测量传感器(9)、接球管路(10)、接球漏斗(14)、隔球板(15)和隔球电机(16)设置在上台面上，直线电机(3)、升降台(6)、归属槽(11)和运动控制系统驱动转台(12)设置在下台面上。

9.根据权利要求7所述的可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置，其特征在于它还包括安装台(13)、橡胶阻尼片(17)和防震动台面(18)，安装台(13)分为上台面和下台面，半球形储料仓(1)、摇臂(4)、设置在上台面上，防震动台面(18)也位于上台面上，橡胶阻尼片(17)设置在防震动台面(18)与上台面之间，角度调节器(7)、高精度定位V型块(8)、激光测量传感器(9)、接球管路(10)、接球漏斗(14)、隔球板(15)和隔球电机(16)设置在防震动台面(18)上，橡胶阻尼片(17)，用于吸收机械振动，直线电机(3)、升降台(6)、归属槽(11)和运动控制系统驱动转台(12)设置在下台面上。

10.根据权利要求1、2、4、6、8或9所述的可对轴承球直径实现动态非接触精密测量的分组装置，其特征在于它还包括二维位移平台19和三维位移平台20；二维位移平台19，用于调整高精度定位V型块(8)水平面上的位置，三维位移平台20，用于调整激光测量传感器(9)的位置，使得激光采集点对准被测轴承球(0)的球面最高点。

Images