CN102679904B - 回转体零件的测量方法及测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转体零件的测量方法及测量仪，测量仪包括底座及固定在底座上的立柱、竖向导向移动装配于立柱上的光学测头，底座上于光学测头下方对应设有用于放置并旋转零件的工作台，工作台包括自下而上设置的回转台、角位移调整台，角位移调整台包括第一、二角位移台，第一、二角位移台分别包括第一、二偏摆平台，第一、二偏摆平台转动时所绕的偏摆轴线相互垂直且均与光学测头的光幕所在平面平行。本发明的测量仪中的角位移调整台，采用转动驱动机构分别驱动两个角位移台绕着与平行光源的光幕所在平面平行的偏摆轴线的偏摆，实现工作台偏摆角度的正交耦合调节，能够准确捕捉工件的空间位姿，保证对零件的精确定位及测量。

Description

回转体零件的测量方法及测量仪

技术领域：

本发明涉及精密检测技术领域。

背景技术：

为实现回转体零件外形尺寸的测量，现有技术中存在有使用平行光源和CCD图像传感器构成的光学测量头对零件的轮廓数据进行无接触测量的方法，如中国专利公开号CN 101629816A公开的一种测量方法，该方法依赖一个回转工作台实现对工件的旋转，该回转工作台具体采用轴和轴套的转动配合的结构实现工作台上放置的工件的旋转，无法实现对零件摆正(保证零件轴线与测头光幕相垂直)的精确调节。目前，公知的工作台调整装置大多通过楔形块或蜗轮蜗杆机构，借助于水平仪或者标准件加仪器本身的读数结果来实现对工作台的水平调整，且绝大多数仅能实现在一维方向上的水平调整。对于非接触式光学测量设备，由于调整过程中会使样件在竖直方向上的移动，也必然引入调整误差，从而导致调整精度不高。一维方向上的调平，无法保证工作台的整体水平；同时对于回转类被测零件，要求其回转轴线呈竖直状态摆放的测量仪器，上述调整工作台都无法实现。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种通过调节能够使被测回转体零件的回转轴线与光测头的光幕所在平面垂直的测量仪。本发明的另一个目的是提供一种保证被测回转体零件的回转轴线与光测头的光幕所在平面垂直的测量方法。

本发明的测量仪的技术方案是：一种测量仪，包括底座及固定在底座上的立柱，立柱上沿竖向导向移动装配有光学测头，底座上于光学测头下方对应设有用于放置并旋转零件的工作台，光学测头包括形成光幕的平行光源和与平行光源相对的CCD图像传感器，立柱上设有获取光学测头轴向位移量的光栅尺，工作台包括自下而上设置的回转台、角位移调整台，角位移调整台包括用于调节零件轴线与光学测头的光幕相垂直的第一、二角位移台，角位移调整台的顶部设有零件放置平面，第一角位移台包括与回转台固定连接的第一台座、转动装配于第一台座上的第一偏摆平台、设置于第一台座与第一偏摆平台之间的用于驱动第一偏摆平台绕相应的偏摆轴线转动的第一转动驱动机构，第二角位移台包括与第一偏摆平台固定连接的第二台座、转动装配于第二台座上的第二偏摆平台、设置于第二台座与第二偏摆平台之间的用于驱动第二偏摆平台绕相应的偏摆轴线转动的第二转动驱动机构，第一、二偏摆平台转动时所绕的偏摆轴线相互垂直且均与光学测头的光幕所在平面平行。

所述第一、二转动驱动机构均为蜗轮蜗杆机构，第一台座与第一偏摆平台通过两者之间对应设置的一对沿弧线方向延伸的弧线燕尾导轨和弧线燕尾槽导向滑动配合，第二台座与第二偏摆平台通过两者之间对应设置的一对沿弧线方向延伸的弧线燕尾导轨和弧线燕尾槽导向滑动配合，上述相应的弧线燕尾导轨与弧线燕尾槽的导向滑动轨迹分别是以对应的蜗轮蜗杆机构中的蜗轮的轴线为圆心的圆弧线以使各角位移台的蜗轮的转动轴线即为各偏摆平台转动时所绕的偏摆轴线，第一、二偏摆平台转动时所绕的偏摆轴线均与回转台的转动轴线相交于O点，O点同时落在于零件放置平面上。

所述角位移台顶部设有支撑零件的垫铁，所述零件放置平面为垫铁的顶面。

本发明的一种回转体零件测量方法，包括以下步骤：

(1)将零件以回转轴线呈竖立状态放置在测量仪的零件放置平面上；

(2)使第一偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第一偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向尺寸最小时停止调节而实现零件回转轴线在第一偏摆平台的摆正；使第二偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第二偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向尺寸最小时停止调节而实现零件回转轴线在第二偏摆平台的摆正；

(3)驱动光学测头竖向移动，对零件扫测量，获得不同高度的截面径向尺寸。

本发明的另一种的回转体零件测量方法，包括以下步骤：

(1)使用水平仪配合测量仪调节第一、第二偏摆平台，将测量仪的零件放置平面调整为与光学测头的光幕所在平面平行，即为水平面；

(2)将零件以回转轴线呈竖立状态放置在测量仪的零件放置平面上，在放置平面上移动零件对零件底端端面的形心与所述O点进行定心；；

(3)使第一偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第一偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向尺寸最小时停止调节而实现零件回转轴线在第一偏摆平台的摆正；使第二偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第二偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向尺寸最小时停止调节而实现零件回转轴线在第二偏摆平台的摆正；

(4)驱动光学测头竖向移动，对零件扫测量，获得不同高度的截面径向尺寸。

本发明的测量仪中的角位移调整台，采用转动驱动机构分别驱动两个角位移台绕着与平行光源的光幕所在平面平行的偏摆轴线(X、Y方向)的偏摆，实现工作台偏摆角度的正交耦合调节，能够准确捕捉工件的空间位姿，保证对零件的精确定位及测量，采用该角位移调整台的工作台的调整方式对于采用非接触式光幕测量仪器以及回转类被测零件端平面与回转轴线没有垂直度要求时具有显著的优点。它无需借助其它高精度检验装置即可实现被测零件的摆正，且调整方便，速度快。

附图说明：

图1是本发明测量方法实施例所检测的球面滚子的结构示意图；

图2是本发明的测量仪的实施例的结构示意图；

图3是图2中的回转台及角位移调整台的结构示意图；

图4是图3的左视图；

图5是用于本发明的测量方法实施例中对零件误差做放大处理的示意图；

图6是本发明的测量方法的进行摆正调节的原理图；

图7是图6调节完成后的示意图。

具体实施方式：

本发明的测量仪的实施例如图2-图4所示，包括底座1及固定在底座1上的立柱5，立柱5上沿竖向导向移动装配有光学测头3，立柱5顶端装配有驱动光学测头3沿竖向往复移动的电动平移台4，底座1上于光学测头3下方对应设有用于放置并旋转零件的工作台。工作台包括自下而上设置的回转台6、角位移调整台2，回转台6顶部的转台绕其竖向的转轴61的轴线回转，转轴61采用精密B级轴承支承，并通过弹簧顶起钢球与相应定位凹坑配合而成的定位机构7按90°分度，另外在底座1上还设有测量光学测头3的竖向移动距离的光栅尺，光学测头3采用常规的LED光源和远心透镜构成平行光源，平行光源发射出的光线形成对零件进行扫描的光幕，并设置与光源相对的HL-CCD。回转台、光学测头及光栅尺的均属于现有技术，本发明的主要改进在于回转台6上的角位移调整台2。如图3所示，角位移调整台2包括第一、第二角位移台21、22。每个角位移台均包括蜗轮蜗杆副结构的驱动机构及与蜗轮连接的偏摆平台，第一角位移台21包括通过螺栓与回转台6固定连接的第一台座211，第一台座211中部通过轴承转动装配有轴向沿水平方向延伸的第一蜗杆212，第一台座211上一体设有分布于第一蜗杆212的两侧的导向方向沿弧线方向延伸的弧线燕尾导轨，第一偏摆平台213通过与弧线燕尾导轨导向滑动配合的弧线燕尾槽导向移动装配于下第一台座211上，第一偏摆平台213的底部设有与所述第一蜗杆212啮合传动配合的第一蜗轮214，第二角位移台22包括通过螺栓与第一偏摆平台213固定连接的第二台座221，第二台座221中部通过轴承转动装配有轴向沿水平方向延伸的第二蜗杆222，第二台座221上一体设有分布于第二蜗杆222的两侧的导向方向沿弧线方向延伸的弧线燕尾导轨，第二偏摆平台223通过与弧线燕尾导轨导向滑动配合的弧线燕尾槽导向移动装配于下第二台座221上，第二偏摆平台223的底部设有与所述第二蜗杆222啮合传动配合的第二蜗轮224，上述相应的弧线燕尾导轨与弧线燕尾槽的导向滑动轨迹分别是以对应的蜗轮蜗杆机构中的蜗轮的轴线为圆心的圆弧线，使得偏摆平台的转动动作可以由旋转蜗杆进行调节，从而各角位移台的蜗轮的转动轴线即为各偏摆平台转动时的偏摆轴线，由于第一、二蜗轮均只有整个蜗轮圆周底部的一小部分，因此各蜗轮的轴线(即偏摆平台的偏摆轴线)均处于高于各偏摆平台上方，因此通过第一、二蜗轮的直径大小的匹配设计以及角位移台上各部件高度尺寸的配合，可以将第一、二蜗轮的转动轴线设置成相交并垂直，在本实施例中，第一、二偏摆平台213、223的偏摆轴线(即第一、二蜗轮的轴线)垂直相交且均与光学测头的光幕所在平面平行，并且第一、二偏摆平台213、223的偏摆轴线与回转台6的转动轴线相交。蜗轮蜗杆驱动机构采用各蜗杆上的手动旋钮转动调节蜗杆实现，每个角位移台可调整的角度范围为：±10°/15°，角度最小调整量为3″，两个角位移台组合后可进行正交双轴同心旋转调整；角位移调整台的顶部设有垫铁8，垫铁8作为被测零件9的支撑台而具有零件放置平面，垫铁22的高度由角位移台2的整体的偏摆中心高度及被测零件高度范围选择，在本实施例中，垫铁22可以认为是角位移台2的组件之一。当然在本发明的其他实施例中，角位移调整台上也可以于第二偏摆平台上直接一体或固定设置零件放置平面。

而且如图6、图7所示，本实施例通过上述的蜗轮实际轴线高于各偏摆平台的设计，将第一、二偏摆平台213、223的偏摆轴线的交点O(同时也是与回转台转动轴线相交的交点)落在于零件放置平面所在的平面上，这样做的作用在于使得零件回转轴线能够在角位移台调整后与工作台轴线重合，从而使得零件坐标的Z轴只有一根，从而便于测量的计算。当然在发明的其他实施例中，当不需要零件的回转轴线与工作台的转动轴线严格重合时，也可以通过增加对零件在回转时的不同的Z轴(零件回转轴线方向)的X\Y向(零件径向)坐标修正计算实现测量，而这些实施例中的第一、二偏摆平台的偏摆轴线仅需要垂直，而不需要相互相交以及与回转轴线的相交和落在零件放置平面上，这些实施例中也可以采用其他的常规转动调节机构进行偏摆平台的调节，如采用凸轮机构，连杆机构，滑块机构等。

本发明的采用上述测量仪实施的测量方法的实施例，被测零件为图1所示的一种应用于轴承中的球面滚子，该零件是以图1所示截面绕竖向延伸的回转轴线回转而成的回转体，该球面滚子轴向为带有凸度的腰鼓型，其纵切面两侧截线为圆弧，顶端面为一具有较大直径的切顶球面，且球顶点为空间虚点，球冠厚度尺寸较小，仅为几十um到上百um，下端为一平面，与滚子轴线(回转轴线)无垂直度要求。现有技术中根据滚子的结构及尺寸控制条件，对其要求检测的参数有：L---滚子外轮廓的最大直径；R---滚子侧圆弧半径；SR---滚子的顶圆半径；H---最大直径水平坐标到球面滚子顶部截圆顶端距离。

测量方法包括以下步骤，其摆正的原理图如图5、图6、图7所示，图中10为回转台6的转动轴线，11为回转体零件的回转轴线、12为光学测头光幕的所在平面、13为零件放置平面，为方便理解，在图5-图7中将该零件回转轴线与其下端的球面滚子小端的平面之间的垂直度误差进行了放大。

1)使用水平仪配合测量仪调节第一、第二偏摆平台，将测量仪的零件放置平面调整为与光学测头的光幕所在平面平行，即为水平面，

2)将回转体零件(球面滚子)以小端的平面放置在测量仪的零件放置平面上；

3)将第一、第二偏摆平台的偏摆轴线与回转台转动轴线的共同交点定义为O点，在放置平面上移动零件对零件底端端面的形心与O点进行定心，如图6所示，使零件回转轴线与回转台6的转动轴线相交于O点，这时由光学测头测得零件的径向尺寸为D，通过转动回转台6，使第一偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第一偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向最小尺寸D’时停止调节而实现零件回转轴线在第一偏摆平台的摆正；然后90°旋转回转台6，使第二偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第二偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向最小尺寸时停止调节而实现零件回转轴线在第二偏摆平台的摆正；

4)驱动光学测头上下移动，实现对回转体零件(球面滚子)的平扫测量，得到各扫描截面的径向尺寸，进而得到被测回转体零件(球面滚子)的最大直径L；回转体零件(球面滚子)相对于光学测头的轴向位移由安装于立柱上的光栅尺获取，通过对测量原始数据进行处理，计算出球端面球顶点的回转体零件(球面滚子)轴向(Z向)坐标，最终得到最大直径到球形端面虚拟球顶点的距离。

当然，正如上述的测量仪的实施例中所介绍的本发明的测量仪存在一些其他实施方式，本发明的测量方式自然也存在与测量仪相应的其他实施方式，当不需要测量时零件回转轴线与回转台转动轴线的严格重合时，在测量方法的实施例中，可以省去对开始时对零件放置平面的水平调整以及之后对零件回转轴线与所述O点重合的定心调整步骤。本发明的测量方法的实施例如下：

(1)将零件以回转轴线呈竖立状态放置在角位移调整台顶部；

(2)使第一偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第一偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向尺寸最小时停止调节而实现零件回转轴线在第一偏摆平台的摆正；使第二偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第二偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向尺寸最小时停止调节而实现零件回转轴线在第二偏摆平台的摆正；

(3)驱动光学测头竖向移动，对零件扫测量，获得不同高度的截面径向尺寸。

Claims (5)

1.一种回转体零件的测量仪，包括底座及固定在底座上的立柱，立柱上沿竖向导向移动装配有光学测头，底座上于光学测头下方对应设有用于放置并旋转零件的工作台，光学测头包括形成光幕的平行光源和与平行光源相对的CCD图像传感器，立柱上设有获取光学测头轴向位移量的光栅尺，其特征在于，工作台包括自下而上设置的回转台、角位移调整台，回转台顶部的转台绕其竖向的转轴的轴线回转，角位移调整台包括用于调节零件轴线与光学测头的光幕相垂直的第一、二角位移台,角位移调整台的顶部设有零件放置平面，第一角位移台包括与回转台固定连接的第一台座、转动装配于第一台座上的第一偏摆平台、设置于第一台座与第一偏摆平台之间的用于驱动第一偏摆平台绕相应的偏摆轴线转动的第一转动驱动机构，第二角位移台包括与第一偏摆平台固定连接的第二台座、转动装配于第二台座上的第二偏摆平台、设置于第二台座与第二偏摆平台之间的用于驱动第二偏摆平台绕相应的偏摆轴线转动的第二转动驱动机构，第一、二偏摆平台转动时所绕的偏摆轴线相互垂直且均与光学测头的光幕所在平面平行。

2.根据权利要求1所述的回转体零件的测量仪，其特征在于：所述第一、二转动驱动机构均为蜗轮蜗杆机构，第一台座与第一偏摆平台通过两者之间对应设置的一对沿弧线方向延伸的弧线燕尾导轨和弧线燕尾槽导向滑动配合，第二台座与第二偏摆平台通过两者之间对应设置的一对沿弧线方向延伸的弧线燕尾导轨和弧线燕尾槽导向滑动配合，上述相应的弧线燕尾导轨与弧线燕尾槽的导向滑动轨迹分别是以对应的蜗轮蜗杆机构中的蜗轮的轴线为圆心的圆弧线以使各角位移台的蜗轮的转动轴线即为各偏摆平台转动时所绕的偏摆轴线，第一、二偏摆平台转动时所绕的偏摆轴线均与回转台的转动轴线相交于O点，O点同时落在于零件放置平面上。

3.根据权利要求1或2所述的回转体零件的测量仪，其特征在于：所述角位移台顶部设有支撑零件的垫铁，所述零件放置平面为垫铁的顶面。

4.一种使用如权利要求1所述测量仪的回转体零件测量方法，包括以下步骤：

(1)将零件以回转轴线呈竖立状态放置在测量仪的零件放置平面上；

(2)使第一偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第一偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向尺寸最小时停止调节而实现零件回转轴线在第一偏摆平台的摆正；使第二偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第二偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向尺寸最小时停止调节而实现零件回转轴线在第二偏摆平台的摆正；

(3)驱动光学测头竖向移动，对零件扫测量，获得不同高度的截面径向尺寸。

5.一种使用如权利要求2所述测量仪的回转体零件测量方法，其特征在于：

(1)使用水平仪配合测量仪调节第一、第二偏摆平台，将测量仪的零件放置平面调整为与光学测头的光幕所在平面平行，即为水平面；

(2)将零件以回转轴线呈竖立状态放置在测量仪的零件放置平面上，在放置平面上移动零件对零件底端端面的形心与所述O点进行定心；

(3)使第一偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第一偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向尺寸最小时停止调节而实现零件回转轴线在第一偏摆平台的摆正；使第二偏摆平台的偏摆轴线与光学测头的平行光射出方向平行，一边用光学测头测量零件垂直于其回转轴线方向上的径向尺寸，一边对第二偏摆平台进行偏摆调节，直至用光学测头测量出的零件径向尺寸最小时停止调节而实现零件回转轴线在第二偏摆平台的摆正；

(4)驱动光学测头竖向移动，对零件扫测量，获得不同高度的截面径向尺寸。