CN106949849A - 基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法。激光干涉仪产生球面光束；调心装置调整球心位置，对准光束焦点；球面光束对球体表面进行扫描；拍照获取球体表面局部干涉图；生成球体局部表面形貌图；展开机构进行球面展开；重复第二步至第五步5‑20次，获取不同球体位置的表面形貌图；提取多幅局部表面形貌图特征点，拼接生成完整表面形貌平面图；完整表面形貌平面图转化为球面表面形貌图；表面形貌球面图进行球形误差评估。本发明能够在不接触球体的情况下，反应整个精密球体的球形误差，适合大批量采样检测，批一致性得到保证，满足高品质轴承球的检测与质量控制要求。

Description

基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法

技术领域

本发明涉及轴承球体的测量方法，尤其是涉及一种基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法。

背景技术

轴承是精密机械、仪器设备中的重要基础件，其精度对装备的总体性能有着重大影响。其中，轴承球作为轴承的关键基础元件，也是轴承最薄弱的环节，表面的缺陷诸如表面粗糙度、波度和形状误差都会导致大量热量的产生，进而导致产品的磨损和寿命减少。目前，高品质轴承球生产的主要问题是次品的检测与筛选。与表面缺陷相比，球形误差测量与评定方法还有待完善，主要是因为球体面形测量难度大，大多方法基于圆周轮廓式测量原理，这与轴承滚动体在机械制造和机构理论中的作用是不相称的，所以轴承球球形误差测量与评定研究非常必要。企业要进入高端装备用精密轴承市场，轴承各元件的检测与质量控制是关键。轴承球表面每个区域都要达到精度要求，受限于检测方法，传统以线代面的检测方式漏检率高，无法满足高品质轴承球的检测与质量控制要求。因此，企业亟需一种可以对轴承球整个面形检测的新方法。

对于轴承滚动体的检测包括了表面缺陷检测和形状误差检测，国内外都有相关研究。表面缺陷的无损检测技术较为成熟，主要有：涡流检测、射线检测、超声波检测、渗透检测技术与光学显微镜下目检相结合、激光检测等。其中，激光检测法因其独特的优势，迅速发展起来，目前发展比较成熟的激光检测方法有：激光聚焦法、激光散射法、激光散斑法和暗区比测量法。每种检测方法都能够检测到一定尺寸和形态的表面和次表面缺陷，但无法反映形状误差情况。

其他检测方法有接触式测量，球体振动检测技术等。德国Mahr公司和英国TaylorHobson公司的粗糙度仪和圆度仪可以分别检测轴承滚动体的粗糙度和圆度，其原理是用一个很小的触针在被测表面上移动，获取表面粗糙度、波纹度、形状误差及其他一些形貌特征等综合信息，该方法每次只能在触针轨迹范围内进行检测，无法反映轴承滚动体整体质量，测量结果易受探针针头直径和形状的影响，不适用于在线测量；球体振动检测技术为目前比较常用的钢球质量检测技术，其原理是使用高精度旋转主轴带动被测钢球旋转，经压电加速度计拾取其振动信号，表征钢球表面的波度，综合反映单粒球体表面质量，包括了球体表面粗糙度，球形精度和尺寸相互差等，该方法在长期使用过程中表现出精密主轴容易发生故障，检测结果不稳定的情况。此外，上述两种方法虽可以测量形状误差，但属于有损检测，适合小批量采样检测，不适合大批量采样检测，批一致性也无法保证。

浙江工业大学的夏其表和天津大学的秦展田提出了球体研磨振动的在线检测，对精密球在研磨加工过程中的振动信号进行了测试和分析，其振动信号反映了球体整体质量，目前设备的在线检测精度还达不到离线检测的水平。

球面的形状误差检测方法有很多，如三点法、径向法、经圆测量法、样板法、全息法、光纤法、阴影法、标准球面法和激光干涉法等。前面三种方法本质上也是运用圆度测量系统和统计技术获得的一系列二维圆度误差来计算三维球形误差，后几种方法可以对整个面形进行检测。

合肥工业大学的唐海勇等人提出了基于气动测量的球形误差测量系统研究，将球体尺寸量转换成流量或压力的变化量，从而实现球形误差测量，该方法属于非接触无损检测，但并不能解决精密球体的球形误差测量；上海交通大学的刘冰提出了基于精密球面磨床的球度在位测量方法研究，应用先进的传感器技术设计了球度在位测量系统，适用于球阀等大球径球体测量；Claudio Ramirez使用相移矢量剪切干涉仪检测了球面光学元件的球形误差；Daodang Wang使用点衍射干涉技术以及SCHREINER R使用基于平移旋转的球面绝对检测技术对球面进行测量，可以实现近0.001λ的面形检测精度，进而极大地促进了光学表面加工精度的提高；Xinxue Ma使用相位变更方法与激光干涉仪结合，优化了光学球面镜面形误差评估计算方法。

上述方法中，激光干涉法应用最为广泛，主要应用于光学元件的面形检测，具有高分辨率、高准确度、高灵敏度和重复性好等优点。国内外已有相关产品对球面进行检测：美国ZYGO公司的GPI-HS激光干涉仪、德国XONOX公司的VT750立式球面/平面激光干涉仪、美国VEECO公司的NTI4000激光干涉仪等。

激光干涉检测技术在轴承检测应用方面，华中科技大学的孙艳玲研究了激光干涉接触式轴承表面轮廓综合测量技术；内蒙古科技大学的石炜采用白光干涉技术组建了一整套的基于迈克尔逊干涉仪的测量系统，对轴承球体进行了球面半径的高精度测量和粗糙度测量。上述两种方法并没有涉及轴承球形状误差的检测。哈尔滨工业大学的张帅采用CCD激光位移传感器，对轴承球进行被测球与标准球球径差自动测量，该方法虽可以对球形误差进行测量，但测量方式是球面单点采样测量，具有一定的随机性；河南科技大学的张毛焕采用绿色LED光源、HL-CCD光学系统与高速数字化处理模块相结合的数字一体化集成激光测头，建立基于光学三角测量法的滚子专用测量系统平台，实现了对小弧段、大半径的轴承球面滚子圆弧半径参数评定，但该检测方法精度为±2μm，而G3级球的球形误差为0.08μm。

综上所述，目前关于轴承球表面质量检测方面进行了多种方法的研究，并实现了使用激光干涉技术对轴承球表面粗糙度和球体直径的高效非接触式测量，激光干涉技术在轴承球球形误差检测应用方面还是基于圆周轮廓检测方法，在基于整个球面的轴承球球形误差测量应用方面尚不足，因此，研究一种非接触式、反应整个球体的球形误差、适合大批量采样检测方法具有积极的现实意义，它可以有效弥补传统检测方法的不足。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中尚未实现的基于整个球面的非接触式轴承球球形误差测量的问题，提供了一种非接触式、反应整个球体的球形误差、适合大批量采样的检测方法。能够保证轴承球表面每个区域都要达到精度要求，满足高品质轴承球的检测与质量控制要求。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明的一种基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法，包括以下步骤：

S1：激光干涉仪产生球面光束；

S2：调心装置调整球心位置，球心对准光束焦点；

S3：球面光束对球体表面进行扫描；

S4：拍照获取球体表面局部干涉图；

S5：生成球体局部表面形貌图；

S6：展开机构进行球面展开；

S7：重复S2-S5步骤5-20次，获取不同球体位置的表面形貌图；

S8：提取多幅局部表面形貌图特征点，拼接生成完整表面形貌平面图；

S9：将完整表面形貌平面图转化为表面形貌球面图；

S10：表面形貌球面图进行球形误差评估。

在本技术方案中，本发明通过激光干涉的手段来测量整个球体的球形误差，克服了传统接触式测量只能在触针轨迹范围内进行检测，无法反映轴承滚动体整体质量，测量结果易受探针针头直径和形状的影响，不适用于在线测量的问题。弥补了激光干涉技术在轴承球球形误差检测应用方面还是基于圆周轮廓检测方法，在基于整个球面的轴承球球形误差测量应用方面尚不足的问题，能够满足高品质轴承球的检测与质量控制要求。

所述步骤S1在激光干涉仪和被测球面之间设置球面透镜TS，球面透镜将干涉仪发出的平直光束变换成球面光束。

所述步骤S2调心装置调整球心位置包括以下步骤：

S21：采用激光作为光源，激光、第一柱面平凸透镜和反射镜构成光束对焦光路，固定光路系统与位置传感器的位置，移动工作台上工件反射的激光经第一柱面平凸透镜和第二柱面平凸透镜后照射在位置传感器上，位置传感器的信号经传感信号处理电路进行光电转换，并由电动机驱动电路驱动电机带动移动工作台移动，位置传感器光敏面上的激光光斑也随之变化，直至轴承球外表面位于物镜焦平面，此时完成对焦；

S22：被测工件通过装夹机构固定在测量平台上；回转台和测量平台通过调心装置连接，通过转动回转台，使得球心的位置和回转台中心的位置重合，球心对准光束焦点。

所述步骤S3、S4、S5中球面光束对调整好球心位置的轴承球球体表面进行扫描，由于球面光束法向入射到被测球面镜上后沿原路返回，进入干涉仪与参考光束发生干涉，拍照获取球体表面局部干涉图，进而生成球体局部表面形貌图。

作为一种优选方案，所述步骤S6展开机构可以采用双轴旋转或椭圆齿轮传动的方式进行球面展开，得到不同的球体位置。

所述步骤S7重复S2-S5步骤5-20次，获取不同球体位置的表面形貌图，实现轴承球球体的整体测量。

所述步骤S8在获取不同球体位置表面形貌图的基础上，提取多幅局部表面形貌图特征点，拼接生成完整表面形貌平面图。

所述步骤S9在获取完整表面形貌平面图的基础上，通过球面映射算法转化为表面形貌球面图。

所述步骤S10表面形貌球面图进行球形误差评估，在Matlab和Labview平台上对获取的表面形貌数据进行数据处理，所使用的算法包括最小包容区域法(MZS)、最小二乘球法(LSS)、最小外接球法(MCS)和最大内接球法(MIS)四种球形误差算法中的任意一种，进行球形误差评估。

本发明的实质性效果是实现整个球面的非接触式轴承球球形实时在线误差测量，实现轴承球面高精度展开，完成球面各区域球面干涉图的扫描测量并生成完整表面形貌图。基于图像拼接算法，实现各区域表面形貌图拼接，从而完成整个球面的球形测量，通过评价系统得到轴承球球形误差。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是球面激光干涉仪。

图3光束对焦原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：激光干涉仪产生球面光束。

S2：调心装置调整球心位置。

S3：球面光束对球体表面进行扫描。

S4：拍照获取球体表面局部干涉图。

S5：生成球体局部表面形貌图。

S6：展开机构进行球面展开。

S7：重复S2-S5步骤5-20次，获取不同球体位置的表面形貌图。

S8：提取多幅局部表面形貌图特征点，拼接生成完整表面形貌平面图。

S9：将完整表面形貌平面图转化为表面形貌球面图。

S10：表面形貌球面图进行球形误差评估。

S1：激光干涉仪产生球面光束，构建的步骤具体包括：

S11：对激光照射下轴承球表面对激光的反射作用进行光学理论分析，选用球面透镜f数值为0.6～8.1，每次球面光束扫描的球面面积占整个球面面积的5～20％。

S12：分析系统检测灵敏度、检测精度的影响因素，为轴承球球形误差激光干涉检测方法的光路改进奠定理论基础。

S13：根据计算分析结果，搭建起适用于轴承球激光干涉检测的光路系统。

轴承球激光干涉检测的光路系统具体包括：

S131：以物理光学为基础，建立轴承球球形误差的激光干涉作用模型，以理论分析结果为依据改进光路，平面激光干涉仪只能测量平面误差，因此如图2所示，需要在干涉仪前加球补偿镜才能对球面进行测量。

S132：利用已成为工业界标准的光学设计软件ASAP中对设计结果进行仿真及优化，保证足够的检测灵敏度，评估可能引起检测误差的影响因素及误差范围。根据分析与仿真结果，调整球补偿镜在光路中的位置。

S133：图2所示为轴承球球形误差激光干涉检测方法原理图，虚框1内为激光干涉仪已有光路，光束射出为平直光束，虚框2内为添加的球面补偿镜，将平直光束转变为球面光束，实现球面的面型误差测量。

S2：调心装置调整球心位置，构建的步骤具体包括：

S21：一套反馈式自动光束对焦装置，光路采用激光作为光源，一维位置传感器作为光电探测器，激光、柱面平凸透镜和反射镜构成光束对焦光路。电路分为传感信号处理电路和电动机驱动电路，具有电压放大、消除地面干扰和滤波等作用，将反射的光照射在光电探测器上，经过光电转换，带动电动对焦装置进行对焦的方式。图3所示为光束对焦原理图，虚框1为光路部分，虚框2为电路部分。固定光路系统与位置传感器的位置，调节移动工作台上下移动，位置传感器光敏面上的激光光斑也随之变化，于是电动机随之转动，转动情况决定了光束是否对焦，当电动机停转时，轴承球外表面位于物镜焦平面完成对焦。

S22：在底座上固定一个高精度的回转台，被测工件通过精密装夹机构固定在测量平台上。通过转动回转台，使得整个装置绕着通过测量球心的主轴回转。回转台和测量平台通过调心装置连接，主要作用是调整不同尺寸球在测量时的球心位置，使得球心的位置和回转台中心的位置1尽量重合，减小由于球心不重合引起的定位误差，从而使该装置可以用于直径变化的一系列轴承球的测量。

S3、S4、S5构建的步骤具体包括：球面光束对调整好球心位置的轴承球球体表面进行扫描，由于球面光束法向入射到被测球面镜上后沿原路返回，进入干涉仪与参考光束发生干涉，拍照获取球体表面局部干涉图，进而生成球体局部表面形貌图。

S6：展开机构进行球面展开，构建的步骤具体为采用椭圆齿轮传动的球面展开机构完成轴承表面的激光扫描，得到不同的球体位置。椭圆齿轮传动的球面展开机构具有结构简单、展开均匀、速度快、振动小的特点，是目前轴承球表面缺陷机器视觉检测中采用较多的一种展开机构。

S7：重复S2-S5步骤5-20次，获取不同球体位置的表面形貌图，实现轴承球球体的整体测量。

S8：提取多幅局部表面形貌图特征点，拼接生成完整表面形貌平面图。构建的步骤具体为多幅表面形貌图在SIFT算法中进行特征点的提取与匹配，拼接生成完整表面形貌平面图。

S9：将完整表面形貌平面图转化为表面形貌球面图，通过球面映射算法转化为表面形貌球面图。

S10：表面形貌球面图进行球形误差评估，由于传统球形误差的评价通过测量圆度误差来求球度误差，激光干涉是基于整个面形的球度测量。在Matlab和Labview平台上对获取的表面形貌数据进行数据处理，所使用的算法包括最小包容区域法(MZS)、最小二乘球法(LSS)、最小外接球法(MCS)和最大内接球法(MIS)四种球形误差算法中的任意一种，进行球形误差评估。为了检验评定球形误差所建立的数学模型及算法的精确性，需要进行相应的实验测试，在实际生产中，遇到的球的实际轮廓是多种多样的，难以用精确的数学公式进行描述。因此，为了不失一般性，选用理想的特殊函数作为试验对象。通过理想的椭球面进行仿真试验，验证上述的球形误差评定理论及其算法的正确性。

Claims (7)

1.一种基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：激光干涉仪产生球面光束；

S2：调心装置调整球心位置，球心对准光束焦点；

S3：球面光束对球体表面进行扫描；

S4：拍照获取球体表面局部干涉图；

S5：生成球体局部表面形貌图；

S6：展开机构进行球面展开；

S7：重复S2-S5步骤5-20次，获取不同球体位置的表面形貌图；

S8：提取多幅局部表面形貌图特征点，拼接生成完整表面形貌平面图；

S9：将完整表面形貌平面图转化为表面形貌球面图；

S10：表面形貌球面图进行球形误差评估。

2.根据权利要求书1所述的一种基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法，其特征在于，所述步骤S1为，在激光干涉仪和被测球面之间设置球面透镜TS，球面透镜将干涉仪发出的平直光束变换成球面光束。

3.根据权利要求书1所述的一种基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法，其特征在于，所述步骤S2调心装置调整球心位置包括以下步骤：

S21：采用激光作为光源，激光、第一柱面平凸透镜和反射镜构成光束对焦光路，固定光路系统与位置传感器的位置，移动工作台上工件反射的激光经第一柱面平凸透镜和第二柱面平凸透镜后照射在位置传感器上，位置传感器的信号经传感信号处理电路进行光电转换，并由电动机驱动电路驱动电机带动移动工作台移动，位置传感器光敏面上的激光光斑也随之变化，直至轴承球外表面位于物镜焦平面，此时完成对焦；

S22：被测工件通过装夹机构固定在测量平台上；回转台和测量平台通过调心装置连接，通过转动回转台，使得球心的位置和回转台中心的位置重合，球心对准光束焦点。

4.根据权利要求书1所述的一种基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法，其特征在于，所述步骤S3、S4、S5中球面光束对调整好球心位置的轴承球球体表面进行扫描，球面光束法向入射到被测球面镜上后沿原路返回，进入干涉仪与参考光束发生干涉，拍照获取球体表面局部干涉图，进而生成球体局部表面形貌图。

5.根据权利要求书1所述的一种基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法，其特征在于，所述步骤S6展开机构可以采用双轴旋转或椭圆齿轮传动的方式进行球面展开，得到不同的球体位置。

6.根据权利要求书1所述的一种基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法，其特征在于，所述步骤S9在获取完整表面形貌平面图的基础上，通过球面映射算法转化为球体表面形貌图。

7.根据权利要求书1所述的一种基于激光干涉全息检测法的轴承球球形误差快速检测方法，其特征在于，所述步骤S10表面形貌球面图进行球形误差评估，在Matlab和Labview软件平台上对获取的表面形貌数据进行数据处理，所使用的算法为最小包容区域法、最小二乘球法、最小外接球法和最大内接球法四种球形误差算法中的任意一种，进行球形误差评估。