CN107860339A - 一种主动式轴承沟曲率半径测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种主动式轴承沟曲率半径测量装置，包括机架、X向测量组件、Z向测量组件、测量头和控制组件；该装置具有独特的机械结构，主要传感器是高精度光栅尺，传感器分辨率高达0.1um，采集的数据通过自主研制的计算拟合补偿软件处理，得到更精确的结果。所以，本发明比现在市场上的测量设备精度更高，效率更高。本发明的球轴承沟道曲率半径测量系统的测量精度为0.5um，测量重复性精度为±2.0um，可满足生产企业的技术要求。
Description
技术领域
本发明属于工程技术领域，尤其涉及一种主动式轴承沟曲率半径测量装置及测量方法。
背景技术
轴承是现代工业中非常重要的基础零部件，球轴承是其中一种应用最为广泛的轴承，沟道曲率半径是球轴承的重要性能指标，球轴承的沟道曲率半径和沟形偏差是影响轴承的旋转精度、游隙、接触角、振动噪声和摩擦力矩等动态性能的重要因素，进而影响装有该轴承的机器的运转精度。球轴承沟道曲率半径是球轴承的内(外)圈轴向截面内沟道轮廓线的圆弧半径，目前国内普遍应用的球轴承沟道曲率半径测量方法是非数字化的或非专用的，现有的测量方法：
(1)球头刮色法，球头刮色法是先用红色均匀涂抹在沟道上，然后用对应的钢球用力从沟道刮过，通过对刮痕状态的分析来判断轴承质量，属于定性测量。优点：操作简单，成本低廉。缺点：无法得到测量数据，精度差。
(2)轮廓测量法，通过将被测沟道轴向截面与理想圆弧相比较来测量沟道曲率半径，属于定量测量。优点：精度高，半径示值误差为±4.5um。缺点：时间长，效率低。
(3)国外还有基于直角坐标测量方法的轴承沟道曲率测量仪，属于轮廓测量方法。精度可达到2.0um，形状误差精度可达到0.5um，自动测量时间为20s。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种主动式轴承沟曲率半径测量装置及测量方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种主动式轴承沟曲率半径测量装置，包括机架、X向测量组件、Z向测量组件、测量头和控制组件；
所述Z向测量组件Z向框架、滚珠丝杆、滑台、Z向位移传感器和步进电机，所述Z向框架通过支撑台固定在所述机架的底座上，所述滚珠丝杆安装在所述Z向框架内、下端部穿过Z向框架的底面通过联轴器与所述步进电机相连，所述步进电机固定在机架底座上；所述滚珠丝杆上设置有丝杆螺母座，所述滑台固定在所述丝杆螺母座上，所述Z向框架的侧壁上设有导轨，所述滑台在滚珠丝杆的带动下沿着导轨上下移动，所述Z向位移传感器位于所述滑台的正下方、垂直固定在所述支撑台上，且所述Z向位移传感器的触头紧贴所述滑台的底面上；
所述X向测量组件包括X向框架、测量杆和X向位移传感器，所述测量杆上对称设置两个支撑杆，所述测量杆通过将两个支撑杆贯穿设置在X向框架侧壁上的通孔安装在所述X向框架内，所述X向位移传感器水平固定在所述机架上，且所述X向位移传感器的触头紧贴测量杆上，所述测量头固定在所述测量杆的上端部；所述X向框架通过弹性片簧与所述滑台固定相连；所述机架顶部设有盖板，所述盖板上设有容纳测量头的通槽，且所述盖板上设有固定待测轴承的固定件；
所述控制组件包括可编程逻辑控制器、数据转换模块、数据采集模块和工控机，所述可编程逻辑控制器与所述步进电机驱动器相连，所述X向位移传感器和Z向位移传感器采集的数据通过数据转换模块转换后发送给数据采集模块，由数据采集模块传输给工控机，工控机将收到的数据进行计算处理，得到轴承沟道曲率半径数据在显示屏上显示，同时工控机向可编程逻辑控制器发送指令，由可编程逻辑控制器控制步进电机驱动器的工作模式。
进一步，所述滑块上设有配重组件，用于平缓滑台的运动。
进一步，所述配重组件包括设置所述Z向框架顶部两侧的定滑轮、配重物二以及皮带，两个定滑轮通过皮带相连，所述滑台的顶部通过弹性件与所述皮带相连，所述配重物二置于所述滑台的相对侧，顶部通过弹性件与所述皮带相连。
进一步，所述弹性片簧包括上弹簧片和下弹簧片，所述上弹簧片位于所述滑台上部边缘处，所述下弹簧片位于所述滑台的下部边缘处。
进一步，所述测量杆的下端部设有配重物一。
进一步，所述X向位移传感器和Z向位移传感器均为光栅尺。
本发明还提供一种采用上述测量装置测量轴承沟曲率半径的方法，包括以下步骤：
步骤一，数据采集：Z向位移传感器和X向位移传感器读取测量头在待测轴承沟道X方向和Z方向的实际位移量xi和zi，其中i＝1,2,…,n，(n>3)，表示采样点序数，并将待测轴承沟道实际轮廓上各点的坐标标记为(xi,zi)；
步骤二，计算待测轴承沟道曲率半径：采用最小二乘圆拟合法计算待测轴承沟道曲率半径，具体计算过程为：
在待测轴承沟道实际轮廓内找出一理想圆心(a0，b0)和一理想半径R；若理想半径R满足以下条件：待测轴承沟道实际轮廓上的各点到到理想圆心(a0，b0)的距离Ri与理想半径R之差的平方和最小，则理想半径R即为所求轴承沟道曲率半径，计算公式如下：
上述计算式中，
其中，步骤一中，Z向位移传感器和X向位移传感器采用间接读取方式读取测量头在待测轴承沟道X方向和Z方向的位移量xi和zi，X向位移传感器和Z向位移传感器的读数(x′i,z′i)与被测轴承沟道轮廓上实际测量点坐标(xi,zi)存在几何变换关系，通过计算得出被测轴承沟道实际轮廓上测量点坐标(xi,zi)，具体过程如下：
式中，O为测量杆的转动支点，OB杆为竖直方向，EF是测量杆上X向传感器测头安装凹槽的深度，OF是测量杆上凹槽中部距转动支点O的长度，θ表示测量杆从竖直方向转动至任意位置时转过的角度，θ0测量杆OB与OA之间的所成的角度，测量头的测量半径为r。
通过θ值，可求出X和Z方向上测量头的实际位移量xi和zi，计算过程如下：
xi＝AO·[sin(θ+θ0)-sinθ0]
zi＝z′i-OA·[cosθ0-cos(θ+θ0)]。
本发明所达到的有益技术效果：本发明提供了一种球轴承沟曲率半径的测量装置，该装置具有独特的机械结构，本发明全过程由计算机控制，主要传感器是高精度光栅尺，传感器分辨率高达0.1um，采集的数据通过自主研制的计算拟合补偿软件处理，得到更精确的结果。所以，本发明比现在市场上的测量设备精度更高，效率更高。本发明的球轴承沟道曲率半径测量系统的测量精度为0.5um，测量重复性精度为±2.0um，可满足生产企业的技术要求。
附图说明
图1本发明之测量装置结构示意图；
图2本发明之测量装置结构简图；
图3本发明之测量装置爆炸图；
图4本发明之Z向框架结构示意图；
图5本发明之X向框架结构示意图；
图6本发明之测量杆结构示意图；
图7本发明之测量杆和X向框架装配结构示意图；
图8本发明之片簧结构示意图；
图9本发明之控制组件组成框图；
图10本发明之测量杆测量状态下简图；
图11本发明之采用最小二乘圆拟合法拟合的圆弧示意图。
其中：1待测轴承；2测量头；3测量杆；4X向框架；5配重物一；6X向位移传感器；7弹性片簧；8滑台；9导轨；10滚珠丝杆；11步进电机；12Z向位移传感器；13丝杆螺母座；14联轴器；15转动支点；16盖板；17Z向框架；18配重物二；19支撑台；20支撑杆；21机架；22定滑轮；23皮带；24通孔；25上弹簧片；26下弹簧片；27实际测量的轴承沟道轮廓线；28拟合圆；29弹性件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
如图1-8所示，本发明提供一种主动式轴承沟曲率半径测量装置，包括机架21、X向测量组件、Z向测量组件、测量头2和控制组件；
所述Z向测量组件Z向框架17、滚珠丝杆10、滑台8、Z向位移传感器12和步进电机11，所述Z向框架17通过支撑台19固定在所述机架21的底座上，所述滚珠丝杆10安装在所述Z向框架17内、下端部穿过Z向框架17的底面通过联轴器14与所述步进电机11相连，所述步进电机11固定在机架21底座上；所述滚珠丝杆10上设置有丝杆螺母座13，所述滑台8固定在所述丝杆螺母座13上，所述Z向框架17的侧壁上设有导轨9，所述滑台8在滚珠丝杆10的带动下沿着导轨9上下移动，所述Z向位移传感器12位于所述滑台8的正下方、垂直固定在所述支撑台19上，且所述Z向位移传感器12的触头紧贴所述滑台8的底面上；
所述X向测量组件包括X向框架4、测量杆3和X向位移传感器6，所述测量杆3上对称设置两个支撑杆20，所述测量杆3通过将两个支撑杆20贯穿设置在X向框架4侧壁上的通孔24安装在所述X向框架4内，由此，形成测量杆3在测量过程中的转动支点15，所述X向位移传感器6水平固定在所述机架21上，且所述X向位移传感器6的触头紧贴测量杆3上，所述测量头2固定在所述测量杆3的上端部；所述X向框架4通过弹性片簧7与所述滑台8固定相连；所述机架21顶部设有盖板16，所述盖板16上设有容纳测量头2的通槽，且所述盖板16上设有固定待测轴承的固定件；
所述滑块8上设有配重组件，用于平缓滑台的运动，防止滑台在上下移动过程中出现过冲的现象，同时还可以减轻步进电机11的负载。作为优选的技术方案，所述配重组件包括设置所述Z向框架17顶部两侧的定滑轮22、配重物二18以及皮带23，两个定滑轮22通过皮带23相连，所述滑台8的顶部通过弹性件29与所述皮带23相连，所述配重物二18置于所述滑台8的相对侧，顶部通过弹性件29与所述皮带23相连。
Z向测量组件和X向测量组件之间采用弹性片簧7连接，弹性片簧7的作用在于缓冲减震，属于柔性连接，可消除滑台运动过程中，由于运动不平稳而对X向测量组件造成振动和冲击，并进一步消除运动误差对测量结果造成的影响。所述弹性片簧7包括上弹簧片25和下弹簧片26，所述上弹簧片25位于所述滑台8上部边缘处，所述下弹簧片26位于所述滑台8的下部边缘处。
所述测量杆3的下端部设有配重物一5，从而保证测量杆3处于垂直状态。其中，所述X向位移传感器和Z向位移传感器均为光栅尺，分辨率高达0.1um。
如图9所示，所述控制组件包括可编程逻辑控制器、数据转换模块、数据采集模块和工控机，所述可编程逻辑控制器与所述步进电机驱动器相连，所述X向位移传感器和Z向位移传感器采集的数据通过数据转换模块转换后发送给数据采集模块，由数据采集模块传输给工控机，工控机将收到的数据进行计算处理，得到轴承沟道曲率半径数据在显示屏上显示，同时工控机向可编程逻辑控制器发送指令，由可编程逻辑控制器控制步进电机驱动器的工作模式。
本发明还提供一种采用上述测量装置测量轴承沟曲率半径的方法，包括以下步骤：
步骤一，数据采集：Z向位移传感器和X向位移传感器读取测量头在待测轴承沟道X方向和Z方向的实际位移量xi和zi，其中i＝1,2,…,n，(n>3)，表示采样点序数，并将待测轴承沟道实际轮廓上各点的坐标标记为(xi,zi)；
Z向位移传感器和X向位移传感器采用间接读取方式读取测量头在待测轴承沟道X方向和Z方向的位移量xi和zi，X向位移传感器和Z向位移传感器的读数(x′i,z′i)与被测轴承沟道轮廓上实际测量点坐标(xi,zi)存在几何变换关系，如图10所示，通过计算得出被测轴承沟道实际轮廓上测量点坐标(xi,zi)，具体过程如下：
式中，O为测量杆的转动支点，B为测量杆顶端，A为测量头，EF是测量杆上X向传感器测头安装凹槽的深度，OF是测量杆上凹槽中部距转动支点O的长度，θ表示测量杆从竖直方向转动至任意位置时转过的角度，θ0测量杆OB与OA之间的所成的角度，测量头的测量半径为r。
通过θ值，可求出X和Z方向上测量头的实际位移量xi和zi，计算过程如下：
xi＝AO·[sin(θ+θ0)-sinθ0]
zi＝z′i-OA·[cosθ0-cos(θ+θ0)]。
步骤二，计算待测轴承沟道曲率半径：采用最小二乘圆拟合法计算待测轴承沟道曲率半径，具体计算过程为：
在待测轴承沟道实际轮廓内找出一理想圆心(a0，b0)和一理想半径R，做拟合圆；若理想半径R满足以下条件：待测轴承沟道实际轮廓上的各点到到理想圆心(a0，b0)的距离Ri与理想半径R之差的平方和最小，则理想半径R即为所求轴承沟道曲率半径，拟合图形如图11所示，其中27表示实际测量的轴承沟道轮廓线，28表示拟合圆，计算公式如下：
上述计算式中，
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种主动式轴承沟曲率半径测量装置，其特征在于：包括机架、X向测量组件、Z向测量组件、测量头和控制组件；
所述Z向测量组件Z向框架、滚珠丝杆、滑台、Z向位移传感器和步进电机，所述Z向框架通过支撑台固定在所述机架的底座上，所述滚珠丝杆安装在所述Z向框架内、下端部穿过Z向框架的底面通过联轴器与所述步进电机相连，所述步进电机固定在机架底座上；所述滚珠丝杆上设置有丝杆螺母座，所述滑台固定在所述丝杆螺母座上，所述Z向框架的侧壁上设有导轨，所述滑台在滚珠丝杆的带动下沿着导轨上下移动，所述Z向位移传感器位于所述滑台的正下方、垂直固定在所述支撑台上，且所述Z向位移传感器的触头紧贴所述滑台的底面上；
所述X向测量组件包括X向框架、测量杆和X向位移传感器，所述测量杆上对称设置两个支撑杆，所述测量杆通过将两个支撑杆贯穿设置在X向框架侧壁上的通孔安装在所述X向框架内，所述X向位移传感器水平固定在所述机架上，且所述X向位移传感器的触头紧贴测量杆上，所述测量头固定在所述测量杆的上端部；所述X向框架通过弹性片簧与所述滑台固定相连；所述机架顶部设有盖板，所述盖板上设有容纳测量头的通槽，且所述盖板上设有固定待测轴承的固定件；
所述控制组件包括可编程逻辑控制器、数据转换模块、数据采集模块和工控机，所述可编程逻辑控制器与所述步进电机驱动器相连，所述X向位移传感器和Z向位移传感器采集的数据通过数据转换模块转换后发送给数据采集模块，由数据采集模块传输给工控机，工控机将收到的数据进行计算处理，得到轴承沟道曲率半径数据在显示屏上显示，同时工控机向可编程逻辑控制器发送指令，由可编程逻辑控制器控制步进电机驱动器的工作模式。
2.根据权利要求1所述的主动式轴承沟曲率半径测量装置，其特征在于：所述滑块上设有配重组件，用于平缓滑台的运动。
3.根据权利要求2所述的主动式轴承沟曲率半径测量装置，其特征在于：所述配重组件包括设置所述Z向框架顶部两侧的定滑轮、配重物二以及皮带，两个定滑轮通过皮带相连，所述滑台的顶部通过弹性件与所述皮带相连，所述配重物二置于所述滑台的相对侧，顶部通过弹性件与所述皮带相连。
4.根据权利要求1所述的主动式轴承沟曲率半径测量装置，其特征在于：所述弹性片簧包括上弹簧片和下弹簧片，所述上弹簧片位于所述滑台上部边缘处，所述下弹簧片位于所述滑台的下部边缘处。
5.根据权利要求1所述的主动式轴承沟曲率半径测量装置，其特征在于：所述测量杆的下端部设有配重物一。
6.根据权利要求1所述的主动式轴承沟曲率半径测量装置，其特征在于：所述X向位移传感器和Z向位移传感器均为光栅尺。
7.采用权利要求1-6任一项所述的测量装置测量轴承沟曲率半径的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，数据采集：Z向位移传感器和X向位移传感器读取测量头在待测轴承沟道X方向和Z方向的实际位移量xi和zi，其中i＝1,2,…,n，(n>3)，表示采样点序数，并将待测轴承沟道实际轮廓上各点的坐标标记为(xi,zi)；
步骤二，计算待测轴承沟道曲率半径：采用最小二乘圆拟合法计算待测轴承沟道曲率半径，具体计算过程为：
在待测轴承沟道实际轮廓内找出一理想圆心(a0，b0)和一理想半径R；若理想半径R满足以下条件：待测轴承沟道实际轮廓上的各点到到理想圆心(a0，b0)的距离Ri与理想半径R之差的平方和最小，则理想半径R即为所求轴承沟道曲率半径，计算公式如下：
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上述计算式中，
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：步骤一中，Z向位移传感器和X向位移传感器采用间接读取方式读取测量头在待测轴承沟道X方向和Z方向的位移量xi和zi，X向位移传感器和Z向位移传感器的读数(x′i，z′i)与被测轴承沟道轮廓上实际测量点坐标(xi，zi)存在几何变换关系，通过计算得出被测轴承沟道实际轮廓上测量点坐标(xi，zi)，具体过程如下：
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式中，O为测量杆的转动支点，OB杆为竖直方向，EF是测量杆上X向传感器测头安装凹槽的深度，OF是测量杆上凹槽中部距转动支点O的长度，θ表示测量杆从竖直方向转动至任意位置时转过的角度，θ0测量杆OB与OA之间的所成的角度，测量头的测量半径为r。
通过θ值，可求出X和Z方向上测量头的实际位移量xi和zi，计算过程如下：
xi＝AO·[sin(θ+θ0)-sinθ0]
zi＝z′i-OA·[cosθ0-cos(θ+θ0)]。
Priority Applications (1)
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| CN201711372511.6A CN107860339A (zh) | 2017-12-19 | 2017-12-19 | 一种主动式轴承沟曲率半径测量装置及测量方法 |
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2017
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| CN110181483B (zh) * | 2019-06-19 | 2024-03-19 | 佛山市增广智能科技有限公司 | 协作式滑台及其压力计算方法 |
| CN112129258A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-12-25 | 中车唐山机车车辆有限公司 | 划痕深度测量装置及方法 |
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