CN109974614A - 圆柱滚子圆度的非接触检测方法 - Google Patents

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袁巨龙
周见行
张冬峰
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Abstract

圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其测量环境为暗室；测量时，将圆柱滚子竖直置于立式机床的夹具中进行固定；在机床的一侧设有一块投影板，投影板内设有感光元件，感光元件与计算机电性连接；在机床的另一侧用面光源发出水平的平行光照射圆柱滚子，平行光穿过圆柱滚子在投影板上投影，形成两条明暗交接的边界，感光元件将投影板的图像转化成电信号传输至计算机；计算机在生成的图像上建立直角坐标系，并记录投影边界上的指定纵坐标上的2个测量点的横坐标，测得的两个横坐标之差即为直径；圆柱滚子做定轴转动一周，然后用最小二乘圆法计算出圆柱滚子的圆度误差。该方法可以有效地避免接触式测量方法中测量误差，具有更高的测量精度。

Description

圆柱滚子圆度的非接触检测方法
技术领域
本发明涉及圆柱滚子检测技术，具体涉及圆柱滚子圆度的非接触检测方法。
背景技术
轴承是装备制造业中重要的、关键的基础零部件，直接决定着重大装备和主机产品的性能、质量和可靠性，被誉为装备制造的“心脏”部件。精密圆柱滚子作为轴承的关键零件，其圆度对轴承的工作性能和使用寿命起到着至关重要的作用。
目前，对于圆柱滚子圆度的检测，大部分情况下都是采用2点法或三点法，这些方法都是接触式的检测方法。但是从微观上来说，接触式的检测方法存在着一些无法避免的测量误差，包括圆柱滚子表面的不规则性(表面粗糙度和表面纹理分布)；测量时，测量仪的触针(触头)划伤圆柱滚子表面，测量者无法精确控制每次测量时触针对圆柱滚子表面的压力相等，以及圆柱滚子表面因接触的压力而形变，这些不可控的因素都会对测量结果造成误差，影响测量的精确度。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种圆柱滚子圆度的非接触检测方法，该方法可以有效地避免接触式测量方法中测量误差，具有更高的测量精度，同时，可以避免圆柱滚子在检测过程中被测量仪的触针划伤。
本发明的技术方案：圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其测量环境为暗室；测量时，将圆柱滚子竖直置于立式机床的夹具中进行固定，通过机床主轴带动夹具旋转使固定在夹具上的圆柱滚子做匀速定轴转动；在机床的一侧设有一块投影板，投影板内设有感光元件，感光元件与计算机电性连接；在机床的另一侧用面光源发出水平的平行光照射圆柱滚子，平行光穿过圆柱滚子在投影板上投影，形成两条明暗交接的边界，感光元件将投影板的图像转化成电信号传输至计算机；计算机在生成的图像上建立直角坐标系，并记录投影边界上的指定纵坐标上的2个测量点的横坐标，测得的两个横坐标之差即为直径；圆柱滚子做定轴转动一周，测得圆柱滚子表面指定高度位置各点对应的直径，然后用最小二乘圆法计算出圆柱滚子的圆度误差。
与现有技术相比，本发明的圆柱滚子圆度的非接触检测方法，取得了以下显著的技术效果：本发明有效地避免了现有接触式检测方法中由于圆柱滚子表面的不规则性，测量时测量仪的触针(触头)划伤圆柱滚子表面，测量者无法精确控制每次测量时触针对圆柱滚子表面的压力相等，以及圆柱滚子表面因接触的压力而形变，这些不可控的因素对测量结果造成的误差；本发明通过面光源发射出水平的平行光穿过竖直固定做定轴转动的圆柱滚子在投影板上形成投影来确定圆柱滚子的直径，最后通过最小二乘圆法计算出圆柱滚子的圆度误差，该方法数据测量速度快，测量精度高，计算过程简单。
作为优化，所述感光元件为CCD元件。CCD元件技术成熟，采用PN结或二氧化硅(SiO2)隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器更高，保证点坐标的精确度。
作为优化，所述机床主轴转动的角速度为3°～5°/s。该角速度即可以确保检测效率，同时又可以避免因转速过快影响图像采集，保证具有较高的检测精确度。
作为优化，所述光源、投影板以及机床呈等间距依序设置，间距为10～20cm。间距过大，影响投影的清晰度，从而导致坐标点的精确度降低，间距在10～20cm时，投影相比之下较为清晰。
作为优化，所述感光元件的形状为方形，其在水平方向的尺寸较待检测的圆柱滚子直径大3～4mm，竖直方向的尺寸为1～2mm；所述投影板在水平方向和竖直方向的位置均可调。该结构可以通过调节感光元件位置来保证投影落入感光区域，感光元件的材料用量较少，大幅降低制造成本。
作为优化，所述夹具为三爪卡盘；所述机床包括机架，机架上设有伺服电机，伺服电机通过减速器与卡盘安装座连接；所述三爪卡盘设于卡盘安装座上。三爪卡盘作为一种常见且装夹效果稳定的夹具，具有实施难度低，设置成本低等优点，而伺服电机则具有运行平稳、振动小、运行精度高的优点，防止带圆柱滚子做定轴转动的时候，因振动导致测量精确度的下降。
作为优化，所述减速器为行星齿轮减速器。行星齿轮减速器具有体积小、重量轻，承载能力高，使用寿命长、工作精度极高的特点；此外，行星齿轮减速器在降速的同时会降低伺服电机的负载惯量。进一步，所述减速器的减速比为1：15～1:30。该减速比可以进一步提高伺服电机的运行精度，保证检测精确度。
作为优化，所述三爪卡盘的卡爪材料为聚氨酯。聚氨酯硬度适宜，既可以保证装夹效果的牢固、稳定；且相较于圆柱滚子来说，硬度更低，可以防止装夹时力过大而将圆柱滚子损坏，同时，又可以防止因卡爪发生弹性形变影响圆柱滚子定位的精准度。
附图说明
图1是本发明的圆柱滚子圆度的非接触检测方法的原理图；
图2是本发明的具体实施方式的机床(含夹具)的结构示意图；
图3是本发明中的平面直角坐标系示意图。
附图中的标记为：1-圆柱滚子；2-平行光；3-三爪卡盘；4-投影板；5-机架；6-伺服电机；7-减速器；8-卡盘安装座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式(实施例)对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
如图1-3所示，圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其测量环境为暗室；测量时，将圆柱滚子1竖直置于立式机床的夹具中进行固定，通过机床主轴带动夹具旋转使固定在夹具上的圆柱滚子1做匀速定轴转动；在机床的一侧设有一块投影板4，投影板4内设有感光元件，感光元件与计算机电性连接；在机床的另一侧用面光源发出水平的平行光2照射圆柱滚子1，平行光2穿过圆柱滚子1在投影板4上投影，形成两条明暗交接的边界，感光元件将投影板的图像转化成电信号传输至计算机；计算机在生成的图像上建立直角坐标系，并记录投影边界上的指定纵坐标(指定高度位置)上的2个测量点(即明暗交界点)的横坐标，测得的两个横坐标之差即为直径；圆柱滚子1做定轴转动一周，测得圆柱滚子1表面指定高度位置各点对应的直径(这些点在圆柱表面指定高度位置沿周向连成一圈)，然后用最小二乘圆法计算出圆柱滚子1的圆度误差。
所述感光元件为CCD元件。CCD元件技术成熟，采用PN结或二氧化硅(SiO2)隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器更高，保证点坐标的精确度。
所述机床主轴转动的角速度为3°～5°/s。该角速度即可以确保检测效率，同时又可以避免因转速过快影响图像采集，保证具有较高的检测精确度。
所述光源、投影板4以及机床呈等间距依序设置，间距为10～20cm。间距过大，影响投影的清晰度，从而导致坐标点的精确度降低，间距在10～20cm时，投影相比之下较为清晰。
所述感光元件的形状为方形，其在水平方向的尺寸较待检测的圆柱滚子1直径大3～4mm，竖直方向的尺寸为1～2mm；所述投影板4在水平方向和竖直方向的位置均可调。该结构可以通过调节感光元件位置来保证投影落入感光区域，感光元件的材料用量较少，大幅降低制造成本。
所述夹具为三爪卡盘3；所述机床包括机架5，机架5上设有伺服电机6，伺服电机6通过减速器7与卡盘安装座8连接；所述三爪卡盘3设于卡盘安装座8上。三爪卡盘3作为一种常见且装夹效果稳定的夹具，具有实施难度低，设置成本低等优点，而伺服电机6则具有运行平稳、振动小、运行精度高的优点，防止带圆柱滚子1做定轴转动的时候，因振动导致测量精确度的下降。
所述减速器7为行星齿轮减速器。行星齿轮减速器具有体积小、重量轻，承载能力高，使用寿命长、工作精度极高的特点；此外，行星齿轮减速器在降速的同时会降低伺服电机6的负载惯量。
所述减速器7的减速比为1：15～1:30。该减速比可以进一步提高伺服电机6的运行精度，保证检测精确度。
所述三爪卡盘3的卡爪材料为聚氨酯。聚氨酯硬度适宜，既可以保证装夹效果的牢固、稳定；且相较于圆柱滚子1来说，硬度更低，可以防止装夹时力过大而将圆柱滚子1损坏，同时，又可以防止因卡爪发生弹性形变影响圆柱滚子1定位的精准度。
测量环境(地点)为暗室。暗室一方面可以屏蔽外界光源以及自然光对测量造成干扰，另一方面，暗室中，投影板4上的可以形成清晰的2个明暗交接点，从而提高测量的精确度。
在暗室测量的过程中，测量人员最好佩戴深色墨镜。因为，在暗室中，光源对眼睛的刺激性更大，佩戴深色墨镜可以防止测量人员的眼睛受伤。
对应的，基于上述内容，本发明也公开了一种圆柱滚子圆度的非接触检测装置，其包括立式机床(本发明中的立式机床指的是转轴竖向设置的一类设备)和用于装夹圆柱滚子1的夹具，在机床的一侧设有一块投影板4，投影板4内设有感光元件，感光元件与计算机电性连接；在机床的另一侧设有可以发出水平的平行光2的面光源。
所述感光元件可以为CCD元件。
所述机床主轴转动的角速度可以为3°～5°/s。
所述光源、投影板4以及机床可以呈等间距依序设置，间距为10～20cm。
所述感光元件的形状可以为方形，其在水平方向的尺寸优选为较待检测的圆柱滚子1直径大3～4mm，竖直方向的尺寸可以为1～2mm；且所述投影板4在水平方向和竖直方向的位置均可调。
作为一种优化，所述夹具为三爪卡盘3；所述机床包括机架5，机架5上设有伺服电机6，伺服电机6通过减速器7与卡盘安装座8连接；所述三爪卡盘3设于卡盘安装座8上。
优选的，所述减速器7为行星齿轮减速器。所述减速器7的减速比为1：15～1:30。
所述三爪卡盘3的卡爪材料优选为聚氨酯。
圆度是指工件的横截面接近理论圆的程度，最大半径与最小半径之差为0时，圆度误差为0(圆度＝0)。
最小二乘圆法的计算过程：
通过坐标可以计算出直径，如测得A(x1，y)、B(x2，y)；则直径D1＝|x1-x2|，其余直径的计算也同理；
1、以被测圆柱滚子1轮廓上所测的各点至圆周距离的平方和为最小的圆的圆心为圆柱滚子1圆心，
2、以其中最大的直径DMAX过圆柱滚子1圆心画圆，即为圆柱滚子1轮廓的最大外接圆；
3、以其中最小的直径DMIN过圆柱滚子1圆心画圆，即为圆柱滚子11轮廓的最小内接圆；
4、DMAX-DMIN即为待测圆柱滚子1的圆度误差。
上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本申请保护范围之内的其它的技术方案。

Claims (9)

1.圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其特征在于：
其测量环境为暗室；
测量时，将圆柱滚子竖直置于立式机床的夹具中进行固定，通过机床主轴带动夹具旋转使固定在夹具上的圆柱滚子做匀速定轴转动；
在机床的一侧设有一块投影板，投影板内设有感光元件，感光元件与计算机电性连接；
在机床的另一侧用面光源发出水平的平行光照射圆柱滚子，平行光穿过圆柱滚子在投影板上投影，形成两条明暗交接的边界，感光元件将投影板的图像转化成电信号传输至计算机；
计算机在生成的图像上建立直角坐标系，并记录投影边界上的指定纵坐标上的2个测量点的横坐标，测得的两个横坐标之差即为直径；圆柱滚子做定轴转动一周，测得圆柱滚子表面指定高度位置各点对应的直径，然后用最小二乘圆法计算出圆柱滚子的圆度误差。
2.根据权利要求1所述的圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其特征在于：所述感光元件为CCD元件。
3.根据权利要求1所述的圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其特征在于：所述机床主轴转动的角速度为3°～5°/s。
4.根据权利要求1所述的圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其特征在于：所述光源、投影板以及机床呈等间距依序设置，间距为10～20cm。
5.根据要求1-4任一权利要求所述的圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其特征在于：所述感光元件的形状为方形，其在水平方向的尺寸较待检测的圆柱滚子直径大3～4mm，竖直方向的尺寸为1～2mm；所述投影板在水平方向和竖直方向的位置均可调。
6.根据权利要求1-4任一权利要求所述的圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其特征在于：所述夹具为三爪卡盘；所述机床包括机架，机架上设有伺服电机，伺服电机通过减速器与卡盘安装座连接；所述三爪卡盘设于卡盘安装座上。
7.根据权利要求6所述的圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其特征在于：所述减速器为行星齿轮减速器。
8.根据权利要求7所述的圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其特征在于：所述减速器的减速比为1：15～1:30。
9.根据权利要求6所述的圆柱滚子圆度的非接触检测方法，其特征在于：所述三爪卡盘的卡爪材料为聚氨酯。
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