CN110530272B - 角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量装置及测量方法，测量装置包括：内圈安装结构、传感器支架、摆角电机，非接触式测距传感器、上编码器及计算机，测量时，由摆角电机驱使非接触式测距传感器绕摆角电的摆动输出部的回转中心轴线摆动，以摆动轴线摆动输出部的回转中心轴线为坐标原点时，在整个非接触测量过程中，原点位置并不发生改变，非接触式测距传感器测量的均是摆动轴线的回转中心轴线到相应外轮廓点的间距，进而可有效简化后续的计算过程。而且，相对现有技术中的利用转动的支架驱使位移传感器摆动测距的结构，本发明中传感器支架固定不动，摆角电机驱动非接触式测距传感器摆动的方式，有效避免装配误差带来的测量影响。

Description

角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量装置及测量方法
技术领域
本发明具体涉及一种角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量装置及测量方法。
背景技术
角接触球轴承可同时承受径向和轴向载荷，具有转速高、精度高等优点。该类轴承的内沟道设计复杂，角接触球轴承套圈沟道的曲面轮廓接近于圆弧的1/ 4，称为“半沟”。在实际测量套圈“沟位置”时，因为角接触球轴承沟形“不完整”，经常出现测量准确度、测量精度达不到要求的问题。
角接触球轴承内圈沟道位置是其重要的几何参数，目前主要采用的测量方法有：轮廓仪检测、专用样板检测和三坐标测量法等，但这些方法都有明显的不足，难以满足高精度轴承的测量需要。在申请公布号为CN109059766A的中国发明专利申请中公开了一种深沟球轴承内圈沟位置的非接触检测装置，包括工作台，工作台上设有电机，电机的电机轴上设有检测电机轴转动角度的编码器，电机轴的自由端连接有传感器支架，传感器支架上设有位移传感器，检测时，待测的轴承内圈放置在套圈传感器支架上，电机通过传感器支架驱动位移传感器摆动，由位移传感器检测对应的轴承内圈截面曲线上点的位移，通过获得的旋转角度和位移，计算出套圈截面曲线上的点云坐标，拟合曲线后可获得准确的沟位置数据。
上述的非接触检测装置中，配置编码器的电机通过传感器支架驱动位移传感器摆动，传动路线相对较长，电机转轴和传感器支架会累计进入测量结果内，这导致编码器测得的转角结果与位移传感器测得的距离结果匹配性不好，误差较大，影响测量准确度。而且，电机转轴的转动轴线与位移传感器偏心布置，在电机转动过程中，位移传感器所在位置始终在围绕电机转轴摆动，位移传感器为原点的坐标系始终在变化，导致后续计算过程十分繁琐。
发明内容
本发明提供一种角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量装置，以解决现有技术中电机转轴与位移传感器偏心布置使得位移传感器所在原点始终变化进而导致后续计算过程繁琐的技术问题；同时，本发明还提供一种角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量方法，以解决现有技术中以始终变动的位移传感器所在位置为原点的计算方法较为繁琐的技术问题。
为实现上述目的，本发明所提供的角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量装置的技术方案是：角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量装置，其特征在于：包括：内圈安装结构，用于支撑安装待测的轴承内圈；传感器支架；摆角电机，安装在所述传感器支架上，位于所述内圈安装结构旁侧，将轴承内圈的轴向定义为X向，将摆角电机摆动输出部的回转中心轴线延伸方向定义为Y向，摆角电机的摆动输出部在XZ平面内摆动；非接触式测距传感器，安装在所述摆角电机的摆动输出部上，并由摆动输出部驱动绕所述回转中心轴线在XZ平面内摆动，以扫描测量所述轴承内圈在XZ平面内的外轮廓线上的相应轮廓点与所述非接触式测距传感器之间的距离，进而得到所述轴承内圈在XZ平面内的外轮廓线上的相应轮廓点与所述回转中心轴线的距离；上编码器，设置在所述摆角电机上，用于检测摆角电机驱使非接触式测距传感器在XZ平面内的转动角度；计算机，与所述非接触式测距传感器和上编码器连接，以接收非接触式测距传感器输出的测距信息和上编码器输出的角度信息。
有益效果是：本发明所提供的非接触测量装置中，由摆角电机驱使非接触式测距传感器绕摆动输出部的回转中心轴线摆动，以摆动轴线为坐标原点，在整个非接触测量过程中，原点位置并不发生改变，由非接触式测距传感器测量得到的轴承内圈在XZ平面内的外轮廓线上的相应轮廓点与所述非接触式测距传感器之间的距离，进而得到的轴承内圈在XZ平面内的外轮廓线上的相应轮廓点与所述回转中心轴线的距离，均是基于稳定的回转中心轴线的距离，进而可有效简化后续的计算过程。而且，相对现有技术中的利用转动的支架驱使位移传感器摆动测距的结构，本发明所提供的测量装置在测量过程中，传感器支架不动，仅是摆角电机的摆动输出部驱动非接触式测距传感器摆动，进而可有效避免传感器支架装配误差带来的测量影响。
进一步地，所述内圈安装结构包括芯轴，用于支撑套装待测的轴承内圈。
有益效果是：利用芯轴装配轴承内圈，不仅可装配各种类型的轴承内圈，还方便驱使轴承内圈转动而进行多截面测量，提高结果精度。
进一步地，所述芯轴由转动电机驱动回转，对应所述转动电机设有用于检测芯轴带着轴承内圈转动角度的下编码器。
有效效果是：芯轴由转动电机驱动转动，并配置相应的下编码器，便于控制转动角度。
进一步地，所述芯轴位于所述非接触式测距传感器正下方。
有效效果是：将非接触式测距传感器布置在芯轴上方，便于进行摆动测量。
所述非接触式测距传感器为激光位移传感器或超声测距传感器。
进一步地，所述摆角电机沿Y向位置可调的固定安装在所述传感器支架上。
有益效果是：摆角电机沿Y向位置可调，这样可以适应不同尺寸类型的待测轴承内圈，提高通用性。
本发明所提供的角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量方法的技术方案是：球轴承内圈沟道位置的非接触测量方法包括如下步骤：
(1)将待测轴承内圈的轴向定义为X向，将摆角电机摆动输出部的回转中心轴线延伸方向定义为Y向，摆角电机在Z向上位于待测轴承内圈旁侧，待测轴承内圈的沟道在XZ平面内的轮廓线的最低点与所述回转中心轴线形成的基准平面平行于YZ平面，待测轴承内圈朝向所述非接触式测量传感器的一侧在XZ平面内的外轮廓线包括沟道轮廓线及周面轮廓线，沟道轮廓线和周面轮廓线的交点为过渡轮廓点，周面轮廓线与待测轴承内圈轴向上的相应基准端面的交点为末端轮廓点；
由摆动输出部驱动非接触式测量传感器围绕所述回转中心轴线在XZ平面内摆动，以扫描测量沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与非接触式测距传感器的距离数值，并利用上编码器测得与各距离数值一一对应的表示非接触式测量传感器相对所述基准平面转动的角度；
由所述非接触式测距传感器测得距离数值可得所述沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与所述回转中心轴线的距离，从中选取最小值作为过渡轮廓点到所述回转中心轴线的距离L2，从中选取与所述基准端面对应的极大值作为末端轮廓点到所述回转中心轴线的距离L1；
从所述上编码器测得的角度数值中选取与所述距离L1对应的角度α，以及选取与所述距离L2对应的角度β；
(2)计算得到末端外轮廓点到过渡外轮廓点的距离a：
Figure BDA0002227276160000041
(3)计算得到轴承内圈沟道位置c，即轴承内圈沟道轮廓线最低点到所述基准端面的距离：
c＝a+L2 sinβ。
有益效果是：本发明所提供的测量方法中，由摆角电机驱使非接触式测距传感器绕摆角电机的摆动轴线摆动，以摆动轴线为坐标原点时，在整个非接触测量过程中，原点位置并不发生改变，非接触式测距传感器测量的均是摆动轴线到相应外轮廓点的间距，直接选取关键外轮廓点的距离，根据三角形余弦定理公式即可计算得到末端外轮廓点到过渡外轮廓点的距离a，再根据三角形关系即可得到轴承内圈沟道位置c，不需要拟合整体外轮廓线形状，可有效简化后续的计算过程，还可对应得到末端外轮廓点到过渡外轮廓点的距离参数。
进一步地，所述非接触式测距传感器位于所述回转中心轴线的朝向所述待测轴承内圈的一侧，所述非接触式测距传感器测得的所述沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与非接触式测距传感器的距离数值，与非接触式测距传感器相对所述回转中心轴线的回转半径r之和，等于所述沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与所述回转中心轴线的距离。
有益效果：将非接触式测距传感器布置在朝向待测轴承内圈的一侧，方便安装。
进一步地，将轴承内圈绕其中心轴线依次转动设定角度，每次转动到位后测量计算得到一个轴承内圈沟道位置，再对所有轴承内圈沟道位置求平均值。
有益效果是：通过测量多个不同径向截面所对应的轴承内圈沟道尺寸，可提高最终结果的准确性。
附图说明
图1为本发明所提供的角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量装置的一种实施例的结构示意图；
图2为图1中传感器支架、摆角电机及激光位移传感器的装配结构示意图；
图3为轴承内圈沟道位置测量原理图；
附图标记说明：
1-工作台，2-电机，3-编码器，4-锥形顶尖，5-传感器支架，6-激光位移传感器，7-摆角电机，8-待测轴承内圈，9-芯轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明所提供的角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量装置的具体实施例，如图1至图2所示，该实施例中的非接触测量装置包括内圈安装结构、传感器支架5和计算机。
内圈安装结构包括工作台1，工作台1上设有电机2，电机2和锥形顶尖4 配合夹持芯轴9，芯轴9用于紧配合的装配待测轴承内圈8，测量时，可由电机 2驱动芯轴9带着待测轴承内圈8回转，另外，对应电机2的输出轴设有编码器 3，此处的编码器3作为下编码器用于测量芯轴的回转角度。
对应内圈安装结构设置有传感器支架5，传感器支架5的顶部横杆处固设有摆角电机7，摆角电机7的摆动输出部上胶粘固定有激光位移传感器6，激光位移传感器6为非接触式测距传感器，固定安装在摆角电机7的摆动输出部上。
其中，摆角电机7位于内圈安装结构上方，将待测轴承内圈的轴向定义为X 向，将摆动输出部的回转中心轴线的延伸方向定义为Y向，相应的，摆角电机将在Z向即上下方向上位于待测轴承内圈的旁侧，摆角电机7的摆动输出部带着激光位移传感器6在XZ平面内绕相应回转中心轴线摆动，通过扫描测量待测轴承内圈在XZ平面内的外轮廓线上的相应轮廓点与激光测距传感器之间的距离，进而得到待测轴承内圈在XZ平面内的外轮廓线上的相应轮廓点与所述回转中心轴线的距离，以便于计算内圈沟道位置。
并且，本实施例中，对应摆角电机7设置有上编码器，以用于检测摆角电机驱使激光位移传感器6在XZ平面内的转动角度。
将待测轴承内圈的沟道在XZ平面内的轮廓线的最低点与摆角电机的摆动输出部的回转中心轴线形成的平面定义为基准平面，该基准平面平行于YZ平面，在此基础上进行测量，由摆角电机7带着激光位移传感器6由基准平面朝向待测轴承内圈的基准端面摆动，同时，由激光位移传感器扫描测量沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与非接触式测距传感器的距离数值，并利用上编码器测得与各距离数值一一对应的表示非接触式测量传感器相对所述基准平面转动的角度，以便于进行后续的计算，进而得到角接触球轴承内圈沟道位置c，具体的计算方法可参见下述角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量方法的实施例。
上述的计算机用于接收非接触式测距传感器输出的测距信息和上编码器输出的角度信息，供后续计算使用。
本实施例中，芯轴位于非接触式测距传感器的正下方。在其他实施例中，在保证正常测量的情况下，也可使非接触式测距传感器位于芯轴的侧上方，或者是在水平方向上与芯轴平齐布置，只要满足以下坐标系即可：待测轴承内圈轴向为 X向，摆角电机的摆动输出部的回转中心轴线为Y向，摆角电机在Z向上位于待测轴承内圈旁侧，且摆角电机的摆动输出部在XZ平面内摆动。
本实施例中，摆角电机具体可沿Y向位置可调的固定安装在传感器支架上，这样可以调整摆角电机的位置，以使得激光位移传感器可以在XZ平面内沿Z向正对轴承内圈沟道的最低点，即处于上述的基准平面内，方便以此为基准位置进行后续的摆动测量。具体的，可在传感器支架上沿Y向滑动装配电机座，摆角电机固定安装在电机座上，电机座上装配紧固螺栓，在电机座带着摆角电机、激光位移传感器往复移动调整到位时，利用紧固螺栓将电机座固定安装在传感器支架上。
并且，在本实施例中，传感器支架5为可沿Z向高度可调的调整支架，用于调整非接触式测距传感器所处高度，满足不同径向尺寸的待测轴承内圈测量需要。具体的，传感器支架5具有伸缩式立柱，伸缩式立柱包括下立柱段和上立柱段，两立柱段插套配合，且两立柱段上可设置沿上下方向依次间隔布置的多个销孔，装配时，可以根据实际检测需要所需的高度调整两立柱段装配位置，进而调整整个传感器支架的高度。在其他实施例中，在实现传感器支架整体高度可调的情况下，可采用折叠摆动式的支架结构，也可以不适用销钉和销孔配合的方式，例如采用滑槽和紧定螺钉的方式，在下立柱段上设置滑槽，上立柱段导向装配在滑槽中，在上下调整到位后，旋装在滑槽中的紧定螺钉顶紧上立柱段即可。
本实施例所提供的测量装置中，可预先设计好传感器支架5的位置，使得激光位移传感器可在X向上(即待测轴承内圈的轴向上)正对待测轴承内圈的中心，调整摆角电机角度，使激光位移传感器沿Y向竖直向下，然后在Y向上移动调整摆角电机的位置，当激光位移传感器检测到的距离最小时，认为激光位移传感器处于基准位置，实际上，轴承内圈沟道在XZ平面内的截面的外轮廓线具有最低点，当激光位移传感器处于基准位置时，激光位移传感器正好处于XZ平面内且沿Z向正对轴承内圈沟道的最低点。
在激光位移传感器调整到位后，由摆角电机驱使激光位移传感器由基准位置朝向待测轴承内圈的基准端面摆动，在此过程中，由激光位移传感器记录相应外轮廓线上的轮廓点到摆角电机的摆动轴线的距离，由上编码器记录摆角电机的对应的转动角度，激光位移传感器和上编码器将检测结果输送至计算机，由计算机记录，据此可计算确定待测轴承内圈的沟道位置。
本实施例中，采用芯轴支撑待测轴承内圈，可根据实际检测需要由芯轴带着待测轴承内圈依次转动设计角度，可对应不同径向截面进行测量，得到不同径向截面的沟道位置，方便后序平均计算。
本实施例中，非接触式测距传感器具体为激光位移传感器，在其他实施例中，在满足测量精度要求的前提下，也可采用超声测距传感器。
本实施例中，采用芯轴支撑装配待测支撑内圈，这样可以根据实际测量需要转动设定角度，依次进行相应数值的测量。在其他实施例中，也可以采用支架的方式定位支撑待测的支撑内圈，支架可设置V形槽。
本实施例中，作为非接触式测距传感器的激光位移传感器布置于摆角电机的下侧，可以将非接触式测距传感器直接固定在摆动输出部上，这样一来，非接触式测距传感器所测数值需要加上非接触式测距传感器相对摆动输出部的回转中心轴线的回转半径，才等于待测轴承内圈相应外轮廓线上轮廓点与上述回转中心轴线的距离。在其他实施例中，非接触式测距传感器也可通过过渡连接件安装在摆动输出部上，过渡连接件可采用L形件，通过L形件调整非接触式测距传感器在摆动输出部上的安装位置，使非接触式测距传感器本身的计算基准正好处于回转中心轴线上，并使非接触式测距传感器绕回转中心轴线回转，此时，非接触式测距传感器所测数值即为待测轴承内圈相应外轮廓线上轮廓点与上述回转中心轴线的距离。
本发明还提供一种球轴承内圈沟道位置的非接触测量方法，包括如下步骤：
(1)将待测轴承内圈的轴向定义为X向，将摆角电机摆动输出部的回转中心轴线延伸方向定义为Y向，摆角电机在Z向上位于待测轴承内圈旁侧，待测轴承内圈的沟道在XZ平面内的轮廓线的最低点与所述回转中心轴线形成的基准平面平行于YZ平面，待测轴承内圈朝向所述非接触式测量传感器的一侧在XZ平面内的外轮廓线包括沟道轮廓线及周面轮廓线，沟道轮廓线和周面轮廓线的交点为过渡轮廓点，周面轮廓线与待测轴承内圈轴向上的相应基准端面的交点为末端轮廓点；
由摆动输出部驱动非接触式测量传感器围绕所述回转中心轴线在XZ平面内摆动，以扫描测量沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与非接触式测距传感器的距离数值，并利用上编码器测得与各距离数值一一对应的表示非接触式测量传感器相对所述基准平面转动的角度；
由非接触式测距传感器测得距离数值可得所述沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与所述回转中心轴线的距离，从中选取最小值作为过渡轮廓点到所述回转中心轴线的距离L2，从中选取与所述基准端面对应的极大值作为末端轮廓点到所述回转中心轴线的距离L1；
从所述上编码器测得的角度数值中选取与所述距离L1对应的角度α，以及选取与所述距离L2对应的角度β；
(2)计算得到末端外轮廓点到过渡外轮廓点的距离a，根据三角形余弦定理可得到下述计算公式，
Figure BDA0002227276160000081
(3)计算得到轴承内圈沟道位置c，即轴承内圈沟道轮廓线最低点到所述基准端面的距离，c＝a+L2 sinβ。
在此需要说明的是，此处的轴承内圈沟道位置c具体为轴承内圈沟道轮廓线最低点到所述基准端面的距离，而且，本实施例中的测量方法能够同时测量对应该沟道位置c的其他参数如末端外轮廓点到过渡外轮廓点的距离a。
上述步骤(1)中，如果非接触式测距传感器位于所述回转中心轴线的朝向所述待测轴承内圈的一侧，非接触式测距传感器测得的所述沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与非接触式测距传感器的距离数值，与非接触式测距传感器相对所述回转中心轴线的回转半径r之和，等于所述沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与所述回转中心轴线的距离。具体如图3所示，对应于末端轮廓点A来讲，非接触式测距传感器测得对应极大值为l1，该l1与非接触式测距传感器相对所述回转中心轴线的回转半径r之和等于末端轮廓点A到回转中心轴线O 的距离L1。同样的，对应于过渡轮廓点B来讲，非接触式测距传感器测得对应最小值为l2，该l2与非接触式测距传感器相对回转中心轴线的回转半径r之和等于过渡轮廓点B到回转中心轴线O的距离L2，然后根据对应的三角形关系，即可计算得到末端外轮廓点到过渡外轮廓点的距离a，并据此可计算得到轴承内圈沟道位置c。
将轴承内圈绕其中心轴线依次转动设定角度，每次转动到位后测量计算得到一个轴承内圈沟道位置，对所有轴承内圈沟道位置求平均值，即c＝(c1+c2+ …+cn)/n。
具体的，在本测量方法中，非接触式测距传感器可采用激光位移传感器或超声测距传感器，只要其满足非接触测量精度要求即可。
具体测量时，可采用如图1和图2所示的非接触测量装置进行测量，在计算末端外轮廓点到过渡外轮廓点的距离a，根据三角形余弦定理，在夹角和两边长已知的情况下，可以计算得到与计较对应的边长，如图3所示，进而计算得到末端外轮廓点到过渡外轮廓点的距离a，进而据此确定轴承内圈沟道位置。
本实施例中，会将待测轴承内圈转动多个角度，针对各个截面分别测量，进而保证沟道位置检测精度。在其他实施例中，如果对精度要求不高，或者沟道自身精度较高的话，也可仅测量单个截面，并不需要待测轴承内圈回转多次。
当然，在其他实施例中，如果非接触式测距传感器通过过渡连接件安装在摆动输出部上，过渡连接件可采用L形件，通过L形件调整非接触式测距传感器在摆动输出部上的安装位置，使非接触式测距传感器本身的计算基准正好处于回转中心轴线上，并使非接触式测距传感器绕回转中心轴线回转，此时，非接触式测距传感器测得的沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与非接触式测距传感器的距离数值，即为沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与摆角电机摆动输出部的回转中心轴线的距离。

Claims (3)

1.一种角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将待测轴承内圈的轴向定义为X向，将摆角电机摆动输出部的回转中心轴线延伸方向定义为Y向，摆角电机在Z向上位于待测轴承内圈旁侧，待测轴承内圈的沟道在XZ平面内的轮廓线的最低点与所述回转中心轴线形成的基准平面平行于YZ平面，待测轴承内圈朝向所述非接触式测量传感器的一侧在XZ平面内的外轮廓线包括沟道轮廓线及周面轮廓线，沟道轮廓线和周面轮廓线的交点为过渡轮廓点，周面轮廓线与待测轴承内圈轴向上的相应基准端面的交点为末端轮廓点；
由摆动输出部驱动非接触式测量传感器围绕所述回转中心轴线在XZ平面内摆动，以扫描测量沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与非接触式测距传感器的距离数值，并利用上编码器测得与各距离数值一一对应的表示非接触式测量传感器相对所述基准平面转动的角度；
由所述非接触式测距传感器测得距离数值可得所述沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与所述回转中心轴线的距离，从中选取最小值作为过渡轮廓点到所述回转中心轴线的距离L2，从中选取与所述基准端面对应的极大值作为末端轮廓点到所述回转中心轴线的距离L1；
从所述上编码器测得的角度数值中选取与所述距离L1对应的角度α，以及选取与所述距离L2对应的角度β；
(2)计算得到末端外轮廓点到过渡外轮廓点的距离a：
Figure FDA0002807568200000011
(3)计算得到轴承内圈沟道位置c，即轴承内圈沟道轮廓线最低点到所述基准端面的距离：
c＝a+L2sinβ。
2.根据权利要求1所述的角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量方法，其特征在于：所述非接触式测距传感器位于所述回转中心轴线的朝向所述待测轴承内圈的一侧，所述非接触式测距传感器测得的所述沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与非接触式测距传感器的距离数值，与非接触式测距传感器相对所述回转中心轴线的回转半径r之和，等于所述沟道轮廓线和周面轮廓线上的多个轮廓点与所述回转中心轴线的距离。
3.根据权利要求1或2所述的角接触球轴承内圈沟道位置的非接触测量方法，其特征在于：将轴承内圈绕其中心轴线依次转动设定角度，每次转动到位后测量计算得到一个轴承内圈沟道位置，再对所有轴承内圈沟道位置求平均值。
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