CN112871717B - 钢球直径高精度分选装置及方法 - Google Patents

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Abstract

钢球直径高精度分选装置及方法属于钢球分选技术领域，目的在于解决现有技术存在的高俅测量精度低、分选精度低的问题。本发明的分选装置包括：上料排队系统，所述上料排队系统至少包括一个钢球提升机构以及一个钢球排队通道，通过钢球提升机构将钢球送入钢球排队通道，所述钢球排队通道宽度方向最多容纳一个钢球；直径测量系统，所述直径测量系统包括测量探头以及光学显微系统，通过测量探头对钢球进行等力夹持，夹持后上方留有狭缝，通过光学显微系统对狭缝进行成像；分组机构，所述分组机构根据直径测量系统测量的结果将钢球分入对应分组料仓内；以及中控系统，通过所述中控系统控制上料排队系统、直径测量系统以及分组机构动作。

Description

钢球直径高精度分选装置及方法
技术领域
本发明属于钢球分选技术领域，具体涉及一种钢球直径高精度分选装置及方法。
背景技术
钢球几何尺寸的一致性，对轴承的质量有直接的影响。钢球尺寸一致性越好、轴承质量越好。目前，国内大多数厂家生产的钢球，同一批次直径变动量在0.5μm到1μm，圆度误差0.05μm到0.08μm。国内的钢球分选设备，均采用机械对辊的方式进行筛选。这种分选方式由于加工和装配精度的原因，实现不了高精度的筛选，目前能实现的最高分选精度为2μm。为了进一步提高轴承质量，有必要将钢球按直径分选成不同的组，每组内直径变化很小(如按0.1μm一组)，现有技术中没有这类的分选系统。
发明内容
本发明的目的在于提出一种钢球直径高精度分选装置及方法，解决现有技术存在的高俅测量精度低、分选精度低的问题，提高轴承质量。
为实现上述目的，本发明的钢球直径高精度分选装置包括：
上料排队系统，所述上料排队系统至少包括一个钢球提升机构以及一个钢球排队通道，通过钢球提升机构将钢球送入钢球排队通道，所述钢球排队通道宽度方向最多容纳一个钢球；
直径测量系统，所述直径测量系统包括测量探头以及光学显微系统，通过测量探头对钢球进行等力夹持，夹持后上方留有狭缝，通过光学显微系统对狭缝进行成像；
分组机构，所述分组机构根据直径测量系统测量的结果将钢球分入对应分组料仓内；
以及中控系统，通过所述中控系统控制上料排队系统、直径测量系统以及分组机构动作。
所述上料排队系统包括：
料斗，所述料斗为方体结构，底部一侧开有开口；
过渡料道，所述过渡料道一端和所述料斗的开口端搭接；
设置在所述过渡料道另一端的钢球提升机构；
钢球排队通道，通过所述钢球提升机构将所述过渡料道另一端的钢球送入钢球排队通道内，所述钢球排队通道由进口端至出口端向下倾斜；
钢球检测传感器，通过钢球检测传感器检测钢球排队料道内是否排满钢球，中控系统根据钢球检测传感器检测结果控制钢球提升机构停止工作或继续工作；
以及拨球机构，所述拨球机构包括位于钢球排队通道出口端的拨球盘，所述拨球盘外圆周圆周均布多个拨槽，所述拨球盘通过电机带动转动。
所述钢球提升机构包括：
设置在所述过渡料道另一端的提升托板，所述提升托板的上端面与过渡料道接触的一侧到另一侧向下倾斜；
和所述提升托板下端面固定连接的提升气缸，通过所述提升气缸带动所述提升托板上下运动。
所述过渡料道从一端至另一端向下倾斜；所述过渡料道由一端至另一端长度大于600mm。
所述钢球排队通道为V型槽或侧面开口的玻璃管。
所述直径测量系统包括：
测量平台，所述测量平台上设置有V型进料通道，所述V型进料通道和所述钢球排队通道垂直设置，所述钢球排队通道的出口端端面位于所述V型进料通道的对称面上；
固定端，所述固定端为L型板，所述固定端的L型板的竖直板的自由端和测量平台固定连接，所述固定端的L型板的水平板和所述测量平台平行设置；
移动端，所述移动端为L型板，所述移动端的L型板的竖直板的自由端和测量平台滑动配合，所述移动端的L型板的水平板和所述测量平台平行设置，当所述固定端的L型板的竖直板与移动端的L型板的竖直板夹紧钢球时，所述固定端的L型板的水平板与移动端的L型板的水平板之间留有测量狭缝；所述固定端的L型板的竖直板与移动端的L型板的竖直板的平行度为2μm/100mm；所述移动端通过步进电机带动伸缩杆驱动运动；
以及位于所述测量狭缝上方的光学显微系统，所述光学显微系统对测量狭缝成像并传输至中控系统。
所述分组机构包括：
分球盘，所述分球盘圆周均布多个盛球孔；所述分球盘通过步进电机带动转动运动，每次转动的角度为相邻两个盛球孔所对应的圆心角；
进料通道，所述进料通道的一端和直径测量系统的V型进料通道的另一端搭接，所述进料通道的另一端指向任意一个盛球孔；
多个分组通道，多个所述分组通道上端分别和多个盛球孔对应，每个所述分组通道上端设置有闸门，所述闸门通过闸门气缸带动开合，所述闸门气缸通过中控系统控制动作；
以及多个分组料仓，多个所述分组料仓分别和多个所述分组通道的下端连通。
基于钢球直径高精度分选装置的分选方法包括以下步骤：
步骤一：启动分选装置，预留测量狭缝宽度0.05mm，同一批次第一个进入直径测量系统的钢球作为测量基准；
步骤二：钢球进入直径测量系统，调整移动端相对固定端以恒定力夹紧钢球；
步骤三：调整光学显微系统的对焦，使之能准确显示测量狭缝图像；
步骤四：通过光学显微系统采集测量狭缝的图像，并传输至中控系统，通过中控系统对图像进行处理获得测量狭缝的宽度；
步骤五：完成当前钢球测量后进入到钢球分组机构中，根据测得的测量狭缝宽度与测量基准的狭缝的宽度进行对比，每相差0.1μm为一组，通过中控系统控制对应分组通道的闸门开启，使钢球进入到对应的分组料仓内；
重复步骤二至步骤六，直到所有钢球完成分选。
所述分选方法还包括对钢球排队通道进行检测过程，通过钢球检测传感器实时检测钢球排队通道内的钢球是否排满，并将检测结果实时传输给中控系统，若没有排满，中控系统控制钢球提升机构继续工作；若已经排满，中控系统控制钢球提升机构停止工作。
中控系统对图像进行处理获得测量狭缝的宽度具体为：
采用图像边缘算法精确确定狭缝图像上下边缘，再计算上下边缘的距离，即为测量狭缝的宽度。
本发明的有益效果为：本发明通过中控系统控制上料排队系统、直径测量系统以及分组系统协同动作，通过上料排队系统实现钢球先后的排序，使同一时刻只有一个钢球进入到直径测量系统中，直径测量系统中通过对比在同一条件下测量狭缝的差值实现钢球直径差值的获得，测量结果准确，通过分组机构将于基准每相差0.1μm的分为一组，中控系统根据对应的钢球转动到对应的分组通道上方后打开对应闸门，使钢球进入到对应的分组料仓内，使直径差在0.1μm的钢球分到同一组，同一轴承使用同一组的钢球，提高轴承的质量。
附图说明
图1为本发明的钢球直径高精度分选装置中钢球上料排队系统结构示意图；
图2为本发明的钢球直径高精度分选装置中直径测量系统结构示意图；
图3为本发明的钢球直径高精度分选装置中直径测量系统结构原理图；
图4为本发明的钢球直径高精度分选装置中分组机构结构示意图；
图5为本发明的钢球直径高精度分选装置中中控系统控制示意图；
图6为本发明的钢球直径高精度分选方法中采集的测量狭缝限位图像；
其中：1、上料排队系统，101、料斗，102、过渡料道，103、提升托板，104、钢球排队通道，105、钢球检测传感器，106、拨球盘，107、拨槽；2、直径测量系统，201、光学显微系统，202、测量平台，203、固定端，204、移动端，205、测量狭缝，206、V型进料通道，207、伸缩杆，3、分组机构，301、分球盘，302、盛球孔，303、分组通道。
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。
参见附图1-附图5，本发明的钢球直径高精度分选装置包括：
上料排队系统1，所述上料排队系统1至少包括一个钢球提升机构以及一个钢球排队通道104，通过钢球提升机构将钢球送入钢球排队通道104，所述钢球排队通道104宽度方向最多容纳一个钢球；
直径测量系统2，所述直径测量系统2包括测量探头以及光学显微系统201，通过测量探头对钢球进行等力夹持，夹持后上方留有狭缝，通过光学显微系统201对狭缝进行成像；通过力传感器的测量实现等力夹持；
分组机构3，所述分组机构3根据直径测量系统2测量的结果将钢球分入对应分组料仓内；
以及中控系统，通过所述中控系统控制上料排队系统1、直径测量系统2以及分组机构3动作。所述中空系统为工控机。
所述上料排队系统1包括：
料斗101，所述料斗101为方体结构，底部一侧开有开口；开口的高度应大于4倍钢球直径，以保证钢球能顺利滚出，安装时将料斗101倾斜安装以保证钢球都能顺利滚出，料斗101内不会有存球；
过渡料道102，所述过渡料道102一端和所述料斗101的开口端搭接；
设置在所述过渡料道102另一端的钢球提升机构；
钢球排队通道104，通过所述钢球提升机构将所述过渡料道102另一端的钢球送入钢球排队通道104内，所述钢球排队通道104由进口端至出口端向下倾斜；
钢球检测传感器105，通过钢球检测传感器105检测钢球排队料道内是否排满钢球，中控系统根据钢球检测传感器105检测结果控制钢球提升机构停止工作或继续工作；
以及拨球机构，所述拨球机构包括位于钢球排队通道104出口端的拨球盘106，所述拨球盘106外圆周圆周均布多个拨槽107，所述拨球盘106通过电机带动转动。
所述钢球提升机构包括：
设置在所述过渡料道102另一端的提升托板103，所述提升托板103的上端面与过渡料道102接触的一侧到另一侧向下倾斜，保证在向上提升钢球时，钢球不会落回到过渡料道102内；
和所述提升托板103下端面固定连接的提升气缸，通过所述提升气缸带动所述提升托板103上下运动。每上升一次就将最前端的一排钢球提升到钢球排队通道104上方，钢球滚入钢球排队通道104，完成排队工作；排队通道内的钢球在重力作用下向下滚动。
所述过渡料道102从一端至另一端向下倾斜，本实施例倾斜角度为5°，保证钢球能向下滚动，不存球；所述过渡料道102由一端至另一端长度大于600mm，以保证最前端只有一层钢球。
所述钢球排队通道104为V型槽或侧面开口的玻璃管。
所述直径测量系统2包括：
测量平台202，所述测量平台202上设置有V型进料通道206，所述V型进料通道206和所述钢球排队通道104垂直设置，所述钢球排队通道104的出口端端面位于所述V型进料通道206的对称面上；
固定端203，所述固定端203为L型板，所述固定端203的L型板的竖直板的自由端和测量平台202固定连接，所述固定端203的L型板的水平板和所述测量平台202平行设置；
移动端204，所述移动端204为L型板，所述移动端204的L型板的竖直板的自由端和测量平台202滑动配合，所述移动端204的L型板的水平板和所述测量平台202平行设置，当所述固定端203的L型板的竖直板与移动端204的L型板的竖直板夹紧钢球时，所述固定端203的L型板的水平板与移动端204的L型板的水平板之间留有测量狭缝205；所述固定端203的L型板的竖直板与移动端204的L型板的竖直板的平行度为2μm/100mm；所述移动端204通过步进电机带动伸缩杆207驱动运动；上料排队系统1的钢球排队通道104内通过重力由上料端滚到出口端，出口端的钢球通过拨球机构进入到固定端203和移动端204之间的V型进料通道206内，并通过分组机构3的进料通道靠钢球重力进入到分组机构3中的分球盘301的盛球孔302内；
以及位于所述测量狭缝205上方的光学显微系统201，所述光学显微系统201对测量狭缝205成像并传输至中控系统。所述光学显微系统201包括CCD相机以及光学系统。
所述分组机构3包括：
分球盘301，所述分球盘301圆周均布多个盛球孔302；所述分球盘301通过步进电机带动转动运动，每次转动的角度为相邻两个盛球孔302所对应的圆心角；
进料通道，所述进料通道的一端和直径测量系统2的V型进料通道206的另一端搭接，所述进料通道的另一端指向任意一个盛球孔302；钢球通过重力由直径测量系统2通过进料通道滚入到分球盘301的盛球孔302内；
多个分组通道303，多个所述分组通道303上端分别和多个盛球孔302对应，每个所述分组通道303上端设置有闸门，所述闸门通过闸门气缸带动开合，所述闸门气缸通过中控系统控制动作；
以及多个分组料仓，多个所述分组料仓分别和多个所述分组通道303的下端连通。
本发明的分选装置从上料排队系统1至最后的分组机构3中每一步的传递均是通过钢球的重力实现滚动传输。
基于钢球直径高精度分选装置的分选方法包括以下步骤：
步骤一：启动分选装置，预留测量狭缝205宽度0.05mm，同一批次第一个进入直径测量系统2的钢球作为测量基准；
步骤二：钢球进入直径测量系统2，调整移动端204相对固定端203以恒定的1牛顿的力夹紧钢球；
步骤三：调整光学显微系统201的对焦，使之能准确显示测量狭缝205图像；
步骤四：参见附图6，通过光学显微系统201采集测量狭缝205的图像，并传输至中控系统，通过中控系统对图像进行处理获得测量狭缝205的宽度；
步骤五：完成当前钢球测量后进入到钢球分组机构3中，根据测得的测量狭缝205宽度与测量基准的狭缝的宽度进行对比，每相差0.1μm为一组，通过中控系统控制对应分组通道303的闸门开启，使钢球进入到对应的分组料仓内；
重复步骤二至步骤六，直到所有钢球完成分选。
所述分选方法还包括对钢球排队通道104进行检测过程，通过钢球检测传感器105实时检测钢球排队通道104内的钢球是否排满，并将检测结果实时传输给中控系统，若没有排满，中控系统控制钢球提升机构继续工作；若已经排满，中控系统控制钢球提升机构停止工作。
中控系统对图像进行处理获得测量狭缝205的宽度具体为：
采用图像边缘算法精确确定狭缝图像上下边缘，再计算上下边缘的距离，即为测量狭缝205的宽度。确定狭缝图像上下边缘可以选用canny算法。
测量精度取决于CCD相机和光学系统放大倍数。本实施例的CCD相机为4680X3456像素，靶面宽度10mm。取视场宽度为0.04mm，250倍光学系统，则测量精度0.0085μm/像素。
固定端203和移动端204组成的测量探头的平行度是测量准确的保障。钢球在测量时位置变化很小，可以控制在0.5mm之内。由平行度引起的测量误差应小于0.01um，那么平行度应为2μm/100mm。
本发明可以达到的技术指标：钢球直径范围2.381mm到9.525mm。分选效率不低于7000粒/小时。分选精度可设定，最高精度0.1um。分组不少于7组。分选过程不产生磕碰伤和擦伤。

Claims (9)

1.钢球直径高精度分选装置，其特征在于，包括：
上料排队系统(1)，所述上料排队系统(1)至少包括一个钢球提升机构以及一个钢球排队通道(104)，通过钢球提升机构将钢球送入钢球排队通道(104)，所述钢球排队通道(104)宽度方向最多容纳一个钢球；
直径测量系统(2)，所述直径测量系统(2)包括测量探头以及光学显微系统(201)，通过测量探头对钢球进行等力夹持，夹持后上方留有狭缝，通过光学显微系统(201)对狭缝进行成像；
分组机构(3)，所述分组机构(3)根据直径测量系统(2)测量的结果将钢球分入对应分组料仓内；
以及中控系统，通过所述中控系统控制上料排队系统(1)、直径测量系统(2)以及分组机构(3)动作；
所述直径测量系统(2)包括：
测量平台(202)，所述测量平台(202)上设置有V型进料通道(206)，所述V型进料通道(206)和所述钢球排队通道(104)垂直设置，所述钢球排队通道(104)的出口端端面位于所述V型进料通道(206)的对称面上；
固定端(203)，所述固定端(203)为L型板，所述固定端(203)的L型板的竖直板的自由端和测量平台(202)固定连接，所述固定端(203)的L型板的水平板和所述测量平台(202)平行设置；
移动端(204)，所述移动端(204)为L型板，所述移动端(204)的L型板的竖直板的自由端和测量平台(202)滑动配合，所述移动端(204)的L型板的水平板和所述测量平台(202)平行设置，当所述固定端(203)的L型板的竖直板与移动端(204)的L型板的竖直板夹紧钢球时，所述固定端(203)的L型板的水平板与移动端(204)的L型板的水平板之间留有测量狭缝(205)；所述固定端(203)的L型板的竖直板与移动端(204)的L型板的竖直板的平行度为2μm/100mm；所述移动端(204)通过步进电机带动伸缩杆(207)驱动运动；
以及位于所述测量狭缝(205)上方的光学显微系统(201)，所述光学显微系统(201)对测量狭缝(205)成像并传输至中控系统。
2.根据权利要求1所述的钢球直径高精度分选装置，其特征在于，所述上料排队系统(1)包括：
料斗(101)，所述料斗(101)为方体结构，底部一侧开有开口；
过渡料道(102)，所述过渡料道(102)一端和所述料斗(101)的开口端搭接；
设置在所述过渡料道(102)另一端的钢球提升机构；
钢球排队通道(104)，通过所述钢球提升机构将所述过渡料道(102)另一端的钢球送入钢球排队通道(104)内，所述钢球排队通道(104)由进口端至出口端向下倾斜；
钢球检测传感器(105)，通过钢球检测传感器(105)检测钢球排队料道内是否排满钢球，中控系统根据钢球检测传感器(105)检测结果控制钢球提升机构停止工作或继续工作；
以及拨球机构，所述拨球机构包括位于钢球排队通道(104)出口端的拨球盘(106)，所述拨球盘(106)外圆周圆周均布多个拨槽(107)，所述拨球盘(106)通过电机带动转动。
3.根据权利要求2所述的钢球直径高精度分选装置，其特征在于，所述钢球提升机构包括：
设置在所述过渡料道(102)另一端的提升托板(103)，所述提升托板(103)的上端面与过渡料道(102)接触的一侧到另一侧向下倾斜；
和所述提升托板(103)下端面固定连接的提升气缸，通过所述提升气缸带动所述提升托板(103)上下运动。
4.根据权利要求2所述的钢球直径高精度分选装置，其特征在于，所述过渡料道(102)从一端至另一端向下倾斜；所述过渡料道(102)由一端至另一端长度大于600mm。
5.根据权利要求1所述的钢球直径高精度分选装置，其特征在于，所述钢球排队通道(104)为V型槽或侧面开口的玻璃管。
6.根据权利要求1所述的钢球直径高精度分选装置，其特征在于，所述分组机构(3)包括：
分球盘(301)，所述分球盘(301)圆周均布多个盛球孔(302)；所述分球盘(301)通过步进电机带动转动运动，每次转动的角度为相邻两个盛球孔(302)所对应的圆心角；
进料通道，所述进料通道的一端和直径测量系统(2)的V型进料通道(206)的另一端搭接，所述进料通道的另一端指向任意一个盛球孔(302)；
多个分组通道(303)，多个所述分组通道(303)上端分别和多个盛球孔(302)对应，每个所述分组通道(303)上端设置有闸门，所述闸门通过闸门气缸带动开合，所述闸门气缸通过中控系统控制动作；
以及多个分组料仓，多个所述分组料仓分别和多个所述分组通道(303)的下端连通。
7.基于权利要求1所述的钢球直径高精度分选装置的分选方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：启动分选装置，预留测量狭缝(205)宽度0.05mm，同一批次第一个进入直径测量系统(2)的钢球作为测量基准；
步骤二：钢球进入直径测量系统(2)，调整移动端(204)相对固定端(203)以恒定力夹紧钢球；
步骤三：调整光学显微系统(201)的对焦，使之能准确显示测量狭缝(205)图像；
步骤四：通过光学显微系统(201)采集测量狭缝(205)的图像，并传输至中控系统，通过中控系统对图像进行处理获得测量狭缝(205)的宽度；
步骤五：完成当前钢球测量后进入到钢球分组机构(3)中，根据测得的测量狭缝(205)宽度与测量基准的狭缝的宽度进行对比，每相差0.1μm为一组，通过中控系统控制对应分组通道(303)的闸门开启，使钢球进入到对应的分组料仓内；
重复步骤二至步骤六，直到所有钢球完成分选。
8.根据权利要求7所述的分选方法，其特征在于，所述分选方法还包括对钢球排队通道(104)进行检测过程，通过钢球检测传感器(105)实时检测钢球排队通道(104)内的钢球是否排满，并将检测结果实时传输给中控系统，若没有排满，中控系统控制钢球提升机构继续工作；若已经排满，中控系统控制钢球提升机构停止工作。
9.根据权利要求7所述的分选方法，其特征在于，中控系统对图像进行处理获得测量狭缝(205)的宽度具体为：
采用图像边缘算法精确确定狭缝图像上下边缘，再计算上下边缘的距离，即为测量狭缝(205)的宽度。
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