球面滚子非接触测量系统的开发

王晓强，崔凤奎，张毛焕

(河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003)

高质量的轴承制造离不开高精度的检测，对滚子的精确测量是保证轴承质量的重要环节。近年来，对轴承性能要求越来越高，工作环境更加严酷，对于一些应用在航空、航天等场合的特种轴承滚子，其精度、性能要求都较高，采用传统的检测方法无法满足检测的需要。国外设备昂贵，技术保密，不适合引进。

目前国内针对滚子的传统测量设备主要分为3大类：(1)检测样板[1]。此类检测为比对测量，依赖操作者的经验和操作技巧，人为误差比较大；(2)接触式轮廓测量仪。测量过程繁琐、效率低，误差较大，不适合批量测量[2]；(3)专用测量仪器。此类仪器都是针对零件的某一参数(如曲率半径、曲面凸度、圆心位置等)进行检测[3-8]，全参数测量仪器较少，且均为接触式测量。

1 滚子结构特点

球面滚子的结构如图1所示。滚子轴向为带有凸度的腰鼓形，其纵切面两侧的截线为圆弧，顶端面为一具有较大直径的切顶球面，且球冠高度仅为几十微米到上百微米，下端面为一平面，与滚子轴线无垂直度要求。

图1 球面滚子的结构

根据滚子的结构及尺寸控制条件，要求检测最大轴径L、轴截面圆弧半径R、球形端面球半径SR及最大轴径到球形端面球顶点(空间虚点)的距离H。此类滚子结构特点对测量仪器的定位及检测都提出了很高的要求。

2 测量系统方案设计

测量仪如图2所示，主要由大理石基台、角度可调式旋转工作台、精密电动平移台、光栅尺、光学测头组件及立柱支架组成。

1—大理石基台；2—角度可调式旋转工作台；3—光学测头组件；4—光栅尺；5—精密电动平移台；6—立柱支架

基本工作原理为：以滚子小端面进行初定位，通过安装于旋转工作台上呈正交组合的X，Y向角位移调整台实现滚子的摆正(保证滚子轴线与测头光幕相垂直)；通过精密电动平移台带动光学测头组件上下移动，实现对滚子的平扫测量，得到各扫描截面的径向尺寸，轴向位移由安装于立柱上的光栅尺获取；通过计算机对原始测量数据进行处理，得到滚子的最大轴径；对数据进行分段处理和圆弧拟合，计算出轴截面圆弧半径及球形端面球半径；根据球形端面球顶点的球心Z向坐标及最大轴径坐标值，得到最大轴径到球形端面虚拟球顶点的距离。

2.1 光学测头组件

光学测头组件采用日本Keyence公司的LS-7000系列绿色LED数字测微计，其结构如图3所示。

高亮度GaN绿色LED光源经标准透镜形成单一的平行光线对滚子进行照射，再经远心光学系统分别在HL-CCD及CMOS显示照相机上成像。CCD上明亮和黑暗区域之间的边缘检出，得到光幕扫描截面径向测量值；经数值二分，并与测头Z向位置相结合，获得零件轴向截面轮廓相对位置坐标。

图3 LS-7000系列光学测头测量原理图

LS-7000系列特有的绿色LED和远心镜头HL-CCD光学系统，能达到常规测微计的双倍速度和精度，系统采样速度达到每秒2 400点，测量精度达到±2 μm及±0.15 μm的重复性。

2.2 X-Y双向角度可调式旋转工作台

工作台的调整装置广泛应用于各种计量检测仪器中，是实现测量仪器高精度检测的保证，同时调整方法的可靠性和方便性也是影响测量仪器操作性的关键因素。现有工作台的调整装置大多通过楔形块或蜗轮蜗杆机构，借助于水平仪或者标准件加仪器本身的读数结果来实现对工作台的水平调整，且绝大多数仅能实现在一维方向上的水平调整。

之所以紧迫，主要是全球教育飞速发展，教育现代化也稳步推进，全国教育大会提出德智体美劳全面发展的人才培养目标也十分明确，作为同时具有健身功能与教育价值的体育学科的完善体育课程体系建设就显得更为紧迫。尤其是国外许多国家以人为本的体育课程体系建设经验日益丰富，我国一体化体育课程体系建设的步伐就更要加快。

针对上述问题，结合成熟的角位移工作台技术，提出了一种X-Y双向角度可调式旋转工作台，其结构如图4所示。工作台由回转台、2个耦合角位移台及垫铁组成。回转台绕轴线回转，按90°分度；2个耦合角位移台(偏摆中心重合)呈正交方式安装于回转台上；垫铁作为被测零件支撑台，其高度由耦合角位移台偏摆中心高度及被测零件高度范围确定。

1—被测零件；2—垫铁；3—耦合角位移台；4—回转台

进行轴线摆正(工件轴线与测头光幕相垂直)时，首先将测头移动到耦合角位移台的偏摆中心高度，调整角位移台，通过测头控制器显示数值找到最小读数状态，即为一个方向上的摆正；通过下层回转台使工作台旋转90°，重复上述调整过程，实现另一正交方向上的摆正。对于采用非接触式光幕测量仪器且回转类被测零件端平面与回转轴线没有垂直度要求时，此种调整方式具有显著的优点，它无需借助其他高精度检验装置即可实现被测零件的摆正，调整方便且速度快。

2.3 运动控制及数据采集

测量系统的运动控制是实现计算机自动测量的基础。根据测量系统的基本工作原理，构建硬件控制系统，其原理如图5所示。

图5 系统的硬件控制原理

在本系统中选用固高公司的GT系列运动控制器，该控制器采用2轴步进或伺服电动机控制，具有最高频率为8 MHz的4倍频增量式辅助编码器，满足精密电动平移台的运动控制以及Z轴的光栅读数。控制卡为PCI总线结构，采用转接板实现与外部硬件的信号连接，便于整个控制系统的构建。

测量系统的数据采集通过LS-7001型光学测头控制器获取，在控制器内部实现测量数据的数字化处理，并通过RS232C串口实现与计算机的通信。该控制器具有多种类型的计算功能、数据处理功能及校正功能，并配备直观的数显屏幕，可以方便地实现被测零件的摆正。对于系统数据采集的软件实现，则采用多线程和系统定时器相结合的编程方式，测量过程中不进行任何的数据处理及图形显示，以保证测量数据的精度。

3 系统标定

任何测量系统都需要精确的标定，系统标定精度直接影响整个系统的测量精度。本系统采用高精度LED光源和远心镜头HL-CCD，从硬件上保证了测量数据的线性度，故设备采用单点校准标定技术，其标定原理如图6所示。

图6 单点校准标定原理示意图

以已知标准值的圆柱T1作为单一测量点，基于校准前的显示值T1A(测量值)和校准后的显示值T1B(真值)对测头进行标定，得到系统标定系数为

(1)

则对于任一测量值x，其真实数据为

x′=βx。

(2)

光学测头所采用的平行光幕尽管厚度很小(约30 μm)，但对于零件端面(特别是球端面)的数据采集仍有较大影响。测量过程中采用分序列数据处理标定技术，对不同的测量区域设置不同的边缘检测阈值，不同阈值检测状态下进行独立的单点校准标定，有效减小了光幕厚度尺寸对精确数据采集的影响。

4 软件系统组成及工作流程

测量软件系统主要由系统设置、测量数据的处理及文件操作等几部分组成，各个功能模块如图7所示。

图7 系统功能组成模块

系统设置功能包括计算机与测头控制器串口通信参数、平移台运动参数及被测零件设计参数等；数据处理模块功能实现对零件的自动测量、数据拟合及图形输出等；文件操作模块实现对测量数据的读取、保存以及处理结果的打印输出等功能。软件系统的工作流程如图8所示。

图8 软件系统工作流程

5 系统精度分析

为了验证系统的综合测量精度，随机选取一组(6个)钢球作为被测对象，采用三坐标测量机(CMM)测量球直径作为比对值，以检验本测量系统的测量精度及测量数据重复性(稳定性)。具体测量数据见表1和表2。

表1 不同钢球直径测量值 mm

表1中，系统所测得的钢球直径为同一钢球5次测量结果的平均值，可以看出，所构建的测量系统测量结果与CMM测量结果误差在±1 μm之内，满足系统的高精度测量要求。

表2所示测量数据为截取3#钢球不同的测量范围所测得的钢球直径数据。从表中可以得出，测量结果误差在2 μm之内，表明本系统测量结果稳定，重复性较高。

6 结束语

在分析球面滚子结构及技术要求特点的基础上，构建了针对此类零件的测量系统硬件平台及控制结构，分析了软件系统的功能组成模块和整体工作流程。该测量系统以非接触光学精密测量技术为基础，综合运用计算机视觉、精密运动控制及计算机控制等相关技术，实现了在计算机集成控制下对球面滚子的自动化测量及一次扫描下的全参数评定。经实际应用表明，所开发的测量系统满足对球面滚子检测的功能及精度要求。

表2 同一钢球(3#：28.498 mm)直径测量值 mm