一种轴承球球度的测量装置及测量方法与流程

本发明属于精密测量装备技术领域，具体涉及一种轴承球球度的测量装置及测量方法。

背景技术：

目前，轴承球专用的球度测量方法为测量三个相互正交的赤道圆上的圆度数据，取其圆度的最大值当做球度误差，该方法虽然效率高，但是该方法具有测量覆盖球面范围小，测得的圆度数据无法实现球度拟合，与球度误差的定义相差较大等缺陷。除此以外还有采用光干涉原理进行轴承球球度拟合的方法，但是该方法对环境要求较高，并且测量效率较低，不适合在工业现场的高效高精度球度测量。

而在通用球度测量方面，主要有三坐标测量机测球度、圆度/圆柱度仪测球、气动法测球度、光学法测球度、球坐标法测球度等方法，如果采用坐标测量机测量球度，测量效率低，采集点数较稀疏，不适合做精密球检测；采用圆度/圆柱度仪方法测量球度，虽然可扩展性好，测量点可以很多，测量效率适中，但是需要频繁转动球体，引入了测量基准变动误差，测量精度差；采用气动法测量球度调整复杂，对于不同直径的球适应性差；光干涉法测量球度不仅需要采用标准镜，数据后处理复杂，而且对测量环境要求高，不适合工业现场环境；球坐标法测量球度理论测量精度高，但调整机构多，且大部分要为手动调整，调整复杂，测量效率差，可扩展性较差。

现有的轴承球加工方法较为先进，能够使得研磨均匀性与一致性较好，球形偏差较小，而现有的球度测量方法主要为通用球度测量方法，只适用于实验室环境，且部分方法需要频繁的转动球体，引入测量基准变动误差，且测量效率较差，对轴承球球度测量不利，专用于在工业现场中的轴承球专用测量方法较少。

技术实现要素：

本发明的目的是为了实现轴承球的自动高效、高精度的球度测量，本发明提供一种轴承球球度的测量装置。

本发明的第二个目的是提供一种轴承球球度的测量方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种轴承球球度的测量装置，包括工作台、气体静压转台，快换夹具、色散共焦传感器和位置调整机构，所述气体静压转台和位置调整机构均安装在工作台上，所述快换夹具安装在气体静压转台上，所述快换夹具的顶端中部设置有外形为倒置的锥形或倒置的圆台形的凹槽ⅰ，轴承球放置在凹槽ⅰ内，所述气体静压转台、快换夹具与轴承球同轴心，所述色散共焦传感器安装在位置调整机构上，所述色散共焦传感器的测量头与轴承球相对设置，所述位置调整机构驱动色散共焦传感器前后运动和上下运动。

进一步的，所述快换夹具包括底座ⅰ、过渡锥、轴承球定位块，所述底座ⅰ固定在气体静压转台上，所述底座ⅰ的上表面向下设置有外形为倒置的锥形或倒置的圆台形的凹槽ⅱ，所述过渡锥匹配放置在凹槽ⅱ内，所述过渡锥通过平键与底座ⅰ固定，所述轴承球定位块固定在过渡锥上，所述凹槽ⅰ设置在轴承球定位块的上表面，所述底座ⅰ、过渡锥、轴承球定位块与气体静压转台同轴心。

进一步的，所述过渡锥的中部设置有环状凸缘，所述环状凸缘上设置有凹槽ⅲ，所述凹槽ⅱ侧壁的上表面向下设置有凹槽ⅳ，所述平键匹配设置在凹槽ⅲ和凹槽ⅳ内。

进一步的，所述过渡锥的上表面设置有圆柱形凹槽ⅴ，所述凹槽ⅴ的侧壁上开设有若干个螺纹孔，所述轴承球定位块的下端匹配设置在凹槽ⅴ内，螺钉穿过螺纹孔将轴承球定位块固定在过渡锥上。

进一步的，所述位置调整机构包括伸缩位移台和气体静压垂直轴，所述伸缩位移台包括伺服电机、丝杆ⅰ、滑块、滑轨、底座ⅱ，所述伺服电机固定在底座ⅱ上，所述滑轨水平固定在底座ⅱ上，所述滑块滑动设置在滑轨上，所述丝杆ⅰ水平设置，所述丝杆ⅰ的一端与伺服电机的输出轴固定连接，另一端与丝母ⅰ螺纹连接，所述丝母ⅰ与滑块固定连接，所述色散共焦传感器固定在滑块上，所述伺服电机驱动色散共焦传感器的左右移动。

进一步的，所述气体静压垂直轴包括立柱、步进电机、丝杆ⅱ、丝母座、前溜板、后溜板、左侧溜板和右侧溜板，所述步进电机固定在立柱的上表面，所述丝杆ⅱ竖直设置，所述丝杆ⅱ的一端与步进电机的输出轴连接，另一端与丝母座螺纹连接，所述前溜板、后溜板、左侧溜板和右侧溜板分别设置在立柱的四周，所述前溜板的左右两端和后溜板的左右两端分别与左侧溜板和右侧溜板固定连接，所述前溜板、后溜板、左侧溜板和右侧溜板均设置有贯穿溜板厚度的通孔ⅱ，所述通孔ⅱ内均安装有节流器，所述底座ⅱ固定在前溜板上，所述前溜板固定在丝母座上。

进一步的，所述气体静压垂直轴还包括光栅尺和读数头，所述光栅尺固定在立柱的左侧表面上，所述读数头固定在左侧溜板上并与光栅尺相对设置。

进一步的，所述立柱的四个侧面均竖直设置有长条形凹槽ⅵ，所述丝杆ⅱ位于立柱的前侧面设置的凹槽ⅵ内部。

进一步的，所述色散共焦传感器通过抱座固定在过渡板上，所述过渡板固定在滑块上。

进一步的，所述伺服电机、步进电机、气体静压转台的驱动电机、读数头和色散共焦传感器均与多轴运动控制器电连接，所述多轴运动控制器与上位机电连接。

一种利用所述的测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：将待测轴承球放置在凹槽ⅰ内，多轴运动控制器驱动伺服电机转动，使色散共焦传感器的测量头与轴承球的赤道圆相对，且色散共焦传感器的测量头距离轴承球的距离在色散共焦传感器的量程内；多轴运动控制器控制气体静压转台带动快换夹具转动，从而带动轴承球回转；

步骤二：启动多轴运动控制器的数据采集功能，测量轴承球的圆度数据，将测量的数据存储在内存中；

步骤三：运动结束，上位机读取采集的测量数据，并清空数据采集区；

步骤四：上位机发出运送命令，使多轴运动控制器控制伺服电机和步进电机的转动，使色散共焦传感器进入下一个测量点，准备测量轴承球下一个纬圆圆度数据；

步骤五：重复步骤二至步骤四，直至所有的纬圆圆度数据均采集完毕；

步骤六：上位机通过轴承球的各纬圆圆度数据进行球度拟合，实现球度误差的求解，并按照轴承球球度等级为测量的轴承球定级。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

本发明记载的一种轴承球球度的测量装置，以色散共焦传感器为核心测量工具，以伸缩位移台和气体静压垂直轴为驱动元件，能够实现轴承球多条纬圆圆度数据的高速采集，由于色散共焦传感器测量速度高，能够实现在一秒内测量一条纬圆圆度数据，测量效率高，并且色散共焦传感器的测量精度高，配合位置调整机构及气体静压转台能够保证测量精度。

本发明记载的利用所述测量装置测量轴承球球度的方法，通过多条纬圆圆度数据拟合出球度误差，既能够测量较大的球面范围，并能够实现球度拟合，更接近球度误差的定义，并且该测量方法不需要转动球体，不会引入重复定位误差，并且采用锥形快换夹具能够实现不同直径的轴承球进行快速定位。

综上本发明具有测量效率高，测量精度高等特点，并且能够实现在工业现场的高精度测量。

附图说明

图1为测量装置整体结构图；

图2为测量装置结构爆炸图；

图3为快换夹具爆炸图；

图4为测量装置剖视图；

图5为测量装置俯视图；

图6为测量球结构示意图；

图7为测量装置与上位机的连接结构示意图；

图8为测量方法流程图；

图中：1、工作台，2、气体静压转台，3、快换夹具，4、色散共焦传感器，5、位置调整机构，6、轴承球，31、凹槽ⅰ，32、底座ⅰ，33、过渡锥，34、轴承球定位块，35、平键，321、凹槽ⅱ，322、凹槽ⅳ，331、环状凸缘，332、凹槽ⅲ，333、凹槽ⅴ，334、螺纹孔，335、螺钉，51、伸缩位移台，52、气体静压垂直轴，511、伺服电机，512、滑块，513、滑轨，514、底座ⅱ，515、抱座，516、过渡板，522、立柱，523、步进电机，524、丝杆ⅱ，525、丝母座，526、前溜板，527、后溜板，528、左侧溜板，529、右侧溜板，530、光栅尺，531、读数头，532、联轴器，533、电机座，534、上盖板，535、读数头支架，536、丝杆固定侧轴承，537、垫板，538、通孔ⅱ，5221、凹槽ⅵ。

具体实施方式

下面结合附图1-8对本发明做详细的介绍。

具体实施方式一

一种轴承球球度的测量装置，包括工作台1、气体静压转台2，快换夹具3、色散共焦传感器4和位置调整机构5，所述气体静压转台2和位置调整机5构均安装在工作台1上，所述快换夹具3安装在气体静压转台2上，所述快换夹具3的顶端中部设置有外形为倒置的锥形或倒置的圆台形的凹槽ⅰ31，轴承球6放置在凹槽ⅰ31内，所述气体静压转台2、快换夹具3与轴承球6同轴心，所述色散共焦传感器4安装在位置调整机构5上，所述色散共焦传感器4的测量头与轴承球6相对设置，所述位置调整机构5驱动色散共焦传感器4前后运动和上下运动。

进一步的，所述快换夹具3包括底座ⅰ32、过渡锥33、轴承球定位块34，所述底座ⅰ32固定在气体静压转台2上，所述底座ⅰ32的上表面向下设置有外形为倒置的锥形或倒置的圆台形的凹槽ⅱ321，所述过渡锥33匹配放置在凹槽ⅱ321内，所述过渡锥33通过平键35与底座ⅰ32固定，所述轴承球定位块34固定在过渡锥33上，所述凹槽ⅰ31设置在轴承球定位块34的上表面，所述底座ⅰ32、过渡锥33、轴承球定位块34与气体静压转台2同轴心。

进一步的，所述过渡锥33的中部设置有环状凸缘331，所述环状凸缘331上设置有凹槽ⅲ332，所述凹槽ⅱ321侧壁的上表面向下设置有凹槽ⅳ322，所述平键35匹配设置在凹槽ⅲ332和凹槽ⅳ322内。

进一步的，所述过渡锥33的上表面设置有圆柱形凹槽ⅴ333，所述凹槽ⅴ333的侧壁上开设有若干个螺纹孔334，所述轴承球定位块34的下端匹配设置在凹槽ⅴ333内，螺钉335穿过螺纹孔334将轴承球定位块34固定在过渡锥33上。

进一步的，所述位置调整机构5包括伸缩位移台51，所述伸缩位移台51包括伺服电机511、丝杆ⅰ、滑块512、滑轨513、底座ⅱ514，所述伺服电机511固定在底座ⅱ514上，所述滑轨513水平固定在底座ⅱ514上，所述滑块512滑动设置在滑轨513上，所述丝杆ⅰ水平设置，所述丝杆ⅰ的一端与伺服电机511的输出轴固定连接，另一端与丝母ⅰ螺纹连接，所述丝母ⅰ与滑块512固定连接，所述色散共焦传感器4固定在滑块512上；所述伺服电机511驱动色散共焦传感器4的左右移动。

进一步的，所述位置调整机构5还包括气体静压垂直轴52，所述气体静压垂直轴52包括立柱522、步进电机523、丝杆ⅱ524、丝母座525、前溜板526、后溜板527、左侧溜板528和右侧溜板529，所述步进电机523固定在电机座533上，所述电机座533固定在上盖板534上，所述上盖板534固定在立柱522的上表面，所述步进电机523的输出轴竖直朝下设置，并穿过上盖板534中间设置的通孔ⅰ，通过联轴器532与竖直设置的丝杆ⅱ524固定连接，所述丝杆ⅱ524与步进电机523的连接端通过丝杆固定侧轴承536与上盖板534固定连接，另一端与丝母座525螺纹连接，所述前溜板526、后溜板527、左侧溜板528和右侧溜板529分别设置在立柱522的四周，所述前溜板526的左右两端和后溜板527的左右两端分别与左侧溜板528和右侧溜板529固定连接，所述前溜板526、后溜板527、左侧溜板528和右侧溜板529均设置有贯穿溜板厚度的通孔ⅱ538，所述通孔ⅱ538内均安装有节流器，所述底座ⅱ514固定在前溜板526上，所述前溜板526固定在丝母座525上，通过外部气源向每个溜板的通孔ⅱ内供气，使四个溜板与立柱522之间存在一定的间隙，并且能够承担部分载荷，所述步进电机523驱动四个溜板沿立柱522上下移动从而带动色散共焦传感器4上下移动。

进一步的，所述丝杆ⅰ和丝杆ⅱ524均为高精度滚珠丝杆。

进一步的，所述立柱522的底部设置有两块垫板537。

进一步的，所述气体静压垂直轴52还包括光栅尺530和读数头531，所述光栅尺530采用背胶式安装，贴在立柱522的左侧表面上，所述读数头531通过螺钉固定在读数头支架535上，所述读数头支架535通过螺钉固定在左侧溜板528上，所述读数头531与光栅尺530相对设置。

进一步的，所述立柱522的四个侧面均设置有长条形凹槽ⅵ5221，所述丝杆ⅱ524位于立柱522的前侧面设置的凹槽ⅵ5221内部。

进一步的，所述色散共焦传感器4通过抱座515固定在过渡板516上，所述过渡板516固定在滑块512上。

进一步的，所述伺服电机511、步进电机523、气体静压转台2的驱动电机均与多轴运动控制器电连接，所述多轴运动控制器、读数头531以及色散共焦传感器4均与上位机电连接，多轴运动控制器属于现有技术。

各技术特征的功能如下：

锥形快换夹具3结构：由于高精度轴承球6球度测量不仅需要保证轴承球6与气体静压转台2之间的同轴度，而且需要能够快速实现对不同直径的轴承球6测量。在原有的定位夹具中，主要依靠锥面的加工精度来保证同轴度，当同轴度要求较高时，锥面加工难度较大。本发明的锥形快换夹具3，依然通过两个锥面实现定位，但是增加了平键35，通过平键35限制了每次插拔夹具后过渡锥33与底座ⅰ32的相对位置，再通过调整螺钉335调整同轴度，这样即能降低锥面的加工难度，又能实现被测轴承球6与气体静压转台2的高效高精度定位。

1.机械系统：锥形快换夹具2主要实现对不同直径轴承球6的快速定位；气体静压转台2主要带动轴承球6进行回转；气体静压垂直轴52带动色散共焦传感器4上下移动；伸缩位移台51保证色散共焦传感器4一直处于量程；色散共焦传感器4实现对轴承球6表面数据的测量。

2.电控系统：主要实现对气体静压转台2的电机、伸缩位移台51电机、气体静压垂直轴52电机的驱动及位置的测量，色散共焦传感器4的数据采集。

3.气源过滤系统：主要实现对供给气体静压转台2与气体静压垂直轴52的压缩气体进行过滤和干燥，并实现欠压报警。

4.控制软件：主要实现与运动控制器的通信，并通过运动程序实现对各纬圆数据的采集。

具体实施方式二

一种利用具体实施方式一所述的测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：根据轴承球6的公称直径，选择合适的锥形快换夹具3，并将其安装在气体静压转台2上，将待测轴承球6放置在凹槽ⅰ31内，多轴运动控制器驱动伺服电机511、的转动，使色散共焦传感器4的测量头与轴承球6的赤道圆相对，且色散共焦传感器4的测量头距离轴承球6的距离在色散共焦传感器4的量程内，测量头处于轴承球的中心点；多轴运动控制器控制气体静压转台2带动快换夹具3转动，从而带动轴承球6回转；

步骤二：启动多轴运动控制器的数据采集功能，测量轴承球6的圆度数据，将测量的数据存储在内存中；

步骤三：运动结束，上位机读取采集的测量数据，并清空数据采集区；

步骤四：上位机发出运送命令，使多轴运动控制器控制伺服电机511和步进电机523的转动，使色散共焦传感器4进入下一个测量点，准备测量轴承球6下一个纬圆圆度数据；

步骤五：重复步骤二至步骤四，直至所有的纬圆圆度数据均采集完毕；

步骤六：上位机通过轴承球6的各纬圆圆度数据进行球度拟合，实现球度误差的求解，并按照轴承球6球度等级为待测轴承球6定级。

工作原理：将被测轴承球6放置在锥形快换夹具3中，通过锥面的凹槽ⅰ31对轴承球6进行定位，将气体静压转台2和轴承球6之间的同轴度控制在要求的范围内，采用高精度气体静压转台2带动被测轴承球6回转，采用锥形快换夹具3保证在一次安装不经调整，轴承球6球心与气体静压转台2同轴度误差小于规定值，通过更换轴承球定位块34实现不同直径轴承球6的快速定位。采用色散共焦传感器4采集被测轴承球6的表面数据，采用高精度滚珠丝杆驱动的高精度气体静压垂直轴52实现色散共焦传感器4上下移动，以实现轴承球6不同纬度的纬圆圆度数据采集，采用高精度伸缩位移台51使色散共焦传感器4一直处于量程中。使用多轴运动控制器采集气体静压转台2、伸缩位移台51以及气体静压垂直轴52的位置信息，并将其传输至上位机进行球度误差拟合。

上位机通过测量软件发出运动指令，控制多轴运动控制器，以驱动气体静压转台2、伸缩位移台51、气体静压垂直轴52运动，并将气体静压转台2的光栅尺位置、伸缩位移台51位置、气体静压垂直轴52光栅尺位置记录在内存中。色散共焦传感器4通过数模转换功能，实现对色散共焦传感器4数据的记录。由于多轴运动控制器有数据采集功能，能够保证各轴位置信息与色散共焦传感器4测得的位置信息之间的同步。多轴运动控制器通过网线将存储在内存中的测量数据传输给上位机。

上位机在接受测量数据后，按照球度拟合的算法对多条纬圆的圆度数据进行拟合，求的轴承球6的球形误差，以实现对轴承球6进行精度等级评价。

通过对各轴运动精度的精确测量，可以配合误差补偿模型，可以进一步提高球度仪的检测精度，以实现更高精度的轴承球6的球度测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。