专利名称：精密球面球度在位测量装置和测量方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械测量技术领域的装置及其测量方法，具体是一种精密球 面球度在位测量装置和测量方法。
背景技术：
球度误差对机械零件的旋转运动具有重要影响。球面粗糙度、球面波纹、形状误差 等缺陷将导致零件的磨损及过早失效，精确而高效的评定球度误差非常重要。传统测量方 法是用千分尺多次测量球体直径，粗略的估算球度误差。或者通过测量被测球上两个或三 个相互垂直的大圆圆度值评定球度误差。这些方法只反映球面的局部信息，不能精确评定 三维球度误差。经对现有技术文献检索发现，在滚动轴承行业中，这种基于圆度测量方法的球度 误差测量方法得以应用。为了提高测量精度，日本学者Tohru Kanadal引入了统计方法， 用来处理普通圆度测量系统测量的圆度值，通过测量少量的截面圆，亦可以保证可靠的测 量精度。印度学者G. LSamuel提出了基于计算几何学的算法，用于加工零件的球度误差评 定。LiMei Song则在2005年提出了一种新的方法，使用三维形状恢复技术，用被测球的三 维数据评定球度误差。但上述文献研究的球度测量均为离线方法，测量效率较低。经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101221031，
公开日2008_7_16， 记载了一种“新型高精度球体多参数测量仪及其精度调整方法”，该技术适用于不同直径球 体的球径和球度测量，而且通过更换旋转臂对内外球面都可以进行测量，精度很高，但效率 较低，不适用于球体加工中的在位测量。进一步检索发现，中国专利文献号CN1959334，
公开日2007_5_9，记载了一种“球 度的检测装置及其方法”，该检测装置包括一用于测量弦高的千分表；一弦规杯，杯口内径 小于被测球体的外径，杯底固设千分表，并使千分表的测量杆位于杯口圆心的轴线上，千分 表的测量头位于杯口内并能触及被测球面。通过测量球面上多个点获得表面跳动最大值并 计算出球度值。该方法成本低，精度高，但效率低，且不能用于球面磨床上球体零件球度的 在位测量。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种精密球面球度在位测量装置及其 测量方法，实现在精密球面磨床上在位测量球面工件的球度误差。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种精密球面球度在位测量装置，包括主轴机构、回转机构、驱动机 构、传感机构和编码器机构，其中待测工件设置于主轴机构上，回转机构的中心与主轴机 构转动连接，传感机构固定设置于回转机构上并与编码机构相连接，驱动机构与回转机构 相连。所述的主轴机构包括主轴、尾座、主轴卡盘和夹具，其中主轴与尾座相对设置于球面磨床上进行轴向运动，主轴卡盘和夹具分别设置于主轴和尾座上并与待测工件相接 触。所述的回转机构包括回转工作台、圆弧导轨、磨头、电主轴、回转轴和回转轴承， 其中回转工作台设置于圆弧导轨上，回转轴正交设置于回转工作台的中央并套接于回转 轴承内，回转轴、回转轴承和圆弧导轨同时设置于球面磨床的床身上，磨头和电主轴固定设 置于回转工作台上并和待测工件正对。所述的驱动机构包括蜗轮、蜗杆和伺服电机，其中蜗轮通过回转轴与回转工作 台相连接，蜗杆固定设置于磨床床身上并与蜗轮相啮合，伺服电机与蜗杆固定连接并驱动 蜗轮与蜗杆相对运动实现回转机构的转动。所述的传感机构包括位移传感器和位置调整滑台，其中位移传感器设置于调 整滑台上并面向待测工件，接触式位移传感器的测头与待测工件表面相接触。位置调整滑 台设置于回转机构上，所述的位移传感器为非接触式激光位移传感器或接触式位移传感器。所述的编码器机构包括旋转编码器、联轴器、同步带轮、套筒和连接件，其中旋 转编码器依次与联轴器和同步带轮相连接并将检测到的带轮回转角度信号输出至测量装 置控制器，同步带轮和套筒相连接，套筒固定在机床主轴箱上，旋转编码器通过连接件和套 筒相连接。本发明涉及上述精密球面球度在位测量装置的测量方法，包括以下步骤第一步，磨削工作完成后磨头带动砂轮退出磨削区，回转工作台转动到与主轴垂 直位置。第二步，传感器组件定位安装在回转工作台上，传感器轴线与主轴垂直，调节调整 滑台Y、z 二轴旋钮使传感器轴线通过平行于工作台面的球面赤道圆最高点，并定义为ο点。第三步，启动主轴，使被测球绕主轴轴心线即Z轴旋转，将一圈定义η等分，每转动 360/η度，位移传感器测量一次当前球面上测量点位置，对于非接触式激光传感器，该测量 点为球面上的激光斑点，对于接触式传感器，该测量点则为传感器接触点。被测球绕Z轴旋 转360°即完成对应一圈测量圆上η个点的测量。第四步，以球面赤道圆上的ο点为中心各沿顺时针方向90度范围内和逆时针方向 90度范围内在赤道圆上寻找若干等间隔点，连同ο点共计m个点。启动回转工作台，使其绕 Y轴沿顺时针方向转动直到传感器对准m个点中的顺时针方向的边界点，重复步骤三。然后 继续启动回转工作台，将位移传感器依次对准赤道圆上的各个间隔点，重复步骤三。第五步，磨床控制系统同步记录第三步在位自动测量得到的球面上各均布点相对 球心的半径变化量和相应测量点的空间位置，根据最小二乘法建立最小二乘球球心坐标和 半径的数学模型，然后通过测量点拟合出最小二乘球，最终计算出球度误差。与现有技术相比，本发明可以在位自动测量球面上各均布点相对球心的半径变化 量，进而自动处理计算球度误差，检测速度快，自动化程度高。
图1为球面球度测量装置结构示意图。图2为位移传感器组件安装结构示意图。
图3为球面磨床结构示意图。图4为编码器组件结构示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1和图3所示，本实施例包括主轴机构1、回转机构2、驱动机构3、传感机构 4和编码器机构5，其中待测工件6设置于主轴机构1上，回转机构2的中心与主轴机构1 转动连接，传感机构4固定设置于回转机构2上并与编码器机构5相连接，驱动机构3与回 转机构2相连。所述的主轴机构1包括主轴7、尾座8、主轴卡盘9和夹具10，其中主轴7与尾 座8相对设置于球面磨床上进行轴向运动，主轴卡盘9和夹具10分别设置于主轴7和尾座 8上并与待测工件6相接触。所述的回转机构2包括回转工作台11、圆弧导轨12、磨头13、电主轴14、回转轴 15和回转轴承16，其中回转工作台11设置于圆弧导轨12上，回转轴15正交设置于回转 工作台11的中央并套接于回转轴承16内，回转轴15、回转轴承16和圆弧导轨12同时设置 于球面磨床的床身四上。磨头13和电主轴14固定设置于回转工作台11上并和待测工件 6正对。所述的驱动机构3包括蜗轮17、蜗杆18和伺服电机19，其中蜗轮17通过回转 轴15与回转工作台11相连接，蜗杆18固定设置于磨床床身四上并与蜗轮17相啮合，伺 服电机19与蜗杆18固定连接并驱动蜗轮17与蜗杆18相对运动实现回转机构2的转动。所述的传感机构4包括位移传感器20和位置调整滑台21，其中位移传感器20 设置于调整滑台上并面向待测工件6，接触式位移传感器20的测头与待测工件6表面相接 触。位置调整滑台21设置于回转机构2上，所述的位移传感器20为非接触式激光位移传 感器20或接触式位移传感器20。所述的编码器机构5包括旋转编码器22、联轴器23、同步带轮24、套筒25和连 接件沈，其中旋转编码器22依次与联轴器23和同步带轮M相连接并将检测到的带轮回 转角度信号输出至测量装置控制器，同步带轮M和套筒25相连接，套筒25固定在机床主 轴箱观上，旋转编码器22通过连接件沈和套筒25相连接。如图1所示，本实施例具体测量步骤包括第一步，磨削工作完成后磨头13带动砂轮27退出磨削区，回转工作台11转动到 与主轴7垂直位置。第二步，传感器组件定位安装在回转工作台11上，传感器轴线与主轴7垂直，调节 调整滑台Y、Z 二轴旋钮使传感器轴线通过平行于工作台面的球面赤道圆最高点，并定义为 O点。第三步，启动主轴7，使被测球绕主轴7轴心线即Z轴旋转，将一圈定义η等分，每 转动360/η度，位移传感器20测量一次当前球面上测量点位置，对于非接触式激光传感器， 该测量点为球面上的激光斑点，对于接触式传感器，该测量点则为传感器接触点。被测球绕
6Z轴旋转360°即完成对应一圈测量圆上η个点的测量。第四步，以球面赤道圆上的ο点为中心各沿顺时针方向90度范围内和逆时针方向 90度范围内在赤道圆上寻找若干等间隔点，连同ο点共计m个点。启动回转工作台11，使 其绕Y轴沿顺时针方向转动直到传感器对准m个点中的顺时针方向的边界点，重复步骤三。 然后继续启动回转工作台11，将位移传感器20依次对准赤道圆上的各个间隔点，重复步骤三。第五步，通过第三步和第四步确定了所测量的球面各个均布测量点的空间位置， 每当通过被测球的转动和回转工作台11的回转运动到达各个测量点的空间位置时，将触 发测量装置控制器采集位移传感器20的测量数据并记录测量点的空间位置，位移传感器 20采集的信号经过放大、滤波、A/D转换后传输到控制器。这样，磨床控制系统同步记录在 位自动测量得到的球面上各均布点相对球心的半径变化量和相应测量点的空间位置。第六步，基于第五步的测量数据，采用最小二乘法，通过测量点拟合出最小二乘 球，使被测球上的各测量点到最小二乘球的径向误差平方和最小。计算最小二乘球球心坐 标和半径，然后算出测量点到最小二乘球的径向距离，最大值即为球度误差。本实施例在位自动测量球面上各均布点相对球心的半径变化量，进而自动处理计 算球度误差，经对直径为238mm、球度误差为8μπι的球阀球体球度测量实验表明，与传统离 线手动测量或三座标测量仪测量方法相比，本装置在保证测量精度的前提下检测速度快， 自动化程度高，实现了球度误差的自动在位测量。
权利要求
1.一种精密球面球度在位测量装置，包括主轴机构、回转机构、驱动机构、传感机构 和编码器机构，其特征在于待测工件设置于主轴机构上，回转机构的中心与主轴机构转动 连接，传感机构固定设置于回转机构上并与编码机构相连接，驱动机构与回转机构相连。
2.根据权利要求1所述的精密球面球度在位测量装置，其特征是，所述的主轴机构包 括主轴、尾座、主轴卡盘和夹具，其中主轴与尾座相对设置于球面磨床上进行轴向运动， 主轴卡盘和夹具分别设置于主轴和尾座上并与待测工件相接触。
3.根据权利要求1所述的精密球面球度在位测量装置，其特征是，所述的回转机构包 括回转工作台、圆弧导轨、磨头、电主轴、回转轴和回转轴承，其中回转工作台设置于圆 弧导轨上，回转轴正交设置于回转工作台的中央并套接于回转轴承内，回转轴、回转轴承和 圆弧导轨同时设置于球面磨床的床身上，磨头和电主轴固定设置于回转工作台上并和待测 工件正对。
4.根据权利要求1所述的精密球面球度在位测量装置，其特征是，所述的驱动机构包 括蜗轮、蜗杆和伺服电机，其中蜗轮通过回转轴与回转工作台相连接，蜗杆固定设置于 磨床床身上并与蜗轮相啮合，伺服电机与蜗杆固定连接并驱动蜗轮与蜗杆相对运动实现回 转机构的转动。
5.根据权利要求1所述的精密球面球度在位测量装置，其特征是，所述的传感机构包 括位移传感器和位置调整滑台，其中位移传感器设置于调整滑台上并面向待测工件，接 触式位移传感器的测头与待测工件表面相接触。位置调整滑台设置于回转机构上，所述的 位移传感器为非接触式激光位移传感器或接触式位移传感器。
6.根据权利要求1所述的精密球面球度在位测量装置，其特征是，所述的编码器机构 包括旋转编码器、联轴器、同步带轮、套筒和连接件，其中旋转编码器依次与联轴器和同 步带轮相连接并将检测到的带轮回转角度信号输出至测量装置控制器，同步带轮和套筒相 连接，套筒固定在机床主轴箱上，旋转编码器通过连接件和套筒相连接。
7.一种根据权利要求1所述的精密球面球度在位测量装置的测量方法，其特征在于， 包括以下步骤第一步，磨削工作完成后磨头带动砂轮退出磨削区，回转工作台转动到与主轴垂直位置；第二步，传感器组件定位安装在回转工作台上，传感器轴线与主轴垂直，调节调整滑台 Y、Z 二轴旋钮使传感器轴线通过平行于工作台面的球面赤道圆最高点，并定义为O点；第三步，启动主轴，使被测球绕主轴轴心线即Z轴旋转，将一圈定义η等分，每转动360/ η度，位移传感器测量一次当前球面上测量点位置，对于非接触式激光传感器，该测量点为 球面上的激光斑点，对于接触式传感器，该测量点则为传感器接触点。被测球绕Z轴旋转 360°即完成对应一圈测量圆上η个点的测量；第四步，以球面赤道圆上的ο点为中心各沿顺时针方向90度范围内和逆时针方向90 度范围内在赤道圆上寻找若干等间隔点，连同ο点共计m个点。启动回转工作台，使其绕Y 轴沿顺时针方向转动直到传感器对准m个点中的顺时针方向的边界点，重复步骤三，然后 继续启动回转工作台，将位移传感器依次对准赤道圆上的各个间隔点，重复步骤三；第五步，磨床控制系统同步记录第三步在位自动测量得到的球面上各均布点相对球心 的半径变化量和相应测量点的空间位置，根据最小二乘法建立最小二乘球球心坐标和半径的数学模型，然后通过测量点拟合出最小二乘球，最终计算出球度误差。
全文摘要
一种机械测量技术领域的精密球面球度在位测量装置及其测量方法，包括主轴机构、回转机构、驱动机构、传感机构和编码器机构，待测工件设置于主轴机构上，回转机构的中心与主轴机构转动连接，传感机构固定设置于回转机构上并与编码机构相连接，驱动机构与回转机构相连。本发明与传统离线手动测量或三座标测量仪测量方法相比，在保证测量精度的前提下检测速度快，自动化程度高，实现了球度误差的自动在位测量。
文档编号B24B49/02GK102059650SQ201010233788
公开日2011年5月18日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者何伟华, 卓育成, 胡德金, 许开州, 许黎明 申请人:上海交通大学, 上海开维喜阀门集团有限公司