專利名稱：精密球面球度在位測量裝置和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機械測量技術(shù)領(lǐng)域的裝置及其測量方法，具體是一種精密球 面球度在位測量裝置和測量方法。
背景技術(shù)：
球度誤差對機械零件的旋轉(zhuǎn)運動具有重要影響。球面粗糙度、球面波紋、形狀誤差 等缺陷將導致零件的磨損及過早失效，精確而高效的評定球度誤差非常重要。傳統(tǒng)測量方 法是用千分尺多次測量球體直徑，粗略的估算球度誤差?；蛘咄ㄟ^測量被測球上兩個或三 個相互垂直的大圓圓度值評定球度誤差。這些方法只反映球面的局部信息，不能精確評定 三維球度誤差。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，在滾動軸承行業(yè)中，這種基于圓度測量方法的球度 誤差測量方法得以應(yīng)用。為了提高測量精度，日本學者Tohru Kanadal引入了統(tǒng)計方法， 用來處理普通圓度測量系統(tǒng)測量的圓度值，通過測量少量的截面圓，亦可以保證可靠的測 量精度。印度學者G. LSamuel提出了基于計算幾何學的算法，用于加工零件的球度誤差評 定。LiMei Song則在2005年提出了一種新的方法，使用三維形狀恢復(fù)技術(shù)，用被測球的三 維數(shù)據(jù)評定球度誤差。但上述文獻研究的球度測量均為離線方法，測量效率較低。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN101221031，
公開日2008_7_16， 記載了一種“新型高精度球體多參數(shù)測量儀及其精度調(diào)整方法”，該技術(shù)適用于不同直徑球 體的球徑和球度測量，而且通過更換旋轉(zhuǎn)臂對內(nèi)外球面都可以進行測量，精度很高，但效率 較低，不適用于球體加工中的在位測量。進一步檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN1959334，
公開日2007_5_9，記載了一種“球 度的檢測裝置及其方法”，該檢測裝置包括一用于測量弦高的千分表；一弦規(guī)杯，杯口內(nèi)徑 小于被測球體的外徑，杯底固設(shè)千分表，并使千分表的測量桿位于杯口圓心的軸線上，千分 表的測量頭位于杯口內(nèi)并能觸及被測球面。通過測量球面上多個點獲得表面跳動最大值并 計算出球度值。該方法成本低，精度高，但效率低，且不能用于球面磨床上球體零件球度的 在位測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種精密球面球度在位測量裝置及其 測量方法，實現(xiàn)在精密球面磨床上在位測量球面工件的球度誤差。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種精密球面球度在位測量裝置，包括主軸機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、驅(qū)動機 構(gòu)、傳感機構(gòu)和編碼器機構(gòu)，其中待測工件設(shè)置于主軸機構(gòu)上，回轉(zhuǎn)機構(gòu)的中心與主軸機 構(gòu)轉(zhuǎn)動連接，傳感機構(gòu)固定設(shè)置于回轉(zhuǎn)機構(gòu)上并與編碼機構(gòu)相連接，驅(qū)動機構(gòu)與回轉(zhuǎn)機構(gòu) 相連。所述的主軸機構(gòu)包括主軸、尾座、主軸卡盤和夾具，其中主軸與尾座相對設(shè)置于球面磨床上進行軸向運動，主軸卡盤和夾具分別設(shè)置于主軸和尾座上并與待測工件相接 觸。所述的回轉(zhuǎn)機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)工作臺、圓弧導軌、磨頭、電主軸、回轉(zhuǎn)軸和回轉(zhuǎn)軸承， 其中回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)置于圓弧導軌上，回轉(zhuǎn)軸正交設(shè)置于回轉(zhuǎn)工作臺的中央并套接于回轉(zhuǎn) 軸承內(nèi)，回轉(zhuǎn)軸、回轉(zhuǎn)軸承和圓弧導軌同時設(shè)置于球面磨床的床身上，磨頭和電主軸固定設(shè) 置于回轉(zhuǎn)工作臺上并和待測工件正對。所述的驅(qū)動機構(gòu)包括蝸輪、蝸桿和伺服電機，其中蝸輪通過回轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)工作 臺相連接，蝸桿固定設(shè)置于磨床床身上并與蝸輪相嚙合，伺服電機與蝸桿固定連接并驅(qū)動 蝸輪與蝸桿相對運動實現(xiàn)回轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動。所述的傳感機構(gòu)包括位移傳感器和位置調(diào)整滑臺，其中位移傳感器設(shè)置于調(diào) 整滑臺上并面向待測工件，接觸式位移傳感器的測頭與待測工件表面相接觸。位置調(diào)整滑 臺設(shè)置于回轉(zhuǎn)機構(gòu)上，所述的位移傳感器為非接觸式激光位移傳感器或接觸式位移傳感器。所述的編碼器機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)編碼器、聯(lián)軸器、同步帶輪、套筒和連接件，其中旋 轉(zhuǎn)編碼器依次與聯(lián)軸器和同步帶輪相連接并將檢測到的帶輪回轉(zhuǎn)角度信號輸出至測量裝 置控制器，同步帶輪和套筒相連接，套筒固定在機床主軸箱上，旋轉(zhuǎn)編碼器通過連接件和套 筒相連接。本發(fā)明涉及上述精密球面球度在位測量裝置的測量方法，包括以下步驟第一步，磨削工作完成后磨頭帶動砂輪退出磨削區(qū)，回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)動到與主軸垂 直位置。第二步，傳感器組件定位安裝在回轉(zhuǎn)工作臺上，傳感器軸線與主軸垂直，調(diào)節(jié)調(diào)整 滑臺Y、z 二軸旋鈕使傳感器軸線通過平行于工作臺面的球面赤道圓最高點，并定義為ο點。第三步，啟動主軸，使被測球繞主軸軸心線即Z軸旋轉(zhuǎn)，將一圈定義η等分，每轉(zhuǎn)動 360/η度，位移傳感器測量一次當前球面上測量點位置，對于非接觸式激光傳感器，該測量 點為球面上的激光斑點，對于接觸式傳感器，該測量點則為傳感器接觸點。被測球繞Z軸旋 轉(zhuǎn)360°即完成對應(yīng)一圈測量圓上η個點的測量。第四步，以球面赤道圓上的ο點為中心各沿順時針方向90度范圍內(nèi)和逆時針方向 90度范圍內(nèi)在赤道圓上尋找若干等間隔點，連同ο點共計m個點。啟動回轉(zhuǎn)工作臺，使其繞 Y軸沿順時針方向轉(zhuǎn)動直到傳感器對準m個點中的順時針方向的邊界點，重復(fù)步驟三。然后 繼續(xù)啟動回轉(zhuǎn)工作臺，將位移傳感器依次對準赤道圓上的各個間隔點，重復(fù)步驟三。第五步，磨床控制系統(tǒng)同步記錄第三步在位自動測量得到的球面上各均布點相對 球心的半徑變化量和相應(yīng)測量點的空間位置，根據(jù)最小二乘法建立最小二乘球球心坐標和 半徑的數(shù)學模型，然后通過測量點擬合出最小二乘球，最終計算出球度誤差。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以在位自動測量球面上各均布點相對球心的半徑變化 量，進而自動處理計算球度誤差，檢測速度快，自動化程度高。


圖1為球面球度測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為位移傳感器組件安裝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為球面磨床結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為編碼器組件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1和圖3所示，本實施例包括主軸機構(gòu)1、回轉(zhuǎn)機構(gòu)2、驅(qū)動機構(gòu)3、傳感機構(gòu) 4和編碼器機構(gòu)5，其中待測工件6設(shè)置于主軸機構(gòu)1上，回轉(zhuǎn)機構(gòu)2的中心與主軸機構(gòu)1 轉(zhuǎn)動連接，傳感機構(gòu)4固定設(shè)置于回轉(zhuǎn)機構(gòu)2上并與編碼器機構(gòu)5相連接，驅(qū)動機構(gòu)3與回 轉(zhuǎn)機構(gòu)2相連。所述的主軸機構(gòu)1包括主軸7、尾座8、主軸卡盤9和夾具10，其中主軸7與尾 座8相對設(shè)置于球面磨床上進行軸向運動，主軸卡盤9和夾具10分別設(shè)置于主軸7和尾座 8上并與待測工件6相接觸。所述的回轉(zhuǎn)機構(gòu)2包括回轉(zhuǎn)工作臺11、圓弧導軌12、磨頭13、電主軸14、回轉(zhuǎn)軸 15和回轉(zhuǎn)軸承16，其中回轉(zhuǎn)工作臺11設(shè)置于圓弧導軌12上，回轉(zhuǎn)軸15正交設(shè)置于回轉(zhuǎn) 工作臺11的中央并套接于回轉(zhuǎn)軸承16內(nèi)，回轉(zhuǎn)軸15、回轉(zhuǎn)軸承16和圓弧導軌12同時設(shè)置 于球面磨床的床身四上。磨頭13和電主軸14固定設(shè)置于回轉(zhuǎn)工作臺11上并和待測工件 6正對。所述的驅(qū)動機構(gòu)3包括蝸輪17、蝸桿18和伺服電機19，其中蝸輪17通過回轉(zhuǎn) 軸15與回轉(zhuǎn)工作臺11相連接，蝸桿18固定設(shè)置于磨床床身四上并與蝸輪17相嚙合，伺 服電機19與蝸桿18固定連接并驅(qū)動蝸輪17與蝸桿18相對運動實現(xiàn)回轉(zhuǎn)機構(gòu)2的轉(zhuǎn)動。所述的傳感機構(gòu)4包括位移傳感器20和位置調(diào)整滑臺21，其中位移傳感器20 設(shè)置于調(diào)整滑臺上并面向待測工件6，接觸式位移傳感器20的測頭與待測工件6表面相接 觸。位置調(diào)整滑臺21設(shè)置于回轉(zhuǎn)機構(gòu)2上，所述的位移傳感器20為非接觸式激光位移傳 感器20或接觸式位移傳感器20。所述的編碼器機構(gòu)5包括旋轉(zhuǎn)編碼器22、聯(lián)軸器23、同步帶輪24、套筒25和連 接件沈，其中旋轉(zhuǎn)編碼器22依次與聯(lián)軸器23和同步帶輪M相連接并將檢測到的帶輪回 轉(zhuǎn)角度信號輸出至測量裝置控制器，同步帶輪M和套筒25相連接，套筒25固定在機床主 軸箱觀上，旋轉(zhuǎn)編碼器22通過連接件沈和套筒25相連接。如圖1所示，本實施例具體測量步驟包括第一步，磨削工作完成后磨頭13帶動砂輪27退出磨削區(qū)，回轉(zhuǎn)工作臺11轉(zhuǎn)動到 與主軸7垂直位置。第二步，傳感器組件定位安裝在回轉(zhuǎn)工作臺11上，傳感器軸線與主軸7垂直，調(diào)節(jié) 調(diào)整滑臺Y、Z 二軸旋鈕使傳感器軸線通過平行于工作臺面的球面赤道圓最高點，并定義為 O點。第三步，啟動主軸7，使被測球繞主軸7軸心線即Z軸旋轉(zhuǎn)，將一圈定義η等分，每 轉(zhuǎn)動360/η度，位移傳感器20測量一次當前球面上測量點位置，對于非接觸式激光傳感器， 該測量點為球面上的激光斑點，對于接觸式傳感器，該測量點則為傳感器接觸點。被測球繞
6Z軸旋轉(zhuǎn)360°即完成對應(yīng)一圈測量圓上η個點的測量。第四步，以球面赤道圓上的ο點為中心各沿順時針方向90度范圍內(nèi)和逆時針方向 90度范圍內(nèi)在赤道圓上尋找若干等間隔點，連同ο點共計m個點。啟動回轉(zhuǎn)工作臺11，使 其繞Y軸沿順時針方向轉(zhuǎn)動直到傳感器對準m個點中的順時針方向的邊界點，重復(fù)步驟三。 然后繼續(xù)啟動回轉(zhuǎn)工作臺11，將位移傳感器20依次對準赤道圓上的各個間隔點，重復(fù)步驟三。第五步，通過第三步和第四步確定了所測量的球面各個均布測量點的空間位置， 每當通過被測球的轉(zhuǎn)動和回轉(zhuǎn)工作臺11的回轉(zhuǎn)運動到達各個測量點的空間位置時，將觸 發(fā)測量裝置控制器采集位移傳感器20的測量數(shù)據(jù)并記錄測量點的空間位置，位移傳感器 20采集的信號經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)娇刂破?。這樣，磨床控制系統(tǒng)同步記錄在 位自動測量得到的球面上各均布點相對球心的半徑變化量和相應(yīng)測量點的空間位置。第六步，基于第五步的測量數(shù)據(jù)，采用最小二乘法，通過測量點擬合出最小二乘 球，使被測球上的各測量點到最小二乘球的徑向誤差平方和最小。計算最小二乘球球心坐 標和半徑，然后算出測量點到最小二乘球的徑向距離，最大值即為球度誤差。本實施例在位自動測量球面上各均布點相對球心的半徑變化量，進而自動處理計 算球度誤差，經(jīng)對直徑為238mm、球度誤差為8μπι的球閥球體球度測量實驗表明，與傳統(tǒng)離 線手動測量或三座標測量儀測量方法相比，本裝置在保證測量精度的前提下檢測速度快， 自動化程度高，實現(xiàn)了球度誤差的自動在位測量。
權(quán)利要求
1.一種精密球面球度在位測量裝置，包括主軸機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、傳感機構(gòu) 和編碼器機構(gòu)，其特征在于待測工件設(shè)置于主軸機構(gòu)上，回轉(zhuǎn)機構(gòu)的中心與主軸機構(gòu)轉(zhuǎn)動 連接，傳感機構(gòu)固定設(shè)置于回轉(zhuǎn)機構(gòu)上并與編碼機構(gòu)相連接，驅(qū)動機構(gòu)與回轉(zhuǎn)機構(gòu)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密球面球度在位測量裝置，其特征是，所述的主軸機構(gòu)包 括主軸、尾座、主軸卡盤和夾具，其中主軸與尾座相對設(shè)置于球面磨床上進行軸向運動， 主軸卡盤和夾具分別設(shè)置于主軸和尾座上并與待測工件相接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密球面球度在位測量裝置，其特征是，所述的回轉(zhuǎn)機構(gòu)包 括回轉(zhuǎn)工作臺、圓弧導軌、磨頭、電主軸、回轉(zhuǎn)軸和回轉(zhuǎn)軸承，其中回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)置于圓 弧導軌上，回轉(zhuǎn)軸正交設(shè)置于回轉(zhuǎn)工作臺的中央并套接于回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)，回轉(zhuǎn)軸、回轉(zhuǎn)軸承和 圓弧導軌同時設(shè)置于球面磨床的床身上，磨頭和電主軸固定設(shè)置于回轉(zhuǎn)工作臺上并和待測 工件正對。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密球面球度在位測量裝置，其特征是，所述的驅(qū)動機構(gòu)包 括蝸輪、蝸桿和伺服電機，其中蝸輪通過回轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)工作臺相連接，蝸桿固定設(shè)置于 磨床床身上并與蝸輪相嚙合，伺服電機與蝸桿固定連接并驅(qū)動蝸輪與蝸桿相對運動實現(xiàn)回 轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密球面球度在位測量裝置，其特征是，所述的傳感機構(gòu)包 括位移傳感器和位置調(diào)整滑臺，其中位移傳感器設(shè)置于調(diào)整滑臺上并面向待測工件，接 觸式位移傳感器的測頭與待測工件表面相接觸。位置調(diào)整滑臺設(shè)置于回轉(zhuǎn)機構(gòu)上，所述的 位移傳感器為非接觸式激光位移傳感器或接觸式位移傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密球面球度在位測量裝置，其特征是，所述的編碼器機構(gòu) 包括旋轉(zhuǎn)編碼器、聯(lián)軸器、同步帶輪、套筒和連接件，其中旋轉(zhuǎn)編碼器依次與聯(lián)軸器和同 步帶輪相連接并將檢測到的帶輪回轉(zhuǎn)角度信號輸出至測量裝置控制器，同步帶輪和套筒相 連接，套筒固定在機床主軸箱上，旋轉(zhuǎn)編碼器通過連接件和套筒相連接。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密球面球度在位測量裝置的測量方法，其特征在于， 包括以下步驟第一步，磨削工作完成后磨頭帶動砂輪退出磨削區(qū)，回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)動到與主軸垂直位置；第二步，傳感器組件定位安裝在回轉(zhuǎn)工作臺上，傳感器軸線與主軸垂直，調(diào)節(jié)調(diào)整滑臺 Y、Z 二軸旋鈕使傳感器軸線通過平行于工作臺面的球面赤道圓最高點，并定義為O點；第三步，啟動主軸，使被測球繞主軸軸心線即Z軸旋轉(zhuǎn)，將一圈定義η等分，每轉(zhuǎn)動360/ η度，位移傳感器測量一次當前球面上測量點位置，對于非接觸式激光傳感器，該測量點為 球面上的激光斑點，對于接觸式傳感器，該測量點則為傳感器接觸點。被測球繞Z軸旋轉(zhuǎn) 360°即完成對應(yīng)一圈測量圓上η個點的測量；第四步，以球面赤道圓上的ο點為中心各沿順時針方向90度范圍內(nèi)和逆時針方向90 度范圍內(nèi)在赤道圓上尋找若干等間隔點，連同ο點共計m個點。啟動回轉(zhuǎn)工作臺，使其繞Y 軸沿順時針方向轉(zhuǎn)動直到傳感器對準m個點中的順時針方向的邊界點，重復(fù)步驟三，然后 繼續(xù)啟動回轉(zhuǎn)工作臺，將位移傳感器依次對準赤道圓上的各個間隔點，重復(fù)步驟三；第五步，磨床控制系統(tǒng)同步記錄第三步在位自動測量得到的球面上各均布點相對球心 的半徑變化量和相應(yīng)測量點的空間位置，根據(jù)最小二乘法建立最小二乘球球心坐標和半徑的數(shù)學模型，然后通過測量點擬合出最小二乘球，最終計算出球度誤差。
全文摘要
一種機械測量技術(shù)領(lǐng)域的精密球面球度在位測量裝置及其測量方法，包括主軸機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、傳感機構(gòu)和編碼器機構(gòu)，待測工件設(shè)置于主軸機構(gòu)上，回轉(zhuǎn)機構(gòu)的中心與主軸機構(gòu)轉(zhuǎn)動連接，傳感機構(gòu)固定設(shè)置于回轉(zhuǎn)機構(gòu)上并與編碼機構(gòu)相連接，驅(qū)動機構(gòu)與回轉(zhuǎn)機構(gòu)相連。本發(fā)明與傳統(tǒng)離線手動測量或三座標測量儀測量方法相比，在保證測量精度的前提下檢測速度快，自動化程度高，實現(xiàn)了球度誤差的自動在位測量。
文檔編號B24B49/02GK102059650SQ201010233788
公開日2011年5月18日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者何偉華, 卓育成, 胡德金, 許開州, 許黎明 申請人:上海交通大學, 上海開維喜閥門集團有限公司