本發(fā)明涉及軸承球體的測(cè)量方法，尤其是涉及一種基于激光干涉全息檢測(cè)法的軸承球球形誤差快速檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

軸承是精密機(jī)械、儀器設(shè)備中的重要基礎(chǔ)件，其精度對(duì)裝備的總體性能有著重大影響。其中，軸承球作為軸承的關(guān)鍵基礎(chǔ)元件，也是軸承最薄弱的環(huán)節(jié)，表面的缺陷諸如表面粗糙度、波度和形狀誤差都會(huì)導(dǎo)致大量熱量的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品的磨損和壽命減少。目前，高品質(zhì)軸承球生產(chǎn)的主要問(wèn)題是次品的檢測(cè)與篩選。與表面缺陷相比，球形誤差測(cè)量與評(píng)定方法還有待完善，主要是因?yàn)榍蝮w面形測(cè)量難度大，大多方法基于圓周輪廓式測(cè)量原理，這與軸承滾動(dòng)體在機(jī)械制造和機(jī)構(gòu)理論中的作用是不相稱的，所以軸承球球形誤差測(cè)量與評(píng)定研究非常必要。企業(yè)要進(jìn)入高端裝備用精密軸承市場(chǎng)，軸承各元件的檢測(cè)與質(zhì)量控制是關(guān)鍵。軸承球表面每個(gè)區(qū)域都要達(dá)到精度要求，受限于檢測(cè)方法，傳統(tǒng)以線代面的檢測(cè)方式漏檢率高，無(wú)法滿足高品質(zhì)軸承球的檢測(cè)與質(zhì)量控制要求。因此，企業(yè)亟需一種可以對(duì)軸承球整個(gè)面形檢測(cè)的新方法。

對(duì)于軸承滾動(dòng)體的檢測(cè)包括了表面缺陷檢測(cè)和形狀誤差檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)研究。表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)較為成熟，主要有：渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、滲透檢測(cè)技術(shù)與光學(xué)顯微鏡下目檢相結(jié)合、激光檢測(cè)等。其中，激光檢測(cè)法因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，迅速發(fā)展起來(lái)，目前發(fā)展比較成熟的激光檢測(cè)方法有：激光聚焦法、激光散射法、激光散斑法和暗區(qū)比測(cè)量法。每種檢測(cè)方法都能夠檢測(cè)到一定尺寸和形態(tài)的表面和次表面缺陷，但無(wú)法反映形狀誤差情況。

其他檢測(cè)方法有接觸式測(cè)量，球體振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等。德國(guó)mahr公司和英國(guó)taylorhobson公司的粗糙度儀和圓度儀可以分別檢測(cè)軸承滾動(dòng)體的粗糙度和圓度，其原理是用一個(gè)很小的觸針在被測(cè)表面上移動(dòng)，獲取表面粗糙度、波紋度、形狀誤差及其他一些形貌特征等綜合信息，該方法每次只能在觸針軌跡范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法反映軸承滾動(dòng)體整體質(zhì)量，測(cè)量結(jié)果易受探針針頭直徑和形狀的影響，不適用于在線測(cè)量；球體振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)為目前比較常用的鋼球質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，其原理是使用高精度旋轉(zhuǎn)主軸帶動(dòng)被測(cè)鋼球旋轉(zhuǎn)，經(jīng)壓電加速度計(jì)拾取其振動(dòng)信號(hào)，表征鋼球表面的波度，綜合反映單粒球體表面質(zhì)量，包括了球體表面粗糙度，球形精度和尺寸相互差等，該方法在長(zhǎng)期使用過(guò)程中表現(xiàn)出精密主軸容易發(fā)生故障，檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定的情況。此外，上述兩種方法雖可以測(cè)量形狀誤差，但屬于有損檢測(cè)，適合小批量采樣檢測(cè)，不適合大批量采樣檢測(cè)，批一致性也無(wú)法保證。

浙江工業(yè)大學(xué)的夏其表和天津大學(xué)的秦展田提出了球體研磨振動(dòng)的在線檢測(cè)，對(duì)精密球在研磨加工過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試和分析，其振動(dòng)信號(hào)反映了球體整體質(zhì)量，目前設(shè)備的在線檢測(cè)精度還達(dá)不到離線檢測(cè)的水平。

球面的形狀誤差檢測(cè)方法有很多，如三點(diǎn)法、徑向法、經(jīng)圓測(cè)量法、樣板法、全息法、光纖法、陰影法、標(biāo)準(zhǔn)球面法和激光干涉法等。前面三種方法本質(zhì)上也是運(yùn)用圓度測(cè)量系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)技術(shù)獲得的一系列二維圓度誤差來(lái)計(jì)算三維球形誤差，后幾種方法可以對(duì)整個(gè)面形進(jìn)行檢測(cè)。

合肥工業(yè)大學(xué)的唐海勇等人提出了基于氣動(dòng)測(cè)量的球形誤差測(cè)量系統(tǒng)研究，將球體尺寸量轉(zhuǎn)換成流量或壓力的變化量，從而實(shí)現(xiàn)球形誤差測(cè)量，該方法屬于非接觸無(wú)損檢測(cè)，但并不能解決精密球體的球形誤差測(cè)量；上海交通大學(xué)的劉冰提出了基于精密球面磨床的球度在位測(cè)量方法研究，應(yīng)用先進(jìn)的傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了球度在位測(cè)量系統(tǒng)，適用于球閥等大球徑球體測(cè)量；claudioramirez使用相移矢量剪切干涉儀檢測(cè)了球面光學(xué)元件的球形誤差；daodangwang使用點(diǎn)衍射干涉技術(shù)以及schreinerr使用基于平移旋轉(zhuǎn)的球面絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)對(duì)球面進(jìn)行測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)近0.001λ的面形檢測(cè)精度，進(jìn)而極大地促進(jìn)了光學(xué)表面加工精度的提高；xinxuema使用相位變更方法與激光干涉儀結(jié)合，優(yōu)化了光學(xué)球面鏡面形誤差評(píng)估計(jì)算方法。

上述方法中，激光干涉法應(yīng)用最為廣泛，主要應(yīng)用于光學(xué)元件的面形檢測(cè)，具有高分辨率、高準(zhǔn)確度、高靈敏度和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)產(chǎn)品對(duì)球面進(jìn)行檢測(cè)：美國(guó)zygo公司的gpi-hs激光干涉儀、德國(guó)xonox公司的vt750立式球面/平面激光干涉儀、美國(guó)veeco公司的nti4000激光干涉儀等。

激光干涉檢測(cè)技術(shù)在軸承檢測(cè)應(yīng)用方面，華中科技大學(xué)的孫艷玲研究了激光干涉接觸式軸承表面輪廓綜合測(cè)量技術(shù)；內(nèi)蒙古科技大學(xué)的石煒采用白光干涉技術(shù)組建了一整套的基于邁克爾遜干涉儀的測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)軸承球體進(jìn)行了球面半徑的高精度測(cè)量和粗糙度測(cè)量。上述兩種方法并沒(méi)有涉及軸承球形狀誤差的檢測(cè)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張帥采用ccd激光位移傳感器，對(duì)軸承球進(jìn)行被測(cè)球與標(biāo)準(zhǔn)球球徑差自動(dòng)測(cè)量，該方法雖可以對(duì)球形誤差進(jìn)行測(cè)量，但測(cè)量方式是球面單點(diǎn)采樣測(cè)量，具有一定的隨機(jī)性；河南科技大學(xué)的張毛煥采用綠色led光源、hl-ccd光學(xué)系統(tǒng)與高速數(shù)字化處理模塊相結(jié)合的數(shù)字一體化集成激光測(cè)頭，建立基于光學(xué)三角測(cè)量法的滾子專用測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小弧段、大半徑的軸承球面滾子圓弧半徑參數(shù)評(píng)定，但該檢測(cè)方法精度為±2μm，而g3級(jí)球的球形誤差為0.08μm。

綜上所述，目前關(guān)于軸承球表面質(zhì)量檢測(cè)方面進(jìn)行了多種方法的研究，并實(shí)現(xiàn)了使用激光干涉技術(shù)對(duì)軸承球表面粗糙度和球體直徑的高效非接觸式測(cè)量，激光干涉技術(shù)在軸承球球形誤差檢測(cè)應(yīng)用方面還是基于圓周輪廓檢測(cè)方法，在基于整個(gè)球面的軸承球球形誤差測(cè)量應(yīng)用方面尚不足，因此，研究一種非接觸式、反應(yīng)整個(gè)球體的球形誤差、適合大批量采樣檢測(cè)方法具有積極的現(xiàn)實(shí)意義，它可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中尚未實(shí)現(xiàn)的基于整個(gè)球面的非接觸式軸承球球形誤差測(cè)量的問(wèn)題，提供了一種非接觸式、反應(yīng)整個(gè)球體的球形誤差、適合大批量采樣的檢測(cè)方法。能夠保證軸承球表面每個(gè)區(qū)域都要達(dá)到精度要求，滿足高品質(zhì)軸承球的檢測(cè)與質(zhì)量控制要求。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明的一種基于激光干涉全息檢測(cè)法的軸承球球形誤差快速檢測(cè)方法，包括以下步驟：

s1：激光干涉儀產(chǎn)生球面光束；

s2：調(diào)心裝置調(diào)整球心位置，球心對(duì)準(zhǔn)光束焦點(diǎn)；

s3：球面光束對(duì)球體表面進(jìn)行掃描；

s4：拍照獲取球體表面局部干涉圖；

s5：生成球體局部表面形貌圖；

s6：展開(kāi)機(jī)構(gòu)進(jìn)行球面展開(kāi)；

s7：重復(fù)s2-s5步驟5-20次，獲取不同球體位置的表面形貌圖；

s8：提取多幅局部表面形貌圖特征點(diǎn)，拼接生成完整表面形貌平面圖；

s9：將完整表面形貌平面圖轉(zhuǎn)化為表面形貌球面圖；

s10：表面形貌球面圖進(jìn)行球形誤差評(píng)估。

在本技術(shù)方案中，本發(fā)明通過(guò)激光干涉的手段來(lái)測(cè)量整個(gè)球體的球形誤差，克服了傳統(tǒng)接觸式測(cè)量只能在觸針軌跡范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法反映軸承滾動(dòng)體整體質(zhì)量，測(cè)量結(jié)果易受探針針頭直徑和形狀的影響，不適用于在線測(cè)量的問(wèn)題。彌補(bǔ)了激光干涉技術(shù)在軸承球球形誤差檢測(cè)應(yīng)用方面還是基于圓周輪廓檢測(cè)方法，在基于整個(gè)球面的軸承球球形誤差測(cè)量應(yīng)用方面尚不足的問(wèn)題，能夠滿足高品質(zhì)軸承球的檢測(cè)與質(zhì)量控制要求。

所述步驟s1在激光干涉儀和被測(cè)球面之間設(shè)置球面透鏡ts，球面透鏡將干涉儀發(fā)出的平直光束變換成球面光束。

所述步驟s2調(diào)心裝置調(diào)整球心位置包括以下步驟：

s21：采用激光作為光源，激光、第一柱面平凸透鏡和反射鏡構(gòu)成光束對(duì)焦光路，固定光路系統(tǒng)與位置傳感器的位置，移動(dòng)工作臺(tái)上工件反射的激光經(jīng)第一柱面平凸透鏡和第二柱面平凸透鏡后照射在位置傳感器上，位置傳感器的信號(hào)經(jīng)傳感信號(hào)處理電路進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)移動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，位置傳感器光敏面上的激光光斑也隨之變化，直至軸承球外表面位于物鏡焦平面，此時(shí)完成對(duì)焦；

s22：被測(cè)工件通過(guò)裝夾機(jī)構(gòu)固定在測(cè)量平臺(tái)上；回轉(zhuǎn)臺(tái)和測(cè)量平臺(tái)通過(guò)調(diào)心裝置連接，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)，使得球心的位置和回轉(zhuǎn)臺(tái)中心的位置重合，球心對(duì)準(zhǔn)光束焦點(diǎn)。

所述步驟s3、s4、s5中球面光束對(duì)調(diào)整好球心位置的軸承球球體表面進(jìn)行掃描，由于球面光束法向入射到被測(cè)球面鏡上后沿原路返回，進(jìn)入干涉儀與參考光束發(fā)生干涉，拍照獲取球體表面局部干涉圖，進(jìn)而生成球體局部表面形貌圖。

作為一種優(yōu)選方案，所述步驟s6展開(kāi)機(jī)構(gòu)可以采用雙軸旋轉(zhuǎn)或橢圓齒輪傳動(dòng)的方式進(jìn)行球面展開(kāi)，得到不同的球體位置。

所述步驟s7重復(fù)s2-s5步驟5-20次，獲取不同球體位置的表面形貌圖，實(shí)現(xiàn)軸承球球體的整體測(cè)量。

所述步驟s8在獲取不同球體位置表面形貌圖的基礎(chǔ)上，提取多幅局部表面形貌圖特征點(diǎn)，拼接生成完整表面形貌平面圖。

所述步驟s9在獲取完整表面形貌平面圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)球面映射算法轉(zhuǎn)化為表面形貌球面圖。

所述步驟s10表面形貌球面圖進(jìn)行球形誤差評(píng)估，在matlab和labview平臺(tái)上對(duì)獲取的表面形貌數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所使用的算法包括最小包容區(qū)域法(mzs)、最小二乘球法(lss)、最小外接球法(mcs)和最大內(nèi)接球法(mis)四種球形誤差算法中的任意一種，進(jìn)行球形誤差評(píng)估。

本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性效果是實(shí)現(xiàn)整個(gè)球面的非接觸式軸承球球形實(shí)時(shí)在線誤差測(cè)量，實(shí)現(xiàn)軸承球面高精度展開(kāi)，完成球面各區(qū)域球面干涉圖的掃描測(cè)量并生成完整表面形貌圖?；趫D像拼接算法，實(shí)現(xiàn)各區(qū)域表面形貌圖拼接，從而完成整個(gè)球面的球形測(cè)量，通過(guò)評(píng)價(jià)系統(tǒng)得到軸承球球形誤差。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖。

圖2是球面激光干涉儀。

圖3光束對(duì)焦原理圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。

實(shí)施例：

本實(shí)施例一種基于激光干涉全息檢測(cè)法的軸承球球形誤差快速檢測(cè)方法，如圖1所示，包括以下步驟：

s1：激光干涉儀產(chǎn)生球面光束。

s2：調(diào)心裝置調(diào)整球心位置。

s3：球面光束對(duì)球體表面進(jìn)行掃描。

s4：拍照獲取球體表面局部干涉圖。

s5：生成球體局部表面形貌圖。

s6：展開(kāi)機(jī)構(gòu)進(jìn)行球面展開(kāi)。

s7：重復(fù)s2-s5步驟5-20次，獲取不同球體位置的表面形貌圖。

s8：提取多幅局部表面形貌圖特征點(diǎn)，拼接生成完整表面形貌平面圖。

s9：將完整表面形貌平面圖轉(zhuǎn)化為表面形貌球面圖。

s10：表面形貌球面圖進(jìn)行球形誤差評(píng)估。

s1：激光干涉儀產(chǎn)生球面光束，構(gòu)建的步驟具體包括：

s11：對(duì)激光照射下軸承球表面對(duì)激光的反射作用進(jìn)行光學(xué)理論分析，選用球面透鏡f數(shù)值為0.6～8.1，每次球面光束掃描的球面面積占整個(gè)球面面積的5～20％。

s12：分析系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)精度的影響因素，為軸承球球形誤差激光干涉檢測(cè)方法的光路改進(jìn)奠定理論基礎(chǔ)。

s13：根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，搭建起適用于軸承球激光干涉檢測(cè)的光路系統(tǒng)。

軸承球激光干涉檢測(cè)的光路系統(tǒng)具體包括：

s131：以物理光學(xué)為基礎(chǔ)，建立軸承球球形誤差的激光干涉作用模型，以理論分析結(jié)果為依據(jù)改進(jìn)光路，平面激光干涉儀只能測(cè)量平面誤差，因此如圖2所示，需要在干涉儀前加球補(bǔ)償鏡才能對(duì)球面進(jìn)行測(cè)量。

s132：利用已成為工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件asap中對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真及優(yōu)化，保證足夠的檢測(cè)靈敏度，評(píng)估可能引起檢測(cè)誤差的影響因素及誤差范圍。根據(jù)分析與仿真結(jié)果，調(diào)整球補(bǔ)償鏡在光路中的位置。

s133：圖2所示為軸承球球形誤差激光干涉檢測(cè)方法原理圖，虛框1內(nèi)為激光干涉儀已有光路，光束射出為平直光束，虛框2內(nèi)為添加的球面補(bǔ)償鏡，將平直光束轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛎婀馐?，?shí)現(xiàn)球面的面型誤差測(cè)量。

s2：調(diào)心裝置調(diào)整球心位置，構(gòu)建的步驟具體包括：

s21：一套反饋式自動(dòng)光束對(duì)焦裝置，光路采用激光作為光源，一維位置傳感器作為光電探測(cè)器，激光、柱面平凸透鏡和反射鏡構(gòu)成光束對(duì)焦光路。電路分為傳感信號(hào)處理電路和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，具有電壓放大、消除地面干擾和濾波等作用，將反射的光照射在光電探測(cè)器上，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，帶動(dòng)電動(dòng)對(duì)焦裝置進(jìn)行對(duì)焦的方式。圖3所示為光束對(duì)焦原理圖，虛框1為光路部分，虛框2為電路部分。固定光路系統(tǒng)與位置傳感器的位置，調(diào)節(jié)移動(dòng)工作臺(tái)上下移動(dòng)，位置傳感器光敏面上的激光光斑也隨之變化，于是電動(dòng)機(jī)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)情況決定了光束是否對(duì)焦，當(dāng)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，軸承球外表面位于物鏡焦平面完成對(duì)焦。

s22：在底座上固定一個(gè)高精度的回轉(zhuǎn)臺(tái)，被測(cè)工件通過(guò)精密裝夾機(jī)構(gòu)固定在測(cè)量平臺(tái)上。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)，使得整個(gè)裝置繞著通過(guò)測(cè)量球心的主軸回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)臺(tái)和測(cè)量平臺(tái)通過(guò)調(diào)心裝置連接，主要作用是調(diào)整不同尺寸球在測(cè)量時(shí)的球心位置，使得球心的位置和回轉(zhuǎn)臺(tái)中心的位置1盡量重合，減小由于球心不重合引起的定位誤差，從而使該裝置可以用于直徑變化的一系列軸承球的測(cè)量。

s3、s4、s5構(gòu)建的步驟具體包括：球面光束對(duì)調(diào)整好球心位置的軸承球球體表面進(jìn)行掃描，由于球面光束法向入射到被測(cè)球面鏡上后沿原路返回，進(jìn)入干涉儀與參考光束發(fā)生干涉，拍照獲取球體表面局部干涉圖，進(jìn)而生成球體局部表面形貌圖。

s6：展開(kāi)機(jī)構(gòu)進(jìn)行球面展開(kāi)，構(gòu)建的步驟具體為采用橢圓齒輪傳動(dòng)的球面展開(kāi)機(jī)構(gòu)完成軸承表面的激光掃描，得到不同的球體位置。橢圓齒輪傳動(dòng)的球面展開(kāi)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、展開(kāi)均勻、速度快、振動(dòng)小的特點(diǎn)，是目前軸承球表面缺陷機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)中采用較多的一種展開(kāi)機(jī)構(gòu)。

s7：重復(fù)s2-s5步驟5-20次，獲取不同球體位置的表面形貌圖，實(shí)現(xiàn)軸承球球體的整體測(cè)量。

s8：提取多幅局部表面形貌圖特征點(diǎn)，拼接生成完整表面形貌平面圖。構(gòu)建的步驟具體為多幅表面形貌圖在sift算法中進(jìn)行特征點(diǎn)的提取與匹配，拼接生成完整表面形貌平面圖。

s9：將完整表面形貌平面圖轉(zhuǎn)化為表面形貌球面圖，通過(guò)球面映射算法轉(zhuǎn)化為表面形貌球面圖。

s10：表面形貌球面圖進(jìn)行球形誤差評(píng)估，由于傳統(tǒng)球形誤差的評(píng)價(jià)通過(guò)測(cè)量圓度誤差來(lái)求球度誤差，激光干涉是基于整個(gè)面形的球度測(cè)量。在matlab和labview平臺(tái)上對(duì)獲取的表面形貌數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所使用的算法包括最小包容區(qū)域法(mzs)、最小二乘球法(lss)、最小外接球法(mcs)和最大內(nèi)接球法(mis)四種球形誤差算法中的任意一種，進(jìn)行球形誤差評(píng)估。為了檢驗(yàn)評(píng)定球形誤差所建立的數(shù)學(xué)模型及算法的精確性，需要進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在實(shí)際生產(chǎn)中，遇到的球的實(shí)際輪廓是多種多樣的，難以用精確的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述。因此，為了不失一般性，選用理想的特殊函數(shù)作為試驗(yàn)對(duì)象。通過(guò)理想的橢球面進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證上述的球形誤差評(píng)定理論及其算法的正確性。