【摘 要】激光测量作为非接触测量的新技术，具有高精度、高效率的优势，本文采用ZIP250型影像测量仪，加装DRS300型激光位移传感器，实现了宝石轴承曲率半径的检测。利用轮廓仪对新方法测量结果进行修正，可以保证测量准确性满足要求。测量节拍可达到10S/件，重复精度可达到0.003mm，均优于原方法；新方法无需借助二碘甲烷显影，降低了环境和职业健康风险。
【关键词】宝石轴承；曲率半径检测；激光
中图分类号： TH133.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）13-0063-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.028
球型宝石轴承（以下简称轴承，如图1）具有体积小、精度高的特点，轴承槽曲率半径（以下称SR）作为轴承的关键尺寸，在装配前必须进行全数检测。原有检测方法采用二碘甲烷浸液法显示轴承轮廓，利用二维光学影像仪测量SR，测量过程效率低，加之二碘甲烷具有毒性，在环保和职业健康方面存在一定的风险，因此进行检测方法优化十分必要。
依据行业标准，轴承SR采用浸液法在50倍投影仪上用样板比较测量[1]，对其定量测量方法，标准并未述及。小尺寸零件的测量过程对测量力比较敏感[2]，接触式测量需要进行工件的可靠固定，其测量效率一般较低，所以优先考虑采用非接触式测量。激光测量作为非接触测量的新技术，具有高精度、高效率等优势，如能将其应用于轴承SR检测，将有助于提高效率、降低风险。
1 激光测量的基本原理
1.1 激光测量概述
激光具有优异的单色性、方向性和高亮性，在长度计量中得到广泛应用。激光测距基本原理是将激光射向被测件，测量它返回的时间，由此求得激光器与被测目标间的距离。激光测量有多种方法，技术也日趋成熟，采用激光干涉法、激光衍射法测量长度[3]文献中都有述及，其中激光三角法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点，在长度、距离及三维形貌等检测中有着广泛的应用[4]。
1.2 激光三角法的工作原理
激光三角法是激光视觉检测技术的基础，下面以斜射式单点激光三角法为例说明其测量原理。
如图2所示，激光器1发出光线，经会聚透镜2聚焦后垂直入射到被测物体表面3上，物体移动或轮廓变化，导致入射光沿入射光轴移动。接收透镜4接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器5上。若光电成像面上的位移为x，，可求出被测表面的位移x。
式中，a为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；θ为激光轴与接收透镜光轴之间的夹角[5]。
2 测量方法
2.1 方法设计及难点分析
利用激光三角法测量，可以得出轴承表面各点的坐标信息，通过测量程序控制激光传感器和样品移动，采集到轴承球窝直径方向的位置点信息，即可构造出过球心的大圆，进而得出SR值。
以上测量方法要实现，必须具备以下条件：
（1）样品精确定位，激光传感器和样品台位移实现精密控制，确保激光扫描通过球径；
（2）选择适宜的激光测量系统，要求其测量范围、精度等参数满足测量要求，结果输出准确、直观；
（3）测量结果的准确度、精密度可验证。
2.2 方案提出
采用ZIP250型三维光学影像测量仪，该设备配备高精度伺服电机，样品台和测量部（XYZ方向）的位移误差均小于2μm，将激光传感器固定在该设备测量部上，即可实现位移精密控制。同时，设计专用定位工装，固定轴承在测量台上的位置，通过影像仪程序控制，保证测量过程样品不发生位移，激光传感器在Y方向移动进行测量。通过影像测量仪的光学系统找准轴承外圆并构造出圆心，然后调用激光从轴承的上端面边缘开始，沿着Y方向径向扫描轴承轮廓，可以保证扫描轨迹通过球径。
通过多次试验，选取DRS300型激光位移传感器，该传感器利用激光三角法来测量表面位移，其精度为1.0μm，分辨率为0.125μm，三角测量范围为70°，其信号采集、传输及控制均与ZIP250型影像测量仪可匹配，利用激光传感器的距离参数结合影像仪的图像参数即可实现检测功能，检测结果通过影像仪工控机输出。
利用轮廓仪测量轴承SR，与新方法量结果进行比对，如有必要对新方法所得结果进行修正，消除测量结果的整体偏倚，保证测量准确性满足要求。测量系统的精密度可以通过与原方法开展比对试验进行验证。
2.3 试验及结果修正
利用影像仪控制系统编制自动测量程序：调用光学镜头测量轴承外圆，并构造出圆心；调用激光从轴承上端面边缘，通过圆心沿Y方向扫描轴承上端轮廓，结果以坐标点的形式输出；在去除球窝边缘圆角的条件下，拟合生成圆弧，评价得出圆弧直径即为轴承SR。
抽取50件轴承，根据专用定位工装的容量，每组10件逐一采用新方法进行自动测量；然后，利用CV-3200S4型探针式轮廓仪进行逐个测量。分别计算50件样品两种方法的结果差值，轮廓仪测量结果比新方法平均大0.019mm；对差值进行统计，其标准差仅为0.005mm，说明2组测量结果存在系统偏差，可以通过补偿来消除。因此，通过影像仪软件系统对新方法进行修正，原始測量结果加0.019mm后输出。
3 验证
3.1 测量效率及环保性
通过1000件连续检测验证，轴承SR值的测量节拍为10S/件，远小于原方法的30S/件，主要是因为新方法可以实现多件自动连续测量，而且测量过程轴承平放即可，与原方法要求轴承外圆放置在容器底部相比，摆放过程大为简化。新方法中激光装置可以直接采点测量，不需要借助浸液显示轮廓，成功去除了二碘甲烷，降低了环境和职业健康风险。
3.2 测量精确度
（1）分辨力
轴承SR值的公差为50μm，新方法中测量系统的分辨力为0.1μm，可以满足检测需求。
（2）准确性
随机抽取50件样品，分别采用新方法和轮廓仪进行SR测量，对测量结果进行比对，其均值差为0.002mm，约为公差带的1/25，表明测量准确性满足要求。
（3）精密度
随机抽取10件样品，分别对每件样品在人员、方法、环境均不改变的条件下，进行重复测量10次，得出数据进行重复精度分析。新方法10组数据极差均值为0.003mm，远小于原方法的极差均值0.026mm，可以表明，新方法的重复精度优于原方法。
4 结论
（1）采用ZIP250型影像测量仪，加装DRS300型激光传感器，配套专用定位工装，可以实现轴承SR检测。
（2）利用轮廓仪测量结果对系统进行修正，可以保证新方法测量准确性满足要求。
（3）新方法的测量节拍可达到10S/件，重复精度可达到0.003mm，效率及精密度均优于原方法。
（4）新方法不需要借助二碘甲烷显影，降低了环境和职业健康风险。
【参考文献】
[1]JB/T6790-2010，仪器仪表用槽形宝石轴承[S].2010.
[2]杨先颖等.浅谈几何量测量中的小尺寸测量[J].品牌与标准化，2015，（8）：82-83.
[3]鲍娟.激光在长度计量中的应用[J].商品与质量，2012，（7）：78.
[4]王晓嘉等.激光三角法综述[J].仪器仪表学报，2004，（8）：61-64.
[5]万瑾等.激光三角法测量的研究[J].三明学院学报，2006，（12）：361-364.