轴承内外径测量装置及其测量方法

1.本发明涉及轴承测量技术领域，特别涉及一种轴承内外径测量装置及其测量方法。


背景技术：

2.轴承是众多具有旋转机构的设备中不可或缺的零部件，它的主要功能是为旋转机构提供支撑，同时起到降低摩擦系数，保证回转精度的作用。轴承的种类有很多，按其运动形式可分为滑动轴承和滚动轴承，目前工业上的诸多设备均需要高精度的轴承来保证其精确的回转精度。精密轴承与普通轴承最大的区别之一是尺寸要求值不同，精密轴承的内外径尺寸偏差很小，故对其内外径测量方法有较高的测量精度需求。但现有的轴承内外径测量方法，或利用定尺寸模具进行定尺寸批量测试，一个模具仅能测试一种尺寸轴承，且精度不高。或利用三点装夹方法通过回转轴承的方式测量圆周，拟合出轴承的直径。测量内径和外径需多次装夹，且装夹时存在偏心误差，精度不高，拟合计算直径时存在拟合误差，无法满足高精度轴承的测试需要。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种轴承内外径测量装置及其测量方法，利用v型块的定位特性，无需对轴承进行回转，避免了装调时偏心等因素带来的仪器误差，可对不同直径轴承实现快速装夹。同时提出的直径三点测量方法依靠精密的位移台位移坐标数据以及探测器，激光干涉仪的进一步数据补偿，可精确的在一次装夹中同时测量轴承的内、外径。与现有的轴承内外径测量方法相比，可大量程，高精度测量，计算方法中不存在拟合误差。
4.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：本发明提供一种轴承内外径的测量装置，包括：精密二维运动模块、轴承装夹模块和位移精度补偿模块，精密二维运动模块包括支撑结构和二维位移结构；支撑结构包括隔振底座、铝型材和大理石平台；隔振底座放置在地面上，大理石平台放置在隔振底座上，铝型材放置在大理石平台上；二维位移结构放置在支撑结构上，用于实现沿x轴和y轴两个方向上的位移运动，轴承装夹模块和待测轴承放置在二维位移结构上，轴承装夹模块用于对待测轴承进行固定；位移精度补偿模块用于对二维位移结构的位移精度进行补偿，位移精度补偿模块包括：探测器装置、激光干涉仪装置、测量镜装置、分光镜和分束器；探测器装置安装在铝型材上，固定在二维位移结构的上方；探测器装置用于获取探针与待测轴承接触时的位置信息；测量镜装置放置在二维位移结构上，位于轴承装夹模块的底部；激光干涉仪装置发出一束激光光束，依次经过分束器和分光镜后被分为一束测量光束和一束参考光束，测
量光束沿y轴方向垂直入射至测量镜装置，经测量镜装置反射后原路返回，与参考光束进行对比后得到二维位移结构沿y轴方向的位移，并对二维位移结构y轴方向的位移精度进行补偿；在对待测轴承内外径的测量过程中：通过移动二维位移结构，使探测器装置位于待测轴承的目测直径测量点，通过不断对二维位移结构进行微调，读取二维位移结构最大y轴坐标下的x轴坐标，将x轴坐标对应的直线作为待测轴承的测量路径；沿y轴方向移动二维位移结构，分别获取经激光干涉仪装置补偿后的待测轴承直径上的外径点l1，第一内径点l2，第二内径点l3的坐标信息，并将探测器装置获取的坐标信息作为误差进行补偿，最终得到待测轴承的内径和外径。
5.优选地，二维位移结构包括：第一气浮导轨、第二气浮导轨、气浮安装座、气浮承载台和气浮位移台；第二气浮导轨沿x轴对称固定放置在大理石平台的两端；气浮安装座放置在第二气浮导轨上，与第二气浮导轨之间为滑动连接；第一气浮导轨分别沿y轴对称放置在第二气浮导轨上，其中一端与气浮安装座固定连接；气浮位移台放置在第一气浮导轨上，与第一气浮导轨进行固定连接；气浮位移台上固定安装有气浮承载台；气浮位移台的底部安装有直线电机，直线电机通过拖链带动气浮位移台上的气浮承载台，在第一气浮导轨上沿y轴进行运动、在第二气浮导轨上沿x轴进行运动。
6.优选地，轴承装夹模块包括：v型块和压板；通过对v型块的位置进行调节后，通过压板将v型块固定在气浮承载台上。
7.优选地，测量镜装置包括：长条测量镜和测量镜固定工装；长条测量镜通过测量镜固定工装装配于气浮承载台上；位于v型块的底部；探测器装置包括：探测器夹持架和探测器；探测器夹持架安装在铝型材上，探测器安装在探测器夹持架中；激光干涉仪装置包括：激光干涉仪、激光干涉仪调整架和激光干涉仪基座；激光干涉仪调整架放置在激光干涉仪基座上，激光干涉仪放置在激光干涉仪调整架上，通过激光干涉仪调整架对激光干涉仪的位置和角度进行调整；分光镜通过分光镜支架进行位置和角度的调整以及固定。
8.优选地，v型块的位置调整过程为：通过移动气浮承载台使探测器3处于v型块的v型槽区域的底角位置，通过对气浮承载台进行微调，获取v型槽两个表面的二维位置坐标，并结合探测器的数据补偿，移动v型块使探测器处于不同y轴坐标下v型槽的中点处，使v型块的角分线与气浮承载台y轴方向平行，通过压板对v型块进行固定；当v型块的位置固定后，将待测轴承紧靠v型块的v型槽的两个表面进行放置。
9.优选地，测量镜装置的位置调整为：依次调整分束器、分光镜及激光干涉仪的位置，使激光干涉仪发出的激光光束，依次经过分束器和分光镜后被分为测量光束和参考光束，其中测量光束入射至长条测量镜中，经过长条测量镜的反射后沿原路返回至激光干涉仪，与参考光束进行比较，实现对气浮
承载台y轴方向上的位移测量；使气浮承载台的y轴方向不变，沿x轴方向进行移动，当激光干涉仪示数一直无变化时，长条测量镜与x轴方向重合，此时完成对长条测量镜的装调。
10.本发明还提供一种轴承内外径测量方法，包括以下步骤：s1、将探测器固定在二维位移结构预设位置，且对v型块的位置进行对准并固定在气浮承载台上；s2、对长条测量镜的位置进行调整，直至气浮承载台沿x轴方向运动时激光干涉仪的示数无变化；s3、将待测轴承放置在v型块的v型槽内，并确定待测轴承内外径的测量路径；s4、沿y轴方向移动气浮承载台，依次获取第一测量点、第二测量点和第三测量点处坐标数据l1、l2和l3，经计算后得到待测轴承的内外径。
11.优选地，步骤s1包括以下子步骤：s11、将v型块平放至气浮承载台的底部，将长条测量镜放置在v型块的底部，并将探测器固定在铝型材上；通过在x轴和y轴方向上移动气浮承载台，将探测器移动至v型块的v型槽临近底角处，开始v型块的装调；s12、利用探测器测量在y1坐标下对应的v型槽两个表面的x轴坐标x1和x2；如果探测器未处于x1和x2的中点位置m1((x1+ x2)/2, y1)处，通过对v型块的位置进行调整，直至探测器位于x1和x2的中点m1处；s13、将探测器移动至下一测量点y2处，再次获取v型槽两个表面的x轴坐标x3和x4；如果探测器未处于x3和x4的中点位置m
2 ((x3+ x4)/2, y2)处，通过对v型块的位置进行调整，直至探测器位于x3和x4的中点m2处；s14、通过n次测量和对v型块的调整，当得到的中点mn与上一次得到的中点m
n-1
的横坐标相同时，完成对v型块的对准；s15、通过压板将v型块固定在气浮承载台上。
12.优选地，步骤s3包括以下子步骤：s31、将待测轴承水平放置在气浮承载台上，并紧靠在v型槽的两个表面；s32、移动气浮承载台使探测器与第一测量点位置重合，同时移动气浮承载台，获取不同x轴坐标下探测器接触待测轴承时的示数a与气浮承载台y轴坐标y；s33、探测器与待测轴承的实际接触点y坐标为y-a，当y-a为最大值时为待测轴承最大径位置；s34、记录当y-a为最大值时对应的x坐标，并保持气浮承载台的x轴方向固定，即得到待测轴承内外径的测量路径。
13.优选地，第一测量点、第二测量点、第三测量点位于待测轴承最大直径的一条直线上，即v型块的角分线上；经探测器修正后上述三点的气浮承载台坐标数据分别为y1、y2和y3；此时对应探测器在上述三点处的坐标数据y1’
、y2’
和y3’
；则实际待测轴承内外径上的三点坐标数据为：l1=y
1-y1’
l2=y
2-y2’
l3=y
3-y3’
最终获得待测轴承的内径为d=l
3-l2；外径为d=l
3-l2+2(l
2-l1)。
14.与现有的技术相比，本发明具有以下优点：可利用v型块自身的角分线特性，快速准确的对轴承进行装夹，装夹效率高且可在一次装夹中同时准确获得轴承的内径及外径。相比于现有技术多采用的多点测量拟合计算轴承内外径的方式而言，利用直径三点测量方法可很好的结合激光干涉仪的位移测量精度优势，及v型块与探头配合下的定位优势，直接精确的获取到待测数据。避免了利用拟合出的圆周数据间接计算直径时的计算误差，以及回转测量时轴承装夹偏心带来的装配误差。
附图说明
15.图1是根据本发明实施例提供的轴承内外径测量装置的俯视图。
16.图2是根据本发明实施例提供的轴承内外径测量装置的侧视图。
17.图3是根据本发明实施例提供的轴承内外径测量方法的流程示意图。
18.图4是根据本发明实施例提供的轴承内外径测量方法的程序框图。
19.图5是根据本发明实施例提供的轴承内外径测量方法的v型块装调示意图。
20.图6是根据本发明实施例提供的轴承内外径测量方法的轴承测量示意图。
21.其中的附图标记包括：第一气浮导轨1、探测器夹持架2、探测器3、铝型材4、气浮承载台5、大理石平台6、待测轴承7、第一测量点l1、第二测量点l2、第三测量点l3、v型块8、压板9、长条测量镜10、测量镜固定工装11、第二气浮导轨12、气浮安装座13、分光镜14、分束器15、激光干涉仪16、激光干涉仪调整架17、激光干涉仪基座18、拖链19、气浮位移台20、直线电机21、隔振底座22和分光镜支架23。
具体实施方式
22.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
24.图1是根据本发明实施例提供的轴承内外径测量装置的俯视图。
25.图2是根据本发明实施例提供的轴承内外径测量装置的侧视图。
26.如图1-2所示，本发明实施例提供的轴承内外径测量装置包括：精密二维运动模块、轴承装夹模块和位移精度补偿模块。
27.精密二维运动模块包括：支撑结构和二维位移结构。
28.支撑结构包括：隔振底座22、铝型材4和大理石平台6。隔振底座22放置在地面上，大理石平台6放置在隔振底座22的上方，铝型材4放置在大理石平台6上。
29.大理石平台6上还放置有二维位移结构。
30.二维位移结构包括：第一气浮导轨1、第二气浮导轨12、气浮安装座13、气浮承载台
5和气浮位移台20。
31.第二气浮导轨12沿x轴对称固定放置大理石平台6的两端。
32.气浮安装座13放置第二气浮导轨12上，与第二气浮导轨12之间为滑动连接。
33.第一气浮导轨1分别沿y轴对称放置在第二气浮导轨12上，其中一端与气浮安装座13固定连接。
34.气浮位移台20放置在第一气浮导轨1上，与第一气浮导轨1固定连接。
35.气浮位移台20上固定安装有气浮承载台5。
36.直线电机21安装在气浮位移台20的底部，直线电机21通过拖链19带动气浮位移台20上的气浮承载台5，在第一气浮导轨1上沿y轴进行运动；直线电机21通过气浮安装座13带动气浮位移台20整体在第二气浮导轨12上沿x轴移动。
37.轴承装夹模块包括：v型块8和压板9。通过对v型块8的位置进行调节可通过压板9将v型块8固定在气浮承载台5上。
38.位移精度补偿模块包括：探测器装置、激光干涉仪装置、测量镜装置和分光镜14、分束器15和分光镜支架23。
39.测量镜装置包括：长条测量镜10和测量镜固定工装11。长条测量镜10通过测量镜固定工装11装配于气浮承载台5上。
40.探测器装置包括：探测器夹持架2和探测器3。探测器夹持架2安装在铝型材4上，探测器3安装在探测器夹持架中。
41.激光干涉仪装置包括：激光干涉仪16、激光干涉仪调整架17和激光干涉仪基座18。激光干涉仪调整架17放置在激光干涉仪基座18，激光干涉仪16放置在激光干涉仪调整架17上，通过激光干涉仪调整架17对激光干涉仪16的位置和角度进行调整。
42.本发明实施例提供的轴承内外径测量装置的装调过程为：对v型块的位置进行调整：使探测器夹持架2夹持的探测器3处于v型块8的v型槽区域临近底角位置，通过不断移动平台，获取v型槽两个表面的二维位置坐标，并结合探测器3的数据补偿，移动v型块8使探测器3处于不同y轴坐标下v型槽的中点处，实现v型块8的角分线与位移台y方向平行的调节，最终通过压板9将v型块8固定在气浮承载台5上，完成轴承装夹模块的装调。
43.当v型块8的位置固定后，对待测轴承7的位置进行调整：将待测轴承7水平放置于二维位移台气浮承载台5上，并紧靠在v型块8上，对待测轴承7进行定位，完成待测轴承7的快速装调。本发明可实现不同直径轴承的快速准确装夹。
44.对测量镜装置的位置进行调整：长条测量镜10通过测量镜固定工装11安装在气浮承载台5上、位于v型块8的底部。
45.调整分束器15，分光镜14及激光干涉仪16的位置，激光干涉仪16发出一束激光光束，依次经过分束器15和分光镜14后被分为测量光束和参考光束，其中参考光直接入射至接收器，测量光束经过分光镜14的反射后入射至长条测量镜10中，经过长条测量镜10的反射后沿原路返回至激光干涉仪。测量光束和参考光束在接收器处合成后的信号为初始信号，在长条测量镜10移动后，经长条测量镜10返回的测量光束与参考光束合成后有测量信号，通过判断初始信号与测量信号间的关系得到长条测量镜10的位移量；实现y轴方向上的位移测量。
46.使上述气浮承载台5沿x轴方向进行移动。当激光干涉仪16示数一直无变化时，说明长条测量镜10与x轴方向重合，此时完成对长条测量镜10的装调。
47.使得激光干涉仪16发出的激光光束在入射至长条测量镜10表面后可原路返回，完成二维位移台气浮承载台5的y轴坐标的测量反馈。最终通过激光干涉仪16实现对气浮承载台5的y轴坐标的精度补偿。
48.至此可正式对待测轴承7的内外径进行测量，且更换不同尺寸轴承时无需再次进行上述步骤。
49.再次移动气浮承载台5，使探测器3处于待测轴承7的目测直径测量点附近，在此区间内读取气浮承载台5最大y轴坐标下的x轴坐标，将此坐标作为测量路径的x轴坐标，完成待测轴承7直径方向与测量路径方向的重合装调。
50.开始测量时气浮承载台5的x轴方向不动，沿y轴方向移动气浮承载台5，分别获取经激光干涉仪16补偿后的待测轴承7直径上的三个坐标，分别为第一测量点l1、第二测量点l2、第三测量点l3，即v型块的角分线上。
51.经激光干涉仪修正后上述三点的气浮承载台坐标数据，分别为y1、y2和y3；此时对应的有探测器在上述三点处的坐标数据y1’
、y2’
和y3’
。
52.则实际待测轴承内外径上的三点坐标数据为：l1=y
1-y1’
l2=y
2-y2’
l3=y
3-y3’
最终可获得待测轴承的内径为d=l
3-l2；外径为d=l
3-l2+2(l
2-l1)。
53.图3示出了根据本发明实施例提供的轴承内外径测量方法的流程示意图。
54.图4示出了根据本发明实施例提供的轴承内外径测量方法的程序框图。
55.如图3-4所示，本发明实施例提供的轴承内外径测量方法利用大理石v型块的角分线特性，快速找出待测轴承的直径位置，结合二维位移结构的运动，实现一次装夹中同时对内外径进行精密检测。具体包括以下步骤：s1、将探测器固定在二维位移结构预设位置，且对v型块的位置进行对准并固定在气浮承载台上。
56.图5示出了根据本发明实施例提供的轴承内外径测量方法的v型块装调示意图。
57.如图5所示，步骤s1包括以下子步骤：s11、将v型块平放至气浮承载台的底部，将长条测量镜放置在v型块的底部，并将探测器固定在铝型材上；通过移动气浮承载台的x轴与y轴，将探测器移动至v型块的v型槽临近底角处，开始v型块的装调。
58.s12、首先利用探测器测量在y1坐标下对应的v型槽两个表面的x轴坐标x1和x2；如果探测器未处于x1和x2的中点位置m1((x1+ x2)/2, y1)处，通过对v型块的位置进行调整，直至探测器位于x1和x2的中点m1处；s13、将探测器移动至下一测量点y2处，再次获取v型槽两个表面的x轴坐标x3和x4；如果探测器未处于x3和x4的中点位置m
2 ((x3+ x4)/2, y2)处，通过对v型块的位置进行调整，直至探测器位于x3和x4的中点m2处；
s14、通过n次测量和对v型块的调整，当得到的中点mn与上一次得到的中点m
n-1
的横坐标相同时，完成对v型块的对准。
59.s15、通过压板从上方将v型块固定在气浮承载台上。
60.最终实现v型块角分线与运动方向平行的装调。
61.重复上述步骤，最终使得探测器位于v型块的中点处。达到精确装调，减小误差的作用。
62.上述的各x坐标均指的是将探测器示值补偿进二维位移结构坐标示值后的坐标值。
63.s2、对长条测量镜的位置进行调整，直至气浮承载台沿x轴方向运动时激光干涉仪的示数无变化。
64.将激光干涉仪的光路调整至经测量镜可原路返回，且沿x轴方向运动时激光干涉仪示数无变化，可实现对气浮承载台y轴位移精度的补偿。
65.s3、将待测轴承放置在v型块的v型槽内，并确定轴承内外径的测量路径。
66.步骤s3包括以下子步骤：s31、将待测轴承水平放置在气浮承载台上，并紧靠在v型槽内部的两个表面；s32、移动气浮承载台使探测器与第一测量点位置重合，同时在x轴和y轴方向上移动气浮承载台，获取不同x轴坐标下探测器接触轴承时的示数a与位移台y轴坐标y。
67.s33、探测器与待测轴承的实际接触点y坐标为y-a，当y-a为最大值时为待测轴承最大径位置。
68.s34、记录当y-a为最大值时对应的x坐标，并保持气浮承载台的x轴方向固定，即得到待测轴承内外径的测量路径。
69.至此实现了直径3点测量法的整体装调工作，上述步骤仅需在第一次测量起始前进行，测量时可直接将不同尺寸的待测轴承水平放置于气浮承载台上，并紧靠在v型块的v型槽中实现装夹，与目前其他轴承内外径测量方法相比，本发明可对不同尺寸的轴承进行快速装夹测量。
70.s4、沿y轴方向移动气浮承载台，依次获取第一测量点、第二测量点和第三测量点处坐标数据l1、l2和l3，经计算后得到待测轴承的内外径。
71.图6示出了根据本发明实施例提供的轴承内外径测量方法的轴承测量示意图。
72.如图6所示，第一测量点l1、第二测量点l2、第三测量点l3位于待测轴承最大直径的一条直线上，即v型块的角分线上。
73.经激光干涉仪修正后上述三点的气浮承载台坐标数据，分别为y1、y2和y3；此时对应的有探测器在上述三点处的坐标数据y1’
、y2’
和y3’
。
74.则实际待测轴承内外径上的三点坐标数据为：l1=y
1-y1’
l2=y
2-y2’
l3=y
3-y3’
最终可获得待测轴承的内径为d=l
3-l2；外径为d=l
3-l2+2(l
2-l1)。
75.与现有内外径测量方法相比，该方法无需对轴承进行回转等位移运动来进行测量，排除了偏心误差，提高了测量的准确性。
76.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
77.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。