張亭亭，宋曉波，胡波，張慧，王宏強(qiáng)

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

鋼球表面粗糙度是指鋼球加工表面上具有較小的間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性，由切削過程中的刀痕、切屑分裂時(shí)的塑性變形和振動(dòng)等原因造成，與其加工方法有直接聯(lián)系，通常用Ra，Rz，Ry表示[1]。鋼球表面粗糙度的優(yōu)劣直接影響著鋼球精度和質(zhì)量評(píng)定，一般用觸針式輪廓儀或激光式表面粗糙度儀、干涉儀測(cè)量[1]。老式粗糙度儀在測(cè)量過程中存在測(cè)量精度差、效率低、易損傷鋼球等問題，現(xiàn)對(duì)老式測(cè)量?jī)x機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出可對(duì)鋼球表面粗糙度進(jìn)行光電式快速測(cè)量的新型測(cè)量?jī)x器。

1 測(cè)量原理

測(cè)量原理如圖1所示，激光散斑理論和試驗(yàn)表明，光核部分的光能量D2與散斑部分的光能量D1的比值與被測(cè)表面粗糙度呈單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，即

圖1 測(cè)量原理圖

Ra=K(D1/D2)，

式中：K為修正系數(shù)。被測(cè)表面的粗糙度值越小，其中心光核項(xiàng)的光能量占整個(gè)衍射圖樣的比重越大，而散斑項(xiàng)占的比重越小。隨著表面粗糙度值的增大，光核項(xiàng)占的比重減小，散斑項(xiàng)占的比重增加。因此在被測(cè)表面衍射圖樣的光強(qiáng)區(qū)域中，可用光核區(qū)域光能量與散斑區(qū)域光能量的比值來評(píng)定(測(cè)量)表面粗糙度[2]。

在對(duì)被測(cè)鋼球進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，激光管發(fā)射激光，照射到鋼球的最頂端(中心)，經(jīng)反射后形成的光核和光帶分別由相應(yīng)的傳感器接收，經(jīng)電路按給定的函數(shù)關(guān)系運(yùn)算后得到相應(yīng)的表面粗糙度值。

2 技術(shù)指標(biāo)

(1)測(cè)量范圍：Ra為0.005 ～ 0.32 μm，Ry為0.01 ～ 0.32 μm。

(2)鋼球尺寸范圍：Φ8～70 mm。

(3)示值誤差：<15%。

(4)示值重復(fù)性：>95%。

(5)效率：約150 粒/h。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

如圖2所示，新型鋼球表面粗糙度測(cè)量?jī)x主要在機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，鋼球調(diào)整裝置位于底座正前方，測(cè)量心軸安裝在鋼球調(diào)整裝置中的升降軸上，被測(cè)鋼球放在測(cè)量心軸的錐窩里；激光管及調(diào)整裝置位于鋼球調(diào)整裝置的左側(cè)，使激光光源的入射光線可以正好作用于被測(cè)鋼球的頂點(diǎn)上；擺動(dòng)調(diào)整裝置位于鋼球調(diào)整裝置的后方，擺動(dòng)接收裝置安裝在擺動(dòng)調(diào)整裝置的傳感器擺動(dòng)軸上，傳感器擺動(dòng)軸的中心與鋼球調(diào)整裝置的升降軸處于同一個(gè)平面上，光電傳感器固定在擺動(dòng)接收裝置上，可以沿?cái)[桿移動(dòng)位置，以調(diào)節(jié)傳感器與被測(cè)球之間的位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)傳感器的接收距離。

1—底座：2—鋼球調(diào)整裝置；3—擺動(dòng)調(diào)整裝置；4—測(cè)量心軸；5—被測(cè)鋼球；6—限位裝置；7—光電傳感器；8—擺動(dòng)接收裝置；9—激光管及調(diào)整裝置；10—外殼

3.1 鋼球調(diào)整裝置

鋼球調(diào)整裝置主要由升降座、限位螺釘、軸承、升降套、升降軸、大錐齒輪、小錐齒輪、鋼球調(diào)整軸、鋼球調(diào)整座、鋼球調(diào)整手輪構(gòu)成。軸承固定在升降座里，大錐齒輪、升降套與軸承內(nèi)圈固定，可繞升降軸轉(zhuǎn)動(dòng)，升降軸與升降套之間通過細(xì)牙螺紋連接，在升降軸下端開有上下直槽，限位螺釘從槽中穿過，并固定在升降座上。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，通過小錐齒輪帶動(dòng)大錐齒輪和升降套轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)升降軸和鋼球上下精密移動(dòng)，從而調(diào)整鋼球位置。

3.2 擺動(dòng)調(diào)整裝置

擺動(dòng)調(diào)整裝置主要由擺動(dòng)調(diào)整手輪、擺動(dòng)調(diào)整軸、軸承、擺動(dòng)調(diào)整座、調(diào)整螺母、連桿、搖桿、傳感器擺動(dòng)座、傳感器擺動(dòng)軸構(gòu)成。調(diào)整螺母、連桿、搖桿組成連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)傳感器擺動(dòng)軸在傳感器擺動(dòng)座中轉(zhuǎn)動(dòng)，擺動(dòng)調(diào)整軸與調(diào)整螺母通過T形螺紋連接。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪可通過連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳感器接收裝置沿?cái)[動(dòng)座中心轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)整傳感器接收角度的目的。

3.3 限位裝置

限位裝置主要由限位座、軸承、限位軸、升降螺母、鎖緊螺母、限位桿及銅片構(gòu)成。限位軸通過2套軸承固定在限位座里，并消除軸承軸向間隙，限位桿下部裝有升降螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)升降螺母可上下移動(dòng)限位桿，實(shí)現(xiàn)限位高度的調(diào)整，限位桿上部通過反螺紋的鎖緊螺母鎖緊，保證限位桿移動(dòng)過程中無軸向間隙。銅片鑲嵌在限位桿的前端，并用一根導(dǎo)線連接銅片與底座的限位燈(發(fā)光二極管)，當(dāng)鋼球頂端觸碰銅片后，限位指示燈亮，起到限位控制作用。

3.4 擺動(dòng)接收裝置

擺動(dòng)接收裝置主要由擺桿、滑軌、調(diào)整轉(zhuǎn)軸、鎖緊螺釘、彈性摩擦套、標(biāo)尺構(gòu)成。采用摩擦套結(jié)構(gòu)，松開鎖緊螺釘后，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)輪，可將連接傳感器裝置的滑軌沿傳感器擺桿上下移動(dòng)，觀察鑲嵌在擺桿上的標(biāo)尺，根據(jù)鋼球尺寸和接收距離對(duì)照表上的距離，調(diào)整傳感器在擺桿上的位置，然后通過鎖緊螺釘將滑軌固定在擺桿上，從而實(shí)現(xiàn)傳感器接收位置的調(diào)整。

3.5 激光管及調(diào)整裝置

激光管及調(diào)整裝置主要由激光管、管套、前后蓋、支架、支座、調(diào)整螺母等組成。激光管固定在管套內(nèi)部，可通過微調(diào)螺釘調(diào)整激光管在管套內(nèi)部的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光光束入射角度的微調(diào)。管套與支架固定后插入支座孔中，調(diào)整螺母位于支座上端，通過螺紋與支架旋合，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整螺母，支架及激光管可上下移動(dòng)，通過調(diào)整可將激光束通過傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)中心，達(dá)到最佳的測(cè)量效果。

與原測(cè)量?jī)x相比，新結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)鋼球調(diào)整裝置采用錐齒輪嚙合和細(xì)牙螺紋升降，擺動(dòng)調(diào)整裝置采用T形螺紋嚙合和連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)調(diào)整擺桿擺動(dòng)角度，移動(dòng)精度高、成本低、體積小，且移動(dòng)靈活、噪聲?。?/p>

(2)激光管封閉，激光光源損失較小，增加了光電傳感器有效感光能力，調(diào)整結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行激光管的前后、左右和高低調(diào)整，調(diào)整方便，而且改善了整臺(tái)檢測(cè)裝置的外觀；

(3)限位裝置不僅可以調(diào)整限位桿的高低，而且限位桿轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、無間隙；

(4)擺動(dòng)接收裝置移動(dòng)時(shí)通過調(diào)整轉(zhuǎn)軸靈活地調(diào)整游標(biāo)在擺桿上的位置，松開后游標(biāo)自動(dòng)固定在擺桿上，并可以通過鎖緊螺釘進(jìn)行更牢固的固定；

(5)儀器整體外觀采用圓弧形，符合現(xiàn)代儀器工業(yè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

4 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量，必須對(duì)測(cè)量?jī)x關(guān)鍵工作裝置進(jìn)行適當(dāng)、精確的調(diào)整。調(diào)節(jié)鋼球調(diào)整裝置，將被測(cè)鋼球的頂點(diǎn)調(diào)整到光電傳感器接收裝置的擺動(dòng)中心，調(diào)整激光管及調(diào)整裝置，使激光光源的入射光斑可以正好作用于被測(cè)鋼球的頂點(diǎn)上，鋼球頂點(diǎn)、光斑與傳感器的旋轉(zhuǎn)中心重合。激光入射光束照射在鋼球頂點(diǎn)后，反射光束分成光核和散斑，分別進(jìn)入不同的光電元件，通過光電元件接收能量比實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

鋼球表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量的關(guān)鍵是將激光管的入射光斑、鋼球最頂端以及傳感器調(diào)整裝置的回轉(zhuǎn)中心調(diào)整到一點(diǎn)上(三點(diǎn)同一線)，同時(shí)反射光斑剛好落在光核傳感器的正中心，并使整個(gè)光路受到良好的暗室保護(hù)，即可將誤差縮到最小，達(dá)到最佳測(cè)量狀態(tài)。

表1為在不同環(huán)境光線情況下，新、老結(jié)構(gòu)測(cè)量?jī)x的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比。表中測(cè)量值為10次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，重復(fù)性為10次測(cè)量的3σ值。從表中可以看出，新結(jié)構(gòu)測(cè)量?jī)x在測(cè)量誤差和重復(fù)性方面有明顯改進(jìn)，且封閉性好，環(huán)境光線對(duì)測(cè)值的影響較小。

表1 鋼球表面粗糙度值測(cè)量對(duì)比

5 結(jié)束語

該新型鋼球表面粗糙度測(cè)量?jī)x在調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造合理的情況下，能保證好的測(cè)量精度，并且具有較快的測(cè)量速度和不損傷被測(cè)鋼球等突出的特征。改進(jìn)后的測(cè)量?jī)x器已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明和外觀等專利。隨著制造工藝與測(cè)控技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，根據(jù)不同用戶的需求，可為企業(yè)選用配套鋼球提供一種新的檢測(cè)和分析手段，具有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)。