CN102288115B - 滚子几何尺寸精密在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决现有滚子几何尺寸测量方法效率不高、精度偏低的问题，提出一种滚子几何尺寸精密在线检测方法，测量精度高，适用于工业上高速在线检测。本发明采用两台相对设置的三维激光扫描仪，获取待检测滚子的点云数据，由计算机数据处理系统，对点云数据进行处理，根据所获取的滚子几何参数及误差要求，从而判断滚子的几何尺寸是否合格。

Description

滚子几何尺寸精密在线检测方法

技术领域：

本发明属于测量技术装置技术领域，涉及滚子几何尺寸的高速在线测量方法。

背景技术：

轴承是机械行业中非常重要且应用十分广泛的机械部件，其生产批量大、精度要求高。目前，我国大多数轴承生产厂家在轴承滚子尺寸精度的检测方面还是依靠机械式、光学式等测量仪器进行的，手段比较落后，这种依靠人力的随机抽样检测方法检测效率低、精度低、易于引起人为误差；随着现代制造业的发展，传统的检测技术已不能满足其需要。为了适应轴承制造业生产批量大、质量要求严格、检测任务繁重的特点以及自动化流水线作业、实现产品“零废品率”检测目标的要求。

滚子的几何参数是判断滚子几何尺寸是否合格的重要依据，滚子的几何参数主要包括：滚子某一高度截面处的半径、对应于该截面圆周上某一点的半径误差。目前滚子几何尺寸的检测在国内还基本停留在手工或接触式的检测方式，大部分采用千分尺或是差动变压器式传感器进行接触测量。这种传统式的手工测量方法对操作人员的依赖性强，工人劳动强度比较大，效率低，更重要的是产品精度得不到有效的保障，还可能产生很多人为的误差，这样就难以满足大批量、快节奏、高精度的产品检测要求。由于我国滚子的加工设备普遍精度不高，一致性差，滚子的精度大部分是靠检测设备进行分等，这严重的制约着我国轴承产品的质量和产量。对于轴承滚子外径非接触高精度高速度检测的研究目前还处于空白阶段。

国外轴承滚子的加工和检测方式与我国轴承厂有所不同。由于国外加工滚动体的锻床和外圆磨床的加工精度普遍高于我国，因此加工出来的滚子可以较好的保证精度和一致性。但价格非常昂贵，不能为大多数国内机械制造企业所接受。可以通过对滚子精度进行定期监控，采用抽检的方式很好的控制其产品质量，其抽检的测试设备也是采用接触式的测量方式。不能实现生产现场大规模应用和实时的在线检测，也不能从本质上改变检测手段落后的状态。

发明内容：

本发明的目的是为了解决现有滚子几何尺寸测量方法效率不高、精度偏低的问题，提出一种滚子几何尺寸高速在线检测方法，测量精度高，适用于工业上高速在线检测。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

1）选择两台高精度三维激光扫描仪； 

2）两台三维激光扫描仪相对放置； 

3）设置标靶：

4）三维激光扫描仪对扫描平台上的滚子进行扫描，获得滚子任意坐标系下的点云数据，点云数据的形式为（                                                

）

5）根据设置的标靶，对两台扫描仪的点云数据进行匹配；

6）根据检测条件，提取滚子底部的点云数据，其坐标为（

）

，（）为于同一圆上，其方程为：

，其中

为圆的半径，

为点（

）所出位置的圆心角，根据（

）解求

。

具体解求方法为：

列方程：

其中，

，

；

为该处圆半径的设计值；

为点（

）所在位置的圆心角初始值，规定自X轴方向顺时针为正，

；

其中：

，

，

，

其中表示矩阵

的转置运算。

解方程，可得

的最优值

；

此时，

为滚子实际半径值与半径设计值的误差；

7）根据

    

    

可得：

其中：

表示某一高度面上对应于点（

）的半径误差，[]表示求和。

根据

，

，

及误差要求判断滚子底部尺寸是否合格。

8）对于任一高度面

处滚子几何尺寸的检测，可以提取该高度面上滚子的点云数据

，根据误差要求判断该滚子该高度面

上几何尺寸是否合格，其具体算法同步骤6。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、高速在线检测

现有检测方法主要采用抽检的方式，效率低，不能满足件件检测的要求。

本发明的检测方法，每件产品检测只需10s,一分钟可检测6件产品，一小时360件，可以达到一天24小时不间断检测，一天可以检测8640件。可见其检测效率高。

2、本发明的精度最高可达0.02mm。而现有技术一般达不到该精度。

附图说明：

图1为本发明装置的数据采集部分示意图。

图2为所建立的直角坐标系示意图。

图中：1为三维激光扫描仪，2为三维激光扫描仪，3为待检测滚子，4-为标靶，5为标靶。

具体实施方式：

本发明的方法可实现轴承滚子生产线的在线检测。

如图1、图2所示，为圆柱形滚子的在线检测。本发明同样可实现锥形滚子的测量。

本发明可用的三维激光扫描仪可采用：国外品牌如徕卡、拓普康、天宝，国产品牌如深圳市华朗科技有限公司，北京博维恒信科技发展有限公司生产的扫描仪均可使用。具体型号根据检测精度要求确定。

图1中，测量滚子几何尺寸精密检测系统，可包括扫描系统和计算机数据处理系统；扫描系统由扫描平台和两台相对设置的三维激光扫描仪组成，其作用是获取待检测滚子的点云数据；计算机数据处理系统由数据获取模块和数据处理模块组成，其作用是对点云数据进行处理，并判断滚子几何尺寸是否合格。

本发明的检测步骤简述如下：

步骤1：待检测滚子3被传入扫描平台；

步骤2：设置标靶4、标靶5；

步骤3、三维激光扫描仪1、三维激光扫描仪2对待检测滚子3进行扫描，获得待检测滚子的点云数据；

步骤4、扫描系统获得的待检测滚子3的点云数据传入计算机数据处理系统；

步骤5、计算机数据处理系统的数据处理模块对点云数据进行处理（具体按前面6处理即可），获得待检测滚子某一高度面上的相关几何参数，并与待检测滚子该高度面上几何参数的设计值进行比较，根据误差要求判断滚子几何尺寸是否合格。

Claims (3)

1.一种滚子几何尺寸精密在线检测方法，该方法包括以下步骤：

1）选择两台高精度三维激光扫描仪；

2）两台三维激光扫描仪相对放置；

3）设置标靶：

4）三维激光扫描仪对扫描平台上滚子进行扫描，获得滚子任意坐标系下的点云数据，点云数据的形式为（x_i,y_i,z_i）i＝0,1…m

5）根据设置的标靶，对两台扫描仪的点云数据进行匹配；

6）根据检测条件，提取滚子底部的点云数据，其坐标为（x′_i,y′_i,z′_i）i＝0,1…n，（x′_i,y′_i）为于同一圆上，其方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i^{\′}=R\·\cos {\mathrm{\α}}_i\\ y_i^{\′}=R\·\sin {\mathrm{\α}}_i\end{array}\right.,$ 其中R为圆的半径，α_i为点（x′_i,y′_i）所处位置的圆心角，根据（x′_i,y′_i）解求R；

具体解求方法为：

列方程：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{x_i^{\′}}=\cos {\mathrm{\α}}^0\·\mathrm{\δR}-r\·\sin {\mathrm{\α}}_i^0\frac{\mathrm{\δ}{\mathrm{\α}}_i}{\mathrm{\ρ}}\text{-}{l}_{x_i\′}\\ v_{y_i^{\′}}\text{=sin}{\mathrm{\α}}^0\·\mathrm{\δR}+r\·\cos {\mathrm{\α}}_i^0\frac{\mathrm{\δ}{\mathrm{\α}}_i}{\mathrm{\ρ}}-l_{y_i^{\′}}\end{array}\right.$

其中， $l_{x_i^{\′}}=x_i^{\′}-r\·\cos {\mathrm{\α}}_i^0,$ $l_{y_i^{\′}}=y_i^{\′}-r\·\sin {\mathrm{\α}}_i^0;$

r为该处圆半径的设计值；

为点（x′_i,y′_i）所在位置的圆心角初始值，规定自X轴方向顺时针为正，

$V=B\hat{X}-l$

其中：

$\underset{2n,1}{V}=\left[\begin{array}{c}{v}_{x_1^{\′}}\\ v_{y_1^{\′}}\\ \·\\ \·\\ \·\\ v_{x_n^{\′}}\\ v_{y_n^{\′}}\end{array}\right],$ $\underset{2n,1}{l}=\left[\begin{array}{c}{l}_{x_1^{\′}}\\ l_{y_1^{\′}}\\ l_{x_2^{\′}}\\ l_{y_2^{\′}}\\ \·\\ \·\\ \·\\ l_{x_n^{\′}}\\ l_{y_n^{\′}}\end{array}\right],$

$\underset{2n,n+1}{B}=\left[\begin{array}{ccccccccc}{\cos \mathrm{\α}}_1^0& \frac{-r\sin {\mathrm{\α}}_1^0}{\mathrm{\ρ}}& 0& 0& \·& \·& \·& 0& 0\\ \sin {\mathrm{\α}}_1^0& \frac{r\cos {\mathrm{\α}}_1^0}{\mathrm{\ρ}}& 0& 0& \·& \·& \·& 0& 0\\ \cos {\mathrm{\α}}_2^0& 0& \frac{-r\sin {\mathrm{\α}}_2^0}{\mathrm{\ρ}}& 0& \·& \·& \·& 0& 0\\ \sin {\mathrm{\α}}_2^0& 0& \frac{r\cos {\mathrm{\α}}_2^0}{\mathrm{\ρ}}& 0& \·& \·& \·& 0& 0\\ \·& \·& \·& \·& & & & \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& & & & \·& \·\\ \cos {\mathrm{\α}}_n^0& 0& 0& 0& \·& \·& \·& 0& \frac{-r\sin {\mathrm{\α}}_n^0}{\mathrm{\ρ}}\\ \sin {\mathrm{\α}}_n^0& 0& 0& 0& \·& \·& \·& 0& \frac{r\cos {\mathrm{\α}}_n^0}{\mathrm{\ρ}}\end{array}\right],$ $\underset{n+\mathrm{1,1}}{\overset{^}{X}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δR}\\ \mathrm{\δ}{\mathrm{\α}}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{\δ}{\mathrm{\α}}_n\end{array}\right]$

$\hat{X}={\left(B^{T}B\right)}^T{B}^{T}l$

其中B^T表示矩阵B的转置运算；

解方程，可得R的最优值

此时，δR为滚子实际半径值与半径设计值的误差。

2.根据权利要求1所述的滚子几何尺寸精密在线检测方法，该方法还包括以下步骤：

根据 ${\mathrm{\α}}_i={\mathrm{\α}}_i^0+\mathrm{\δ}{\mathrm{\α}}_i$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_i=R\·\cos {\mathrm{\α}}_i-x_i\\ \mathrm{\Δ}{y}_i=R\·\sin {\mathrm{\α}}_i-y_i\end{array}\right.,i=\mathrm{0,1}\·\·\·n$

可得： ${\mathrm{\Δ}}_i=\sqrt{{\mathrm{\Δx}}_i^2+{\mathrm{\Δy}}_i^2}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}}=\left[{\mathrm{\Δ}}_i\right]/n$

其中：Δ_i表示某一高度面上对应于点（x_i,y_i）的半径误差，[]表示求和。

根据maxΔ_i，minΔ_i，

及误差要求判断滚子底部尺寸是否合格。

3.根据权利要求1所述的滚子几何尺寸精密在线检测方法，该方法还包括以下步骤：

对于任一高度面H_i处滚子几何尺寸的检测，提取该高度面上滚子的点云数据（x′_2i,y′_2i,z′_2i）i＝0,1…n_2i，根据误差要求判断该滚子该高度面H_i上几何尺寸是否合格，其具体算法同步骤6。

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