钢球表面粗糙度测量仪的改进

张亭亭，宋晓波，胡波，张慧，王宏强

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

钢球表面粗糙度是指钢球加工表面上具有较小的间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，由切削过程中的刀痕、切屑分裂时的塑性变形和振动等原因造成，与其加工方法有直接联系，通常用Ra，Rz，Ry表示[1]。钢球表面粗糙度的优劣直接影响着钢球精度和质量评定，一般用触针式轮廓仪或激光式表面粗糙度仪、干涉仪测量[1]。老式粗糙度仪在测量过程中存在测量精度差、效率低、易损伤钢球等问题，现对老式测量仪机械结构进行改进，开发出可对钢球表面粗糙度进行光电式快速测量的新型测量仪器。

1 测量原理

测量原理如图1所示，激光散斑理论和试验表明，光核部分的光能量D2与散斑部分的光能量D1的比值与被测表面粗糙度呈单值对应关系，即

图1 测量原理图

Ra=K(D1/D2)，

式中：K为修正系数。被测表面的粗糙度值越小，其中心光核项的光能量占整个衍射图样的比重越大，而散斑项占的比重越小。随着表面粗糙度值的增大，光核项占的比重减小，散斑项占的比重增加。因此在被测表面衍射图样的光强区域中，可用光核区域光能量与散斑区域光能量的比值来评定(测量)表面粗糙度[2]。

在对被测钢球进行检测时，激光管发射激光，照射到钢球的最顶端(中心)，经反射后形成的光核和光带分别由相应的传感器接收，经电路按给定的函数关系运算后得到相应的表面粗糙度值。

2 技术指标

(1)测量范围：Ra为0.005 ～ 0.32 μm，Ry为0.01 ～ 0.32 μm。

(2)钢球尺寸范围：Φ8～70 mm。

(3)示值误差：<15%。

(4)示值重复性：>95%。

(5)效率：约150 粒/h。

3 结构改进

如图2所示，新型钢球表面粗糙度测量仪主要在机械结构上进行了改进，钢球调整装置位于底座正前方，测量心轴安装在钢球调整装置中的升降轴上，被测钢球放在测量心轴的锥窝里；激光管及调整装置位于钢球调整装置的左侧，使激光光源的入射光线可以正好作用于被测钢球的顶点上；摆动调整装置位于钢球调整装置的后方，摆动接收装置安装在摆动调整装置的传感器摆动轴上，传感器摆动轴的中心与钢球调整装置的升降轴处于同一个平面上，光电传感器固定在摆动接收装置上，可以沿摆杆移动位置，以调节传感器与被测球之间的位置，进而调节传感器的接收距离。

1—底座：2—钢球调整装置；3—摆动调整装置；4—测量心轴；5—被测钢球；6—限位装置；7—光电传感器；8—摆动接收装置；9—激光管及调整装置；10—外壳

3.1 钢球调整装置

钢球调整装置主要由升降座、限位螺钉、轴承、升降套、升降轴、大锥齿轮、小锥齿轮、钢球调整轴、钢球调整座、钢球调整手轮构成。轴承固定在升降座里，大锥齿轮、升降套与轴承内圈固定，可绕升降轴转动，升降轴与升降套之间通过细牙螺纹连接，在升降轴下端开有上下直槽，限位螺钉从槽中穿过，并固定在升降座上。转动手轮，通过小锥齿轮带动大锥齿轮和升降套转动，进而带动升降轴和钢球上下精密移动，从而调整钢球位置。

3.2 摆动调整装置

摆动调整装置主要由摆动调整手轮、摆动调整轴、轴承、摆动调整座、调整螺母、连杆、摇杆、传感器摆动座、传感器摆动轴构成。调整螺母、连杆、摇杆组成连杆机构，带动传感器摆动轴在传感器摆动座中转动，摆动调整轴与调整螺母通过T形螺纹连接。转动手轮可通过连杆机构带动传感器接收装置沿摆动座中心转动，实现调整传感器接收角度的目的。

3.3 限位装置

限位装置主要由限位座、轴承、限位轴、升降螺母、锁紧螺母、限位杆及铜片构成。限位轴通过2套轴承固定在限位座里，并消除轴承轴向间隙，限位杆下部装有升降螺母，转动升降螺母可上下移动限位杆，实现限位高度的调整，限位杆上部通过反螺纹的锁紧螺母锁紧，保证限位杆移动过程中无轴向间隙。铜片镶嵌在限位杆的前端，并用一根导线连接铜片与底座的限位灯(发光二极管)，当钢球顶端触碰铜片后，限位指示灯亮，起到限位控制作用。

3.4 摆动接收装置

摆动接收装置主要由摆杆、滑轨、调整转轴、锁紧螺钉、弹性摩擦套、标尺构成。采用摩擦套结构，松开锁紧螺钉后，转动调整转轮，可将连接传感器装置的滑轨沿传感器摆杆上下移动，观察镶嵌在摆杆上的标尺，根据钢球尺寸和接收距离对照表上的距离，调整传感器在摆杆上的位置，然后通过锁紧螺钉将滑轨固定在摆杆上，从而实现传感器接收位置的调整。

3.5 激光管及调整装置

激光管及调整装置主要由激光管、管套、前后盖、支架、支座、调整螺母等组成。激光管固定在管套内部，可通过微调螺钉调整激光管在管套内部的位置，进而实现激光光束入射角度的微调。管套与支架固定后插入支座孔中，调整螺母位于支座上端，通过螺纹与支架旋合，转动调整螺母，支架及激光管可上下移动，通过调整可将激光束通过传感器转动中心，达到最佳的测量效果。

与原测量仪相比，新结构具有如下优点：

(1)钢球调整装置采用锥齿轮啮合和细牙螺纹升降，摆动调整装置采用T形螺纹啮合和连杆机构传动调整摆杆摆动角度，移动精度高、成本低、体积小，且移动灵活、噪声小；

(2)激光管封闭，激光光源损失较小，增加了光电传感器有效感光能力，调整结构可以进行激光管的前后、左右和高低调整，调整方便，而且改善了整台检测装置的外观；

(3)限位装置不仅可以调整限位杆的高低，而且限位杆转动灵活、无间隙；

(4)摆动接收装置移动时通过调整转轴灵活地调整游标在摆杆上的位置，松开后游标自动固定在摆杆上，并可以通过锁紧螺钉进行更牢固的固定；

(5)仪器整体外观采用圆弧形，符合现代仪器工业设计特点。

4 测量数据对比

为了实现准确的测量，必须对测量仪关键工作装置进行适当、精确的调整。调节钢球调整装置，将被测钢球的顶点调整到光电传感器接收装置的摆动中心，调整激光管及调整装置，使激光光源的入射光斑可以正好作用于被测钢球的顶点上，钢球顶点、光斑与传感器的旋转中心重合。激光入射光束照射在钢球顶点后，反射光束分成光核和散斑，分别进入不同的光电元件，通过光电元件接收能量比实现测量。

钢球表面粗糙度测量仪测量的关键是将激光管的入射光斑、钢球最顶端以及传感器调整装置的回转中心调整到一点上(三点同一线)，同时反射光斑刚好落在光核传感器的正中心，并使整个光路受到良好的暗室保护，即可将误差缩到最小，达到最佳测量状态。

表1为在不同环境光线情况下，新、老结构测量仪的测量数据对比。表中测量值为10次测量数据的平均值，重复性为10次测量的3σ值。从表中可以看出，新结构测量仪在测量误差和重复性方面有明显改进，且封闭性好，环境光线对测值的影响较小。

表1 钢球表面粗糙度值测量对比

5 结束语

该新型钢球表面粗糙度测量仪在调整机构设计与制造合理的情况下，能保证好的测量精度，并且具有较快的测量速度和不损伤被测钢球等突出的特征。改进后的测量仪器已经申请发明和外观等专利。随着制造工艺与测控技术的进步和发展，根据不同用户的需求，可为企业选用配套钢球提供一种新的检测和分析手段，具有相当的市场。