軸承徑向游隙自動(dòng)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)與精度分析*

薛瑋珠

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)系，浙江 杭州 310053)

0 引 言

軸承常用于支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，減少運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù)，保證機(jī)械設(shè)備的回轉(zhuǎn)精度和使用壽命[1-2]。影響軸承精度的主要參數(shù)有：旋轉(zhuǎn)精度、軸向游隙、徑向游隙等。其中，徑向游隙對(duì)軸承疲勞壽命、旋轉(zhuǎn)精度、溫升、噪聲以及振動(dòng)的影響比較顯著，是軸承重要檢測(cè)項(xiàng)目之一[3-4]。

目前，軸承徑向游隙的檢測(cè)方法有：人工手動(dòng)檢測(cè)法和在線自動(dòng)測(cè)量法。人工手動(dòng)檢測(cè)法有：塞尺法、打表法、軸承徑向游隙檢測(cè)專用儀法等，這些方法測(cè)量效率低、精度低[5-6]。在線自動(dòng)測(cè)量法能實(shí)現(xiàn)線上實(shí)時(shí)檢測(cè)，但其成本高，且抽樣檢測(cè)部分仍以人工檢測(cè)為主[7-8]。

為了解決上述問(wèn)題，本研究將研制一種徑向游隙自動(dòng)測(cè)量裝置。

1 裝置設(shè)計(jì)介紹

軸承徑向游隙自動(dòng)測(cè)量裝置包括：送料機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、施力機(jī)構(gòu)、分選機(jī)構(gòu)及檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)軸承的自動(dòng)送料、自動(dòng)定位、自動(dòng)夾緊、自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)分選。

該裝置的模型如圖1所示。

圖1 裝置模型1-送料機(jī)構(gòu)；2-夾緊機(jī)構(gòu)；3-施力機(jī)構(gòu)；4-分選機(jī)構(gòu)；5-檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 送料機(jī)構(gòu)

送料機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、軸承存儲(chǔ)盒、彈性擋片、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和定位槽組成，其執(zhí)行過(guò)程為：

步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，曲柄推動(dòng)滑塊前行，待檢軸承被推入定位槽中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，此時(shí)，彈性擋片將定位槽中的待檢軸承與后面的軸承隔離；步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，曲柄控制滑塊后行，當(dāng)滑塊離開(kāi)軸承儲(chǔ)存盒下端的口子時(shí)，軸承存儲(chǔ)盒中的軸承借助重力作用順勢(shì)掉下，開(kāi)始下一輪的送料過(guò)程。

整個(gè)送料機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 送料機(jī)構(gòu)1-步進(jìn)電機(jī)；2-軸承存儲(chǔ)盒；3-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；4-定位槽；5-彈性擋片

1.2 夾緊機(jī)構(gòu)

夾緊機(jī)構(gòu)主要由正反牙絲桿、傳動(dòng)齒輪、電機(jī)、導(dǎo)軌滑塊等組成，其執(zhí)行過(guò)程為：

電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪，齒輪帶動(dòng)正反牙絲桿旋轉(zhuǎn)，使得導(dǎo)軌滑塊相向而行，帶動(dòng)兩夾頭迅速靠近，將軸承內(nèi)圈夾緊；由于夾頭軸線位置較待檢測(cè)軸承中心線偏高，在夾緊內(nèi)圈的同時(shí)，抬升了軸承，使其離開(kāi)定位槽而懸空；待測(cè)量完成后，齒輪反向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)正、反牙絲桿旋轉(zhuǎn)使得導(dǎo)軌滑塊相背向而行，使兩夾頭迅速分離歸位。

夾緊機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 夾緊機(jī)構(gòu)1-正反牙絲桿；2-傳動(dòng)齒輪；3-導(dǎo)軌滑塊；4-夾頭5-電機(jī)

1.3 施力機(jī)構(gòu)

施力機(jī)構(gòu)主要由硅膠輪、推桿、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵組成，其執(zhí)行過(guò)程為：

夾緊機(jī)構(gòu)固定內(nèi)圈后，步進(jìn)電機(jī)控制電磁鐵驅(qū)動(dòng)推桿向上運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)向上的徑向力，使軸承外圈上移至極限位置；當(dāng)電磁鐵推桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，在軸承重力的作用下，外圈即可產(chǎn)生向下的極限位移；施力機(jī)構(gòu)同時(shí)設(shè)置有硅膠轉(zhuǎn)輪，當(dāng)一個(gè)徑向位置測(cè)量完成時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)硅膠轉(zhuǎn)輪，使軸承外圈轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，以便進(jìn)行下一個(gè)徑向位置的測(cè)量。

施力機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 施力機(jī)構(gòu)1-硅膠輪；2-推桿；3-步進(jìn)電機(jī)；4-電磁鐵

1.4 分選機(jī)構(gòu)

分選機(jī)構(gòu)的功能是根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，按軸承徑向游隙的大小進(jìn)行分組，并將軸承運(yùn)送至相應(yīng)的游隙區(qū)存儲(chǔ)。

分選機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分選機(jī)構(gòu)1-齒輪齒條機(jī)構(gòu)；2-存儲(chǔ)區(qū)；3-直線導(dǎo)軌

1.5 檢測(cè)系統(tǒng)

該裝置選用德國(guó)米銥型號(hào)為optoNCDT1401的超高精度激光傳感器(其重復(fù)精度為±0.3 μm，分辨率為±0.1 μm)，其徑向游隙測(cè)量原理，如圖6所示。

圖6 激光位移傳感器游隙測(cè)量原理1-激光位移傳感器；2-軸承外圈；3-軸承內(nèi)圈

圖6中，進(jìn)行游隙測(cè)量時(shí)，軸承內(nèi)圈已被夾緊機(jī)構(gòu)夾頭夾緊而位置固定；當(dāng)施力機(jī)構(gòu)上頂時(shí)，記錄下軸承外圈頂點(diǎn)至激光傳感器的位置S1；當(dāng)施力機(jī)構(gòu)收回時(shí)，記錄下軸承外圈頂點(diǎn)至激光傳感器的位置S2；該徑向軸承游隙S為S=S2-S1；然后轉(zhuǎn)動(dòng)硅膠轉(zhuǎn)輪，使軸承旋轉(zhuǎn)大約120°。

重復(fù)以上步驟，總共測(cè)量3次，最后以平均值作為該軸承的徑向游隙值。

2 測(cè)量不確定度測(cè)試與分析

2.1 測(cè)試條件

裝置的測(cè)量不確定度測(cè)試條件設(shè)定為：

(1)測(cè)試環(huán)境：溫度20.0 ℃，相對(duì)濕度52.2%RH；

(2)測(cè)試載體：6208標(biāo)準(zhǔn)軸承。

2.2 數(shù)據(jù)采集

在測(cè)試環(huán)境基本相同，且測(cè)試人員不變的情況下，筆者對(duì)同一徑向的6208型標(biāo)準(zhǔn)軸承徑向游隙進(jìn)行36次測(cè)量，所得測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)處理

該徑向游隙自動(dòng)測(cè)量裝置的擴(kuò)展不確定度u主要受到幾個(gè)因素的影響，現(xiàn)分述如下。

2.3.1 由示值變動(dòng)性引起的不確定度分量u1

u1主要包括儀器示值變動(dòng)性不確定度uL1和測(cè)量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uL2。

(1)uL1值計(jì)算

如表1所示，儀器示值變動(dòng)量R=Max-Min=18.5-13.5=5 μm，參照測(cè)厚表校準(zhǔn)規(guī)范JJF1255-2010，則uL1為：

(1)

式中：uL1—儀器示值變動(dòng)性；R—儀器示值變動(dòng)量；C—擴(kuò)展系數(shù)。

(2)uL2值計(jì)算

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，先計(jì)算測(cè)量列平均值：

(2)

再計(jì)算單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差：

(3)

則uL2為：

(4)

式中：uL2—平均值標(biāo)準(zhǔn)差；s(Li)—單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差；n—測(cè)量次數(shù)。

(3)u1值計(jì)算

(5)

2.3.2 激光位移傳感器精度引起的不確定分量u2

(6)

2.3.3 由儀器與軸承間溫差引入的不確定度分量u3

儀器與軸承間存在的溫度差以等概率落在±1 ℃范圍內(nèi)，則有：

(7)

2.3.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

(8)

2.3.5 評(píng)定擴(kuò)展不確定度U

當(dāng)置信概率為95.45%時(shí)，取kp=2，則有：

U=kp×uc=2×3.16=6.32 μm

(9)

式中：U—評(píng)定擴(kuò)展不確定度；kp—擴(kuò)展系數(shù)。

3 比對(duì)測(cè)量及分析

本文用分辨率為0.01 μm，最大允許誤差為(0.15+L/600) μm的Mahr測(cè)長(zhǎng)儀，與該裝置進(jìn)行比對(duì)測(cè)量。測(cè)量條件設(shè)定為：

(1)環(huán)境條件：溫度20.0 ℃，相對(duì)濕度 52.2%RH；(2)測(cè)量對(duì)象：6208標(biāo)準(zhǔn)軸承，為驗(yàn)證該裝置的測(cè)試精度，預(yù)先標(biāo)記好25個(gè)被測(cè)位置。

采用上述兩種測(cè)量?jī)x器測(cè)得的軸承徑向游隙結(jié)果如表2所示。

表2 兩種儀器測(cè)量比較值

根據(jù)表2計(jì)算可得：相對(duì)超高精度Mahr測(cè)長(zhǎng)儀，徑向游隙自動(dòng)測(cè)量裝置的最大偏差絕對(duì)值為:δ=|12.9-15.6|=2.7 μm。由此可見(jiàn)，該裝置可以滿足軸承徑向游隙的檢測(cè)精度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前軸承徑向游隙檢測(cè)過(guò)程中存在的問(wèn)題，本研究研制了一種新型的徑向游隙自動(dòng)測(cè)量裝置；通過(guò)測(cè)量不確定分析結(jié)果顯示，裝置的測(cè)量不確定為6.32 μm(置信概率為95.45%)，與超高精度Mahr測(cè)長(zhǎng)儀比較測(cè)量結(jié)果顯示，兩者的最大偏差絕對(duì)值2.7 μm，滿足測(cè)量的精度要求。

該裝置可實(shí)現(xiàn)軸承的自動(dòng)送料、自動(dòng)定位、自動(dòng)夾緊、自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)分選，實(shí)現(xiàn)線下軸承徑向游隙快速而準(zhǔn)確的檢測(cè)。