圓錐滾子軸承外圈跳動自動測量系統(tǒng)研究

周 坪,何貞志,李遠(yuǎn)博,周公博,王 惟,閆曉東

(1.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)(2.江蘇省礦山機(jī)電裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)(3.江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

滾動軸承是承載軸的零件,被稱為“機(jī)械的關(guān)節(jié)”[1]。而圓錐滾子軸承作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的關(guān)鍵部件,其質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的運(yùn)行健康和使用壽命[2]。對其進(jìn)行嚴(yán)格的出廠檢測,是保障機(jī)械質(zhì)量的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-4]。圓錐滾子軸承的外圈跳動值作為反映其旋轉(zhuǎn)精度的一個重要參數(shù),包括軸向和徑向跳動[5],與軸承的振動和預(yù)緊量等基本性能密切相關(guān),也是軸承選用、安裝與調(diào)整的重要依據(jù)之一。

目前有關(guān)學(xué)者就軸承跳動、尺寸誤差等對旋轉(zhuǎn)精度的影響開展了相關(guān)建模及仿真研究,以明確其影響機(jī)理。余永健等[6]采用數(shù)值模擬的方法研究了滾子幾何誤差對圓柱滾子軸承旋轉(zhuǎn)精度的影響;Zeng等[7]通過建模和試驗(yàn)驗(yàn)證,定量分析了尺寸誤差對剛性軸軸承系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)精度的影響。對于旋轉(zhuǎn)精度的表征,相關(guān)參數(shù)的測量尤為重要,特別是軸承跳動的測量。孟艷艷等[8]針對被測軸承套圈端面受壓不均衡的問題,開發(fā)了一種適用于直徑為80～400 mm的大型軸承的壓力可調(diào)式軸向跳動測量裝置;Yang等[9]開發(fā)了一種可用于不同軸向載荷和速度的滾動軸承動態(tài)精度測量儀。

綜上分析,圓錐滾子軸承由于其特有的滾子形態(tài),在加工、裝配等過程中相較于其他軸承更易產(chǎn)生幾何或裝配誤差,對其開展跳動測量工作尤為關(guān)鍵。雖然已有許多專家學(xué)者開展相關(guān)研究,但目前仍存在以下不足:1)現(xiàn)有技術(shù)主要依靠相關(guān)手動或半自動測量儀單一地對徑向或軸向跳動進(jìn)行人工測量,效率低且易產(chǎn)生測量誤差;2)采用自動測量裝置進(jìn)行檢測,但現(xiàn)有測量裝置一般利用電機(jī)同軸帶動負(fù)荷塊旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動軸承外圈旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)過程中二者難以保證嚴(yán)格同軸,進(jìn)而存在固有誤差。

因此,本文面向工業(yè)應(yīng)用實(shí)際,以圓錐滾子軸承為對象,結(jié)合機(jī)械與電氣控制技術(shù),開發(fā)了一種基于快慢電機(jī)混合驅(qū)動、可同時實(shí)現(xiàn)軸承外圈軸向與徑向跳動測量且無軸線偏差所致固有誤差的自動化測量系統(tǒng)。

1 檢測原理

圓錐滾子軸承外圈跳動檢測原理如圖1所示,待測軸承內(nèi)圈固定在基座上,采用傳感器架固定軸向傳感器(指示儀表2)和徑向傳感器(指示儀表1),傳感器探頭分別與外圈軸向端面和外表面接觸。然后對軸承施加載荷使其旋轉(zhuǎn),通過軸向和徑向傳感器采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的極差即為待測軸承外圈的軸向和徑向跳動值。

表2 測量結(jié)果分析

圖1 圓錐滾子軸承外圈跳動檢測原理

為對軸承外圈跳動進(jìn)行精確測量,避免噪聲干擾,徑向和軸向跳動傳感器一般采用差動電感式位移傳感器。采用差動構(gòu)型的電感式位移傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示,測量過程中,工件的運(yùn)動通過測桿使銜鐵相對中間位置產(chǎn)生位移,進(jìn)而引起線圈電感量變化,然后通過配套電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柌⑦M(jìn)一步處理成可用信號輸出[10]。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器工作時,以銜鐵上移為例,上下線圈的電感量為:

(1)

(2)

式中:L0為初始電感量,L1為上線圈電感量,L2為下線圈電感量,Δδ為待測位移,δ為初始位置時銜鐵與上下鐵芯的間距。

結(jié)合式(1)、(2)可得待測電感值L:

(3)

由于高次項(xiàng)約等于0,故傳感器靈敏度K為:

(4)

根據(jù)上述分析發(fā)現(xiàn),差動電感式位移傳感器的輸出電壓與被測位移近似呈線性關(guān)系,且?guī)缀醪皇茈娫吹仍肼暤母蓴_,測量精度更高,可用于軸承外圈跳動的測量[11]。本文軸向和徑向傳感器分別選用三門峽中原量儀股份有限公司生產(chǎn)的DGC-6PG/A和DGC-8ZG/C型電感傳感器,其主要性能指標(biāo)見表1。

2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述測量原理設(shè)計(jì)圓錐滾子軸承外圈跳動自動測量系統(tǒng)。如圖3所示,測量系統(tǒng)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由平移升降裝置、定心負(fù)荷裝置、氣動卡盤組件和傳感器測量裝置等部分組成。

1—升降架;2—主體支架;3—負(fù)荷直線導(dǎo)軌;4—第一氣缸;5—軸承托盤;6—傳感器測量系統(tǒng);7—主體平板;8—?dú)鈩涌ūP組件;9—待測軸承;10—負(fù)荷塊組件;11—負(fù)荷塊托盤;12—慢速電機(jī);13—快速電機(jī)

如圖4所示,徑向及軸向測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,可動支架一側(cè)通過滑塊與徑向直線導(dǎo)軌及第二氣缸相連,另一側(cè)與固定有徑向傳感器的傳感器架相連組成徑向測量系統(tǒng);軸向傳感器架一端固定在系統(tǒng)平板上,另一端與軸線傳感器鉸接組成軸向測量系統(tǒng);限位塊固定在主體支架上,確保各部分準(zhǔn)確到達(dá)工作位置。

1—軸向傳感器架;2—軸向傳感器;3—待測軸承;4—徑向傳感器;5—徑向傳感器架;6—限位塊;7—可動支架;8—第二氣缸;9—徑向直線導(dǎo)軌

負(fù)荷塊組件結(jié)構(gòu)如圖5所示,定位柱穿過托盤中心開設(shè)的錐孔,柱頂與快速電機(jī)下端相連,柱底設(shè)有配重塊,定心盤固定在配重塊底部。定心盤底部也設(shè)有錐面,快速電機(jī)與慢速電機(jī)協(xié)同控制以實(shí)現(xiàn)組件轉(zhuǎn)動。

1—快速電機(jī);2—慢速電機(jī);3—軸承外圈;4—滾動體;5—軸承內(nèi)圈;6—保護(hù)頭;7—定心盤;8—配重塊;9—定位柱

氣動卡盤組件結(jié)構(gòu)如圖6所示,卡盤主體頂部沿周向均勻布置3個氣爪,分別通過氣爪架上對應(yīng)設(shè)置的條狀槽固定,主體底部固定在主體平板上且中心設(shè)有升降架,軸承托盤固定于該升降架上。

1—?dú)庾?2—?dú)庾?3—卡盤主體

綜上所述,與現(xiàn)有檢測裝置相比,本測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):通過徑向及軸向測量系統(tǒng)采樣并處理數(shù)據(jù),可同時獲得軸承外圈的徑向和軸向跳動值,效率更高;軸承直接與負(fù)荷塊組件相連,重心降低。同時,由負(fù)荷塊組件帶動軸承轉(zhuǎn)動,可以保證軸承旋轉(zhuǎn)軸線與負(fù)荷塊組件轉(zhuǎn)動軸線完全同軸,避免產(chǎn)生固有誤差。實(shí)際測量過程中,負(fù)荷塊組件可根據(jù)實(shí)際工況更換,在定心過程中進(jìn)一步降低由負(fù)荷傾斜和偏心引起的誤差,使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,本節(jié)對測量系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 測量系統(tǒng)硬件

如圖7所示,圓錐滾子軸承外圈跳動測量系統(tǒng)的硬件由控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)組成。

圖7 測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

其中,控制系統(tǒng)借助接口電路令可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)可以控制快慢兩個電機(jī),使負(fù)荷塊組件和軸承旋轉(zhuǎn),同時配合電磁閥實(shí)現(xiàn)對兩個氣缸的控制以完成水平和豎直運(yùn)動,檢測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡匯總徑向與軸向傳感器的采樣數(shù)據(jù),進(jìn)而輸送至工控機(jī)中進(jìn)行分析處理,完成檢測。

觸摸屏通過RS-232與PLC連接,從而實(shí)現(xiàn)控制過程的顯示與調(diào)試。控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)通過接口電路和數(shù)據(jù)采集卡連接,進(jìn)而完成PLC與工控機(jī)的數(shù)據(jù)交互。檢測過程中,PLC傳輸采樣信號到工控機(jī),軸向與徑向傳感器分別與待測軸承外圈接觸,拾取軸承外圈的跳動信號并通過數(shù)據(jù)采集卡將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給工控機(jī),然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲和顯示等,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軸承旋轉(zhuǎn)精度的準(zhǔn)確判斷。

3.2 測量系統(tǒng)軟件

3.2.1控制程序總體流程

測量系統(tǒng)軟件包括動作控制和跳動檢測兩部分,整體控制流程如圖8所示。

圖8 控制程序流程圖

該系統(tǒng)的具體測量過程如下:

1) 待測軸承放置于托盤后下降至預(yù)定位置,氣爪擴(kuò)張,卡住軸承內(nèi)圈,待軸承無法移動后負(fù)荷氣缸下降,帶動負(fù)荷塊組件完成定心,使軸承進(jìn)入正確測量位置。為避免定心失誤產(chǎn)生誤差,實(shí)際操作中可反復(fù)升降負(fù)荷塊組件,使軸承實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定心。

2) 定心后啟動電機(jī),軸承旋轉(zhuǎn)0.5 s后第二氣缸啟動,推動可動支架直至其與限位塊接觸,無法繼續(xù)移動,此時測量傳感器探頭剛好與軸承外圈端面及外表面的正確測量位置接觸。

3) 傳感器調(diào)整完畢后進(jìn)行采樣,采樣過程中負(fù)荷塊組件至少旋轉(zhuǎn)兩圈。采樣完成后電機(jī)關(guān)閉,負(fù)荷氣缸上升,帶動負(fù)荷塊組件脫離軸承。同時,第二氣缸后撤,0.3 s后氣爪收縮,脫離軸承內(nèi)圈,軸承托盤升至工作平臺,取出待測軸承。

4) 分別對采樣得到的徑向和軸向信號進(jìn)行處理,求其極差,進(jìn)而得到軸承外圈跳動值。

為實(shí)現(xiàn)上述檢測過程的自動化以提高檢測效率,通過電開關(guān)分別將電機(jī)、氣缸和傳感器與控制器相連。但控制器出錯可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞,故在軸承定心盤下方增加保護(hù)頭。當(dāng)待測軸承未放置但系統(tǒng)仍運(yùn)行時,保護(hù)頭將首先與卡盤組件接觸,限制負(fù)荷塊組件的繼續(xù)運(yùn)動,進(jìn)而阻止徑向傳感器的探頭與定心盤碰撞,實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

3.2.2數(shù)據(jù)采集處理程序

在跳動檢測過程中,采用LabVIEW開發(fā)數(shù)據(jù)采集與處理程序,包括外圈跳動采集與平滑濾波處理程序、結(jié)果顯示程序等。

本系統(tǒng)采用的均值濾波是典型的平滑濾波方法,平滑濾波處理程序如圖9所示。輸入為采集的跳動結(jié)果(數(shù)據(jù)采集卡獲取的位移傳感器輸出信號)和濾波長度(一次平滑處理所取的數(shù)值個數(shù)),輸出為軸承外圈跳動值。

圖9 平滑濾波處理程序

均值濾波原理如下:

X={x0,x1,x2,…,xm}

(5)

(6)

Y={y0,y1,y2,…,ym-l+1}

(7)

式中:X為原始的一維數(shù)組;Y為濾波處理后的一維數(shù)組;xk、yi為一維數(shù)組X和Y中的數(shù),下標(biāo)表示數(shù)據(jù)在數(shù)組中的位置;(m+1)為一維數(shù)組X的長度;l為濾波長度。

如式(5)～(7)所示,從i=0開始,按順序從X中獲取一個l的數(shù)據(jù),求其均值,并作為新的檢測結(jié)果存入Y中i=0的位置。最后,計(jì)算Y中最大值和最小值之差,作為最終的跳動值輸出。對比式(5)和(7)可以看出,Y的長度比X小一個l,如i=1 023,l=10,則Y中僅包含1 014個點(diǎn)。圖9中,波形圖2顯示經(jīng)平滑濾波后的Y;跳動1為l=0時的結(jié)果,即未經(jīng)濾波的跳動值,可用做平滑濾波處理的對照組。

結(jié)果顯示程序如圖10所示。由于采集卡采集到的傳感器信號是-10～10 V電壓信號,而對應(yīng)的傳感器(DGC-8ZG/C)滿量程是±0.6 mm,故二者之間需要借助式(8)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此外,還應(yīng)再加上修正值,以消除系統(tǒng)誤差。

圖10 結(jié)果顯示程序

(8)

式中:A為電壓信號,V;x為位移量,μm。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本節(jié)在機(jī)械結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,開發(fā)圓錐滾子軸承外圈跳動自動測量系統(tǒng)樣機(jī),對其開展測試并完成結(jié)果分析,驗(yàn)證所開發(fā)自動化測量系統(tǒng)的有效性。

4.1 樣機(jī)系統(tǒng)

圓錐滾子軸承外圈跳動自動測量系統(tǒng)樣機(jī)如圖11所示。在快速電機(jī)和慢速電機(jī)的協(xié)同作用下,負(fù)荷塊組件使待測軸承到達(dá)正確測量位置并帶動其旋轉(zhuǎn),檢測系統(tǒng)完成對軸承外圈跳動值的測量。

圖11 圓錐滾子軸承外圈跳動自動測量系統(tǒng)樣機(jī)

4.2 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證所開發(fā)系統(tǒng)的有效性,開展重復(fù)性檢驗(yàn)。采用圖11所示的外圈跳動自動測量系統(tǒng)樣機(jī)對某公司生產(chǎn)的32013型圓錐滾子軸承重復(fù)測量7次,每次測量采集10 240個數(shù)據(jù),其采樣數(shù)據(jù)Y軸堆積圖如圖12所示,軸承外圈跳動值及其測量均值如圖13所示。

圖12 采樣數(shù)據(jù)Y軸堆積圖

圖13 外圈跳動值及其測量均值

由圖12和圖13可得,軸向采樣數(shù)據(jù)波動大,其跳動值也較大,徑向采樣數(shù)據(jù)曲線較平緩,其跳動值相較于軸向也小。此外,圖13所示外圈跳動值及其測量均值曲線起伏較小,多次測量結(jié)果基本相同,間接說明該圓錐滾子軸承外圈跳動自動測量系統(tǒng)具有良好的測量一致性和可靠性。

根據(jù)圖13所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),借助式(9)～(11),在顯著度α=0.05下對系統(tǒng)的測量精度進(jìn)行驗(yàn)證[4],測量結(jié)果分析見表2。

(9)

(10)

δlim=±tασ=±2.447σ

(11)

由表2可知,所設(shè)計(jì)的軸承外圈跳動自動測量系統(tǒng)徑向跳動單次測量誤差小于±1.8 μm,軸向跳動誤差小于±16 μm,證明其具有良好的一致性,滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有圓錐滾子軸承外圈跳動自動化測量方法的不足,研究并開發(fā)了一種效率更高、精度更優(yōu)的圓錐滾子軸承外圈跳動自動測量系統(tǒng),可同時獲得軸承徑向和軸向的外圈跳動值。該測量系統(tǒng)采用多機(jī)構(gòu)交互動作的機(jī)械結(jié)構(gòu),包括平移升降裝置、定心負(fù)荷裝置、氣動卡盤組件和傳感器測量裝置等部分;電氣控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件模塊采用PLC、工控機(jī)和LabVIEW協(xié)同控制,實(shí)現(xiàn)了外圈軸向與徑向跳動的同步自動化測量;開發(fā)測量系統(tǒng)樣機(jī)并對其開展重復(fù)性測量實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該系統(tǒng)對圓錐滾子軸承外圈跳動的測量具有良好的一致性及有效性,滿足測量要求,為實(shí)際應(yīng)用提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。