蔣聰，郝大慶，李鴻亮，陳后清，鄭艷偉

(1.中國航空工業(yè)集團公司 金城南京機電液壓工程研究中心，南京 211106；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

內(nèi)(外)徑尺寸是軸承零件的重要指標(biāo)，也是軸承零件生產(chǎn)加工過程中的必檢項。目前，使用較多的尺寸檢測設(shè)備有D92系列檢測儀和非接觸氣動測量儀。D92系列檢測儀由扭簧表和相應(yīng)的測量臺架構(gòu)成，有2個支承點和1個測量點[1]，測量簡便且效率高，但扭簧表存在一些固有缺陷[2]，且測力較大時導(dǎo)致的被測件變形也會引起測量誤差；非接觸氣動測量儀將尺寸的變化轉(zhuǎn)換為氣壓的變化，然后經(jīng)氣-電信號轉(zhuǎn)換器顯示最終的尺寸變化量[3]：上述檢測設(shè)備均需要檢測人員手動操作，即旋轉(zhuǎn)被測件到一定角度后測量一個值，根據(jù)測量要求確定手動操作次數(shù)，測量點數(shù)有限，長時間工作不僅會造成人員勞動量大，而且易產(chǎn)生測量誤差。

為解決上述問題，研制了一種由計算機控制并自動測量的軸承套圈內(nèi)徑尺寸多參數(shù)檢測設(shè)備，檢測人員只需手動更換被測件即可測量平均內(nèi)徑變動量Vdmp、單一平面內(nèi)徑變動量Vdsp、單一平面平均內(nèi)徑偏差Δdmp和單一內(nèi)徑偏差Δds等參數(shù)。

1 測量原理

測量前先用環(huán)規(guī)對傳感器進行尺寸校準(zhǔn)，測量過程中通過對比工件與環(huán)規(guī)的偏差獲得工件的內(nèi)徑尺寸。環(huán)規(guī)公稱尺寸與被測工件相同，校準(zhǔn)和測量時均用芯軸以套圈內(nèi)孔進行定位。如圖1所示，2個位移傳感器安裝于同一直線導(dǎo)軌上，測量時測頭均朝向外側(cè)接觸工件表面，工件表面尺寸的變化引起傳感器測值的變化， 2個傳感器測值的代數(shù)和代入軟件參與計算，與校準(zhǔn)時傳感器測值之和進行比較，從而得到某時刻測量點的實際尺寸，工件旋轉(zhuǎn)1周，檢測設(shè)備可以測得上千個測量值。

圖1 傳感器布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計要求，所研制軸承套圈內(nèi)徑尺寸多參數(shù)檢測設(shè)備需滿足以下主要指標(biāo)：能夠測量套圈內(nèi)徑尺寸多項參數(shù)(Vdmp，Vdsp，Δdmp，Δds)；可以一次測量多個截面尺寸；最小測量高度間距為0.1 mm；測量精度為0.001 mm；尺寸測量范圍為φ55～φ200 mm；最大測量高度為80 mm。

2.2 主要結(jié)構(gòu)

軸承套圈內(nèi)徑尺寸多參數(shù)檢測設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由測量系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)軸系和立柱系統(tǒng)構(gòu)成。

1—主軸；2—大理石臺；3—工作盤；4—被測工件；5—測量桿；6—直線導(dǎo)軌滑塊；7—直線導(dǎo)軌；8—直線模組電動機；9—直線模組；10—傳感器(2個)；11—芯軸；12—柔性聯(lián)軸器；13—主軸電動機。

測量系統(tǒng)整體安裝在立式直線模組上，通過移動滑塊改變傳感器位置，可測量不同尺寸的工件。測量時工件水平放置于工作盤表面，傳感器固定不動，工件隨工作盤同步旋轉(zhuǎn)。通過控制直線模組電動機運轉(zhuǎn)帶動測量系統(tǒng)進行上、下運動，每次測量時軟件控制直線模組運動到下限位，以此為測量起始位，當(dāng)測量多個截面尺寸參數(shù)時，直線模組按照要求的截面間距(測量前手動參數(shù)輸入)帶動傳感器向上移動，到達(dá)規(guī)定高度后自動開始測量，測量完要求的全部截面后通過軟件計算并將最終結(jié)果顯示到測量界面上。測量完成后需手動更換下一個被測工件。

測量系統(tǒng)由傳感器、測量桿、直線導(dǎo)軌等組成。測量工件尺寸時，移動直線導(dǎo)軌滑塊，帶動測量桿進行直線運動，從而調(diào)整固定于測量桿上的傳感器位置。測量工件不同高度截面尺寸時，整個測量機構(gòu)通過直線導(dǎo)軌固定于直線模組上，電動機控制直線模組帶動測量機構(gòu)上、下運動。傳感器采用Solartron Metrology DP/0.5/S型位移傳感器，其外形尺寸小，可以測量較小內(nèi)徑尺寸工件；傳感器測力較小，最大測力相比扭簧表減小了2/3，尤其在檢測薄壁系列軸承套圈時能夠減小工件的變形量，提高測量精度[4]。

主軸是整個檢測設(shè)備的測量工作基準(zhǔn)，由精度等級P4的一對角接觸球軸承作為旋轉(zhuǎn)支承，工作盤固定于主軸上部并隨主軸一起旋轉(zhuǎn)。主軸下部通過柔性聯(lián)軸器與電動機相連，柔性聯(lián)軸器不僅可以消除主軸與電動機旋轉(zhuǎn)不同心帶來的安裝誤差，還可以隔離電動機帶來的振動。經(jīng)過裝配調(diào)試，主軸旋轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.001 mm，軸向最大承載可達(dá)500 N。

立柱系統(tǒng)可以方便測量工件不同高度截面尺寸以及更換被測工件，該系統(tǒng)由直線模組(直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠)和直線模組電動機組成。直線模組電動機驅(qū)動與其相連的滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)運動，帶動直線導(dǎo)軌滑塊進行直線運動從而改變傳感器位置。直線導(dǎo)軌采用中度預(yù)緊，以便消除導(dǎo)軌間隙，從而提高直線導(dǎo)軌的運動精度。

3 電氣及軟件設(shè)計

3.1 電氣設(shè)計

電氣硬件由電感式位移傳感器及信號調(diào)理電路，主軸電動機和直線模組電動機及其控制電路，I/O接口，多功能數(shù)據(jù)采集卡，限位及接口電路，運動控制卡和計算機組成。電氣控制原理如圖3所示，計算機采用性能可靠、軟件支持豐富的工控機；主軸電動機選擇噪聲和振動小，效率高，穩(wěn)定性好的無刷電動機并配有減速機構(gòu)，可實現(xiàn)1～50 r/min的無級調(diào)速。

圖3 電氣控制原理

3.2 軟件設(shè)計

測量軟件基于Lab Windows/CVI虛擬儀器軟件開發(fā)平臺[5]開發(fā)，運行于Windows操作系統(tǒng)上，能夠?qū)崿F(xiàn)連接數(shù)據(jù)庫，測量數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析，串口通信，命令發(fā)送及數(shù)據(jù)接收等功能。軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、控制模塊等組成，軟件操作流程如圖4所示。

圖4 軟件操作流程

4 測量誤差的影響因素

在實際測量過程中，測量設(shè)備、方法、環(huán)境等因素都會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，使測量值與理論值存在一定的誤差，現(xiàn)對設(shè)備自身引起的測量誤差進行分析。

4.1 定位配合間隙對測量誤差的影響

定位配合間隙包含：1)芯軸安裝到工作盤中心孔時的間隙，設(shè)計間隙為0.02～0.03 mm；2)芯軸與軸承內(nèi)圈之間的配合間隙，設(shè)計間隙為0.02～0.03 mm。由于這2個配合間隙的存在，軸承內(nèi)圈與工作盤的旋轉(zhuǎn)中心并不在同一條中心線上。

如圖5所示，理論測量尺寸應(yīng)為內(nèi)圈直徑，即過圓心O點的A1，A2點之間的線段，由于配合間隙的存在，實測尺寸為過B1，B2點的某一弦長，當(dāng)2個配合間隙產(chǎn)生在一條直線上且垂直于2個傳感器測頭連線方向時測量誤差最大，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可得誤差值為

圖5 定位配合間隙測量誤差

(1)

式中：R為內(nèi)圈半徑；r為弦長B1B2的一半；s為定位誤差。

2個配合間隙均按0.03 mm計算可得最大定位誤差s=0.03 mm/2+0.03 mm/2=0.03 mm。由(1)式可知，誤差值δ1取決于R與r的差值，由圖5可知，定位誤差s一定時，R越小，圓周曲率半徑越大，R與r的差值越大，誤差值δ1越大。尺寸測量范圍為φ55～φ200 mm，R取55/2 mm代入(1)式計算，可得最大誤差為0.032 μm。

4.2 主軸旋轉(zhuǎn)精度對測量誤差的影響

用校準(zhǔn)好的傳感器測量主軸徑向旋轉(zhuǎn)精度，結(jié)果為0.8 μm，分2種情況分析主軸旋轉(zhuǎn)精度對設(shè)備測量誤差的影響：

1)主軸徑向擺差方向與傳感器測量方向一致。由于2個傳感器布置在一條直線上且測量方向相反，當(dāng)主軸的徑向旋轉(zhuǎn)誤差導(dǎo)致A傳感器的測值誤差為+a時，則B傳感器的測值誤差為-a，參與計算的是2個傳感器的測值之和，則主軸旋轉(zhuǎn)誤差引起的傳感器測量誤差為零。

2)主軸徑向擺差方向與傳感器測量方向垂直。此時傳感器測量誤差與圖5所示狀態(tài)相似，傳感器測量尺寸為某一弦長，其引起的誤差可通過(1)式計算，s取值同主軸徑向旋轉(zhuǎn)精度，即0.8 μm，則最大測量誤差為2.32×10-5μm。

綜上分析可知，主軸旋轉(zhuǎn)精度引起的測量誤差遠(yuǎn)小于設(shè)備要求的精度1 μm，可忽略不計。

4.3 工作盤軸向跳動對測量誤差的影響

如圖6所示，傳感器測頭理論位置應(yīng)為與工作盤平行的2點(A1，A2處)，受工作盤軸向跳動的影響，放置于工作盤上的套圈會產(chǎn)生一定的傾角，為便于計算極限誤差，假設(shè)其中一個傳感器測頭固定于位置A1處，另外一個傳感器測頭的實際測量點在位置A3處，則工作盤軸向跳動造成的測量誤差為

圖6 工作盤軸向跳動測量誤差

(2)

式中：L為實際測量尺寸；d為內(nèi)圈直徑；h為工作盤最大外徑位置處的軸向跳動量。

工作盤裝配完成后，測得其最大外徑位置的軸向跳動為0.1 mm。同δ1分析類似，軸向跳動h一定時，d越小，誤差值δ2越大。尺寸測量范圍為φ55～φ200 mm，故d取55 mm代入(2)式計算，可得最大誤差為0.09 μm。

4.4 傳感器測頭偏心對測量誤差的影響

在對傳感器進行裝配調(diào)試時，以標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)對傳感器位置進行校正，保持一個測頭固定并調(diào)整另外一個測頭，當(dāng)2個傳感器測值之和最大時認(rèn)為該測量值為內(nèi)徑的真值。然而，實際上的傳感器測頭會存在一定的偏心，與定位配合間隙造成的測量誤差一樣，傳感器測頭偏心導(dǎo)致其測量尺寸也為某一弦長。

傳感器顯示精度可達(dá)0.1 μm，造成的測量誤差遠(yuǎn)小于定位配合間隙測量誤差，為便于量化計算總測量誤差，假設(shè)傳感器偏心造成的測量誤差與定位配合間隙誤差相等，即0.032 μm。

4.5 小結(jié)

由上述測量誤差分析可知，檢測設(shè)備的測量總誤差不大于0.2 μm，遠(yuǎn)小于測量精度1 μm的技術(shù)指標(biāo)要求。

5 測量結(jié)果分析

以精度等級P4，內(nèi)徑公稱尺寸φ110 mm的軸承內(nèi)圈為例對設(shè)備測量精度進行驗證，并與具備檢測資質(zhì)的第三方機構(gòu)的鑒定結(jié)果進行對比，結(jié)果見表1。

表1 φ110 mm的軸承內(nèi)圈內(nèi)徑尺寸測量結(jié)果

由測量誤差影響因素和測量結(jié)果的對比分析可知：設(shè)備自身導(dǎo)致的測量誤差不大于0.2 μm，設(shè)備測量值與機構(gòu)鑒定結(jié)果的誤差不大于0.3 μm，所設(shè)計的軸承套圈內(nèi)徑尺寸多參數(shù)檢測設(shè)備滿足測量精度1 μm的設(shè)計要求。