周 坪,何貞志,李遠(yuǎn)博,周公博,王 惟,閆曉東

(1.中國(guó)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(dòng)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(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的出廠檢測(cè),是保障機(jī)械質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-4]。圓錐滾子軸承的外圈跳動(dòng)值作為反映其旋轉(zhuǎn)精度的一個(gè)重要參數(shù),包括軸向和徑向跳動(dòng)[5],與軸承的振動(dòng)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(dòng)、尺寸誤差等對(duì)旋轉(zhuǎn)精度的影響開(kāi)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(duì)圓柱滾子軸承旋轉(zhuǎn)精度的影響;Zeng等[7]通過(guò)建模和試驗(yàn)驗(yàn)證,定量分析了尺寸誤差對(duì)剛性軸軸承系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)精度的影響。對(duì)于旋轉(zhuǎn)精度的表征,相關(guān)參數(shù)的測(cè)量尤為重要,特別是軸承跳動(dòng)的測(cè)量。孟艷艷等[8]針對(duì)被測(cè)軸承套圈端面受壓不均衡的問(wèn)題,開(kāi)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(dòng)測(cè)量裝置;Yang等[9]開(kāi)發(fā)了一種可用于不同軸向載荷和速度的滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)精度測(cè)量?jī)x。

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(guò)程中相較于其他軸承更易產(chǎn)生幾何或裝配誤差,對(duì)其開(kāi)展跳動(dòng)測(cè)量工作尤為關(guān)鍵。雖然已有許多專家學(xué)者開(kāi)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(dòng)或半自動(dòng)測(cè)量?jī)x單一地對(duì)徑向或軸向跳動(dòng)進(jìn)行人工測(cè)量,效率低且易產(chǎn)生測(cè)量誤差;2)采用自動(dòng)測(cè)量裝置進(jìn)行檢測(cè),但現(xiàn)有測(cè)量裝置一般利用電機(jī)同軸帶動(dòng)負(fù)荷塊旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)軸承外圈旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)過(guò)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(duì)象,結(jié)合機(jī)械與電氣控制技術(shù),開(kāi)發(fā)了一種基于快慢電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)、可同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸承外圈軸向與徑向跳動(dòng)測(cè)量且無(wú)軸線偏差所致固有誤差的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)。

1 檢測(cè)原理

圓錐滾子軸承外圈跳動(dòng)檢測(cè)原理如圖1所示,待測(cè)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(duì)軸承施加載荷使其旋轉(zhuǎn),通過(guò)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(cè)軸承外圈的軸向和徑向跳動(dòng)值。

表2 測(cè)量結(jié)果分析

圖1 圓錐滾子軸承外圈跳動(dòng)檢測(cè)原理

為對(duì)軸承外圈跳動(dòng)進(jìn)行精確測(cè)量,避免噪聲干擾,徑向和軸向跳動(dòng)傳感器一般采用差動(dòng)電感式位移傳感器。采用差動(dòng)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(cè)量過(guò)程中,工件的運(yùn)動(dòng)通過(guò)測(cè)桿使銜鐵相對(duì)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(guò)配套電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)并進(jìn)一步處理成可用信號(hào)輸出[10]。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器工作時(shí),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(cè)位移,δ為初始位置時(shí)銜鐵與上下鐵芯的間距。

結(jié)合式(1)、(2)可得待測(cè)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(dòng)電感式位移傳感器的輸出電壓與被測(cè)位移近似呈線性關(guān)系,且?guī)缀醪皇茈娫吹仍肼暤母蓴_,測(cè)量精度更高,可用于軸承外圈跳動(dòng)的測(cè)量[11]。本文軸向和徑向傳感器分別選用三門(mén)峽中原量?jī)x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(jiàn)表1。

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

根據(jù)上述測(cè)量原理設(shè)計(jì)圓錐滾子軸承外圈跳動(dòng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。如圖3所示,測(cè)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(dòng)卡盤(pán)組件和傳感器測(cè)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(pán);6—傳感器測(cè)量系統(tǒng);7—主體平板;8—?dú)鈩?dòng)卡盤(pán)組件;9—待測(cè)軸承;10—負(fù)荷塊組件;11—負(fù)荷塊托盤(pán);12—慢速電機(jī);13—快速電機(jī)

如圖4所示,徑向及軸向測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,可動(dòng)支架一側(cè)通過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)軸承;4—徑向傳感器;5—徑向傳感器架;6—限位塊;7—可動(dòng)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(guò)托盤(pán)中心開(kāi)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(pán)固定在配重塊底部。定心盤(pán)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(dòng)。

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

氣動(dòng)卡盤(pán)組件結(jié)構(gòu)如圖6所示,卡盤(pán)主體頂部沿周向均勻布置3個(gè)氣爪,分別通過(guò)氣爪架上對(duì)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(pán)固定于該升降架上。

1—?dú)庾?2—?dú)庾?3—卡盤(pán)主體

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

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

圖7 測(cè)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(gè)電機(jī),使負(fù)荷塊組件和軸承旋轉(zhuǎn),同時(shí)配合電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)氣缸的控制以完成水平和豎直運(yùn)動(dòng),檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)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(cè)。

觸摸屏通過(guò)RS-232與PLC連接,從而實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的顯示與調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)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(cè)過(guò)程中,PLC傳輸采樣信號(hào)到工控機(jī),軸向與徑向傳感器分別與待測(cè)軸承外圈接觸,拾取軸承外圈的跳動(dòng)信號(hào)并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給工控機(jī),然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)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(cè)量系統(tǒng)軟件

3.2.1控制程序總體流程

測(cè)量系統(tǒng)軟件包括動(dòng)作控制和跳動(dòng)檢測(cè)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(cè)量過(guò)程如下:

1) 待測(cè)軸承放置于托盤(pán)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(wú)法移動(dòng)后負(fù)荷氣缸下降,帶動(dòng)負(fù)荷塊組件完成定心,使軸承進(jìn)入正確測(cè)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(dòng)電機(jī),軸承旋轉(zhuǎn)0.5 s后第二氣缸啟動(dòng),推動(dòng)可動(dòng)支架直至其與限位塊接觸,無(wú)法繼續(xù)移動(dòng),此時(shí)測(cè)量傳感器探頭剛好與軸承外圈端面及外表面的正確測(cè)量位置接觸。

3) 傳感器調(diào)整完畢后進(jìn)行采樣,采樣過(guò)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(dòng)負(fù)荷塊組件脫離軸承。同時(shí),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(pán)升至工作平臺(tái),取出待測(cè)軸承。

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

為實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化以提高檢測(cè)效率,通過(guò)電開(kāi)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(cuò)可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞,故在軸承定心盤(pán)下方增加保護(hù)頭。當(dāng)待測(cè)軸承未放置但系統(tǒng)仍運(yùn)行時(shí),保護(hù)頭將首先與卡盤(pán)組件接觸,限制負(fù)荷塊組件的繼續(xù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而阻止徑向傳感器的探頭與定心盤(pán)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(dòng)檢測(cè)過(guò)程中,采用LabVIEW開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集與處理程序,包括外圈跳動(dòng)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(dòng)結(jié)果(數(shù)據(jù)采集卡獲取的位移傳感器輸出信號(hào))和濾波長(zhǎng)度(一次平滑處理所取的數(shù)值個(gè)數(shù)),輸出為軸承外圈跳動(dòng)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(zhǎng)度;l為濾波長(zhǎng)度。

如式(5)～(7)所示,從i=0開(kāi)始,按順序從X中獲取一個(gè)l的數(shù)據(jù),求其均值,并作為新的檢測(cè)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(dòng)值輸出。對(duì)比式(5)和(7)可以看出,Y的長(zhǎng)度比X小一個(gè)l,如i=1 023,l=10,則Y中僅包含1 014個(gè)點(diǎn)。圖9中,波形圖2顯示經(jīng)平滑濾波后的Y;跳動(dòng)1為l=0時(shí)的結(jié)果,即未經(jīng)濾波的跳動(dòng)值,可用做平滑濾波處理的對(duì)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(hào)是-10～10 V電壓信號(hào),而對(duì)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(hào),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(kāi)發(fā)圓錐滾子軸承外圈跳動(dòng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī),對(duì)其開(kāi)展測(cè)試并完成結(jié)果分析,驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)自動(dòng)化測(cè)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(dòng)自動(dòng)測(cè)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(cè)軸承到達(dá)正確測(cè)量位置并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn),檢測(cè)系統(tǒng)完成對(duì)軸承外圈跳動(dòng)值的測(cè)量。

圖11 圓錐滾子軸承外圈跳動(dòng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī)

4.2 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的有效性,開(kāi)展重復(fù)性檢驗(yàn)。采用圖11所示的外圈跳動(dòng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī)對(duì)某公司生產(chǎn)的32013型圓錐滾子軸承重復(fù)測(cè)量7次,每次測(cè)量采集10 240個(gè)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(dòng)值及其測(cè)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(dòng)值及其測(cè)量均值

由圖12和圖13可得,軸向采樣數(shù)據(jù)波動(dòng)大,其跳動(dòng)值也較大,徑向采樣數(shù)據(jù)曲線較平緩,其跳動(dòng)值相較于軸向也小。此外,圖13所示外圈跳動(dòng)值及其測(cè)量均值曲線起伏較小,多次測(cè)量結(jié)果基本相同,間接說(shuō)明該圓錐滾子軸承外圈跳動(dòng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)具有良好的測(cè)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(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證[4],測(cè)量結(jié)果分析見(jiàn)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(dòng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)徑向跳動(dòng)單次測(cè)量誤差小于±1.8 μm,軸向跳動(dòng)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(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有圓錐滾子軸承外圈跳動(dòng)自動(dòng)化測(cè)量方法的不足,研究并開(kāi)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(dòng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),可同時(shí)獲得軸承徑向和軸向的外圈跳動(dòng)值。該測(cè)量系統(tǒng)采用多機(jī)構(gòu)交互動(dòng)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(dòng)卡盤(pán)組件和傳感器測(cè)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(dòng)的同步自動(dòng)化測(cè)量;開(kāi)發(fā)測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī)并對(duì)其開(kāi)展重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)圓錐滾子軸承外圈跳動(dòng)的測(cè)量具有良好的一致性及有效性,滿足測(cè)量要求,為實(shí)際應(yīng)用提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。