滚动轴承的圆度怎么检测？

StepPeng33

滚动轴承是一种具有高度互换性的标准部件，它具有摩擦力小、启动容易、润滑简单、便于更换等优点，是各种机械中传递运动和承受载荷的重要支承零件，在机械结构中几乎是不可缺少的部件。随着工业的发展，对轴承的性能、寿命和可靠性提出了更高的要求。滚动轴承的性能、寿命和可靠性，取决于其设计、制造和检测过程。而检测是提高轴承性能重要的一个环节。
- B* b0 k# a: u, x  K轴承内圈是与轴密切接触的部件，其不仅存在着尺寸误差，而且存在着圆度误差、粗糙度误差和波纹度误差等。本文采用位移传感器测量轴承内环的圆度，光电编码器控制系统等角度采样，控制与数据处理单元采用8位W78E52单片机。通过串口将数据传到上位机，便于集中分析数据。外接LED，可以显示数据处理的结果，读数方便，从而实现了滚动轴承圆度检测的智能化、数字化。
3 b9 I- {0 I+ ^$ x8 [" o
; L7 [! ^& z" X, y- u) _3 _1 系统的总体设计
* Z! Q7 X/ Y8 F　　
( v7 a! b# Q1 ~3 W) b该系统主要由三个部分组成:检测部分、信号采集与处理部分、输入输出部分，整体构架见图1。检测部分包括传感器、光电编码器、放大、滤波. 信号采集与处理部分负责AD转换、系统的控制和采样数据的存储. 输入输出部分由LED和键盘构成（如图1）。

图1系统整体框图
　　
轴承内环固定在一个浮动测头、两个固定测头上。位移传感器通过机械装置与浮动测头相连。光电编码器控制传感器等角度采样，传感器的信号经过放大、滤波进入A DC。单片机对ADC出来的信号进入处理与存贮。轴承内环旋转一周，数据采集完毕。最后单片机找出3数据中的最大与最小值，并计算出差值，通过LED显示出来。工件回转一周的最大读数差值F和圆度误差f的关系为
　　

8 {/ z8 x0 V8 Y0 M, c　　
式中 K——反映系数，由GBT 4380-1984查得[1]，即差值除以反映系数为圆度误差。
+ \& [! K# @. q: a2 h8 w2 检测部分
5 t8 a9 d9 k' @  l$ m/ j　　
8 F4 ~+ S$ `* d* l1 O2.1传感器的选用
　　
. J  E% @8 w& G* g- p# }" O根据圆度仪标准JB/T 10028 1999，仪器误差A级中，测量系统线性误差不大于满量程的2%，测量系统灵敏阀不大于0.02μm[2]。
　　
2 [- l- Y; I8 Z% i0 U本系统采用接触式的测量方法，因此选用稳定性好、结构简单可靠、抗干扰性强等优点的差动变压器式电感传感器作为位移传感器。
7 s8 O- q  ~. l　　
本系统选用的中原量仪E-DT-80SB型传感器具有测量精度高,灵敏度高, 装夹定位容易等优点，满足圆度仪标准JB/T 10028 1999。虽然其动态响应频率不高,但也已经能完全满足圆度测量时的速度响应要求（采样点） 。性能如下：
7 v" B9 D* O( d* w　　
总行程（mm）： 3

测量范围（mm）： ±0.5

1 Q2 g; F* j) G线性误差： ±0.5%

  a( T( Q5 r9 c4 }重复性误差（μm） ：0.2
9 s# D9 n3 P  P9 ~! E& H　　
2.2差动变压器式位移传感器测量电路
　　
. ^: a# ?1 r# S- i, j4 s0 b差动变压器式传感器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁拉移的大小，而不能反映移动方向，同时其测量值中将包含零点残余电压。故在实际测量时，通常采用相敏检波电路和差动整流电路。相敏检波电路，需要用初级激励电压作为相位参考来决定输出电压的极性，这就需要有恒定幅值和频率的激励信号源，需要补偿差动变压器初级和次级的相位偏移及温度、频率波动造成的误差。而差动整流电路不必考虑相位问题，电路也相对比较简单。本文选用差动整流电路对差动变压器的输出信号进行后期处理（如图2.1[3]）。
% R8 D' X$ F) X) T2 ~

图2.1全波差动整流电路图

2.3信号放大
  i, j" ?0 v0 d5 X$ H! U( w) @. N　　
! _1 o$ D+ V' D4 U$ J! b传感器出来的信号一般比较弱，通常只有几毫伏到几十毫伏。本传感器输出信号范围是0.028mv～100mv，而A/D转换器要求满量程输入是±5v。故需放大以提高分辨率和降低噪音，也使调理后信号最大值和A/D最大输入值相等，以提高转换精度。就本题目而言，只有一个通道信号输入，为不致使放大最大信号超出ADC满量程，其放大倍数

　　
即信号放大电路采用增益K=50。
　　
2.4滤波电路
　　
在圆度测量中，由于各种噪声信号的影响，使得测量数据不可信，因此必须对原始的测量数据进行滤波，滤去不必要的高频信号，取得某特定频段的信号。在本系统中所用的是二阶RC有源低通滤波（如图2.2）。
# {: [& g6 L+ T3 `$ i  I' s$ C　　
2.5计数电路
3 x% @$ C0 H# e5 ?9 `6 D2 M　　
计数方法可以用软件实现，也可以用硬件实现。用纯软件计数虽然电路简单，但是计数速度慢，容易出错。用外接计数芯片的方法，虽然速度快，但硬件电路复杂，成本较高。综合这两种方法，本文采用软硬结合的方式，即单片机内部的计数器来实现计数。
: y, v/ q9 ~9 u$ \　　
手动旋转轴承内环,速度不会过快也不会过慢,对于光电编码器的分辨率, 最高响应频率及允许最高转速要求不高; 光电编码器并不承受很大的外力,所以对其的力学性能要求也不高,考虑到工作环境,本文选择光洋旋转编码器TRD-2E A完成系统设计。其性能规格如下：
1 G) P# P0 q3 x0 h( r" [  ]　　
项目: TRD-2E A

4 Q( t( `1 w8 N1 O! r分辨率:1024脉冲/转
5 ?- W, _5 p) R$ s  p* u
输出信号形式:A·B两相
! _, A/ R. O$ I0 j
; n% {$ ~7 F1 j4 K& `最高响应频率:200kHz

容许最高转速:5000rpm

起动扭矩 ≤0.001N·m
( k- c7 ^8 N0 g* i+ i2 ~7 i) A& M

6 n, u; {" d2 I$ U图2.2二阶压控电压源低通滤波器电路

! ~5 a5 ^) R' b& ?) i3 n表1 不确定为高或低电平
' Q  ]( k$ Q8 C9 ~% f
" ?' D, R8 u9 B" H将光电编码器的计数脉冲A端接D触发器的D端和单片机的外部中断INT1端，光电编码器的B端接D触发器的CLK端,经过D触发器之后的脉冲即方向控制脉冲（DIR）接到单片机的外部中断INT1端（如2.3图[4]）。打开相应的中断，并置T1的门控位GATE为1,这时，除需要将TR1置1外，还要使INT1引脚为高电平，才能启动计数器。由表1可知，仅当DIR是高电平，并且A为正或负跳变时，轴承内环正转。所以当满足内环正转条件后，传感器读数，并进行加计数。轴承内环转动一周，进入中断程序，将采集的数据送入PC，并计算出差值，从而得出圆度。
3 M" d! g4 r$ H; \8 m7 _/ T

9 S1 H& _  {+ X' X; W9 o- B: z图2.3计数电路接线图
　　
此电路在轴承内环反转和不转时，不采集数据。从而保证了数据的准确性，排除了操作员的抖动引起内环反转带来的不准确性。
4 B# X- a* i9 p8 |! q- I( i, E3. A/D转换器的选择
, V4 S0 t# V+ q6 D- l　　
对于A/D转换器的选择来说，转换率和分辨率是两个重要参数。其设计如下[5]：
& H4 L0 V: c8 N　　
3.1.转换率的选择
& {( E% v" S" j  q! h, u9 s/ R　　
. P4 R8 A/ e) p. h& m# ]/ g# ?系统中，光电编码器控制着ADC的采样，光电编码器旋转一周，ADC采样1024次，手动旋转光电编码器旋转一周用时最少0.8秒，即光电编码器采样率最大为1.25,因此ADC的转换率要大于光电编码器采样率1.25。
& ~3 k) t3 j4 q! n. w. J　　
3.2分辨率的选择
　　
3 k, }" i/ d, Y. L2 H6 e传感器测量范围±0.5mm，测量精度1μm。通过实际测量，传感器最大输出信号为1.25V，即为传感器最大测量位移±0.5mm，则当测头径向移动1μm，传感器输出信号电压为u， 即u为传感器最小输出信号。根据分辨率公式4.1
% m1 x9 _2 j0 R. ?/ {+ g　　

8 y, F; v% K% |; b' N" Q5 s3 M  z本系统ADC分辨率实际选择n=10。n取大值，A/D转换精度提高，但价格昂贵，不够经济。实际中，传感器输出信号太弱小，需经放大电路放大，放大的信号送入A/D就可降低A/D的分辨率，故选择n=10位。
　　
1 k+ j# f: n. Q) M综上所有计算结果结合实际工作情况，联系经济条件决定采用MOTOROLA 公司生产的一种基于CMOS 制造工艺的双积分型A/D转换器MC14433。其工作性能如下：
$ q* v  n; c0 E! }7 S4 V" a　　
& X- m) T; c; _9 X5 Z" c& c3（1/2）位双积分型ADC
: u# I% B! ~  u3 k3 L
工作电压范围为：双电源4.5-8V,

A/D转换精度为0.05%（11位二进制数），
$ i, q2 H* X2 \6 i# T4 q' s! ?
对应于50-150kHz时钟频率，转换率为4-10T/s（大于光电编码器转换率）。

4.结论
　　
" m9 R' w% y% Y0 h) G本文介绍的滚动轴承圆度仪可以对轴承的圆度进行准确的测量，具有电路简单，稳定可靠的优点。采用光电编码器等角度采样，防止抖动（反转）导致的误差，提高了测量精度。采用LED显示，避免了传统轴承内环圆度测量仪读数吃力, 劳动强度大等的问题。采样数据通过串口发送到PC，便于集中分析轴承数据，弥补了传统的检测仪不具有数据处理的不足。该圆度仪结构简单可靠、测量精度高、稳定性好、经济性好，具有较好的应用前景。
1 g2 B# W2 ]" w# H1 m9 W3. A/D转换器的选择
　　
对于A/D转换器的选择来说，转换率和分辨率是两个重要参数。其设计如下[5]：
　　
& p* b/ n6 H; P3.1.转换率的选择
& O, a0 h' |' D% l  F+ B( `　　
+ C1 j/ \; E; s) \1 k9 Z8 [' [系统中，光电编码器控制着ADC的采样，光电编码器旋转一周，ADC采样1024次，手动旋转光电编码器旋转一周用时最少0.8秒，即光电编码器采样率最大为1.25,因此ADC的转换率要大于光电编码器采样率1.25。
　　
8 G# u: p; W' i$ O3 N  ~3.2分辨率的选择
　　
传感器测量范围±0.5mm，测量精度1μm。通过实际测量，传感器最大输出信号为1.25V，即为传感器最大测量位移±0.5mm，则当测头径向移动1μm，传感器输出信号电压为u， 即u为传感器最小输出信号。根据分辨率公式4.1
5 W, c% v% H$ O, u! _, Z3 ?　　

本系统ADC分辨率实际选择n=10。n取大值，A/D转换精度提高，但价格昂贵，不够经济。实际中，传感器输出信号太弱小，需经放大电路放大，放大的信号送入A/D就可降低A/D的分辨率，故选择n=10位。
　　
1 v( T, o' q# C) y) k综上所有计算结果结合实际工作情况，联系经济条件决定采用MOTOROLA 公司生产的一种基于CMOS 制造工艺的双积分型A/D转换器MC14433。其工作性能如下：
; k6 A& ^& l# p/ Q7 @7 i$ N　　
8 @3 L. W; k5 C% f9 G) {& m" m! [3（1/2）位双积分型ADC
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工作电压范围为：双电源4.5-8V,
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, j- a. |6 h8 V7 g6 P' WA/D转换精度为0.05%（11位二进制数），

/ G, D* e% t8 y  I% a8 `: z对应于50-150kHz时钟频率，转换率为4-10T/s（大于光电编码器转换率）。
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4 t9 l% a; g3 h: H- i" p- ~" `. J4.结论
. n; G+ p) \  [' I  n- J( d( Z　　
$ B* x: `* B% b% Z1 C本文介绍的滚动轴承圆度仪可以对轴承的圆度进行准确的测量，具有电路简单，稳定可靠的优点。采用光电编码器等角度采样，防止抖动（反转）导致的误差，提高了测量精度。采用LED显示，避免了传统轴承内环圆度测量仪读数吃力, 劳动强度大等的问题。采样数据通过串口发送到PC，便于集中分析轴承数据，弥补了传统的检测仪不具有数据处理的不足。该圆度仪结构简单可靠、测量精度高、稳定性好、经济性好，具有较好的应用前景。

Racheler

位移传感器通过机械装置与浮动测头相连

Monika

轴承内圈是与轴密切接触的部件，其不仅存在着尺寸误差，而且存在着圆度误差、粗糙度误差和波纹度误差