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。
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。
8 K+ ^5 B4 O, A" Y% h
0 P: Y" h( O! @( W# @3 V1 系统的总体设计
　　
) s, ?$ ]! o& v( e3 ~3 E1 w+ P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）。
( o( R/ n. Z, ~

图1系统整体框图
　　
/ H. G$ H5 e! f$ L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
　　

2 i; h( P! E( o  [5 T/ ?& N　　
& v9 k: W6 w1 I# k4 w/ R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。
2 检测部分
　　
2.1传感器的选用
　　
4 L4 y& J4 z2 }, A. D7 {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]。
1 g5 X+ z3 w7 f4 T　　
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。
　　
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：
　　
4 \9 G& V2 l' ~9 _! X' l" W( u; l总行程（mm）： 3
9 F4 e, }1 X8 T
测量范围（mm）： ±0.5

线性误差： ±0.5%
. P9 H& f- w8 \# t* e) p$ Z
重复性误差（μm） ：0.2
* g0 `5 M  H$ A　　
2.2差动变压器式位移传感器测量电路
　　
( ]% }$ o" _/ B6 W) Z$ f& @! f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]）。
7 R( s9 W/ C1 C( u; U" L% b6 `& b% m

图2.1全波差动整流电路图

2.3信号放大
　　
4 `" ~4 B3 R2 [0 E4 m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
. r* O+ S+ E6 E% N5 b- B

: T" O* L0 O! z9 H& S. U　　
  A. a6 M- v# P! d6 Y即信号放大电路采用增益K=50。
7 N$ M2 d  k8 @7 J　　
2.4滤波电路
　　
5 [( O: w4 n+ ~  X- T) Y+ a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）。
　　
2.5计数电路
8 P( c8 ^( k  j. k3 `　　
. C* |' E6 M9 m  k& j. G9 \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。
, ?& h" m) W  M6 n" H( t　　
/ j! j, C( \! ~( |& F- [7 ?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：
4 k" L; Z$ K2 F5 N0 V6 K7 D　　
, J, @1 Z7 Y7 P4 p8 c, b8 n7 s项目: TRD-2E A
. D' ?& |* [( v  @5 y3 m
) \6 d" N2 z0 c; v! A分辨率:1024脉冲/转

$ C5 \+ }9 r  F8 x0 w1 F' U; l输出信号形式:A·B两相
  c; ], I' _% Y8 h( Z' w
1 E4 J# M; w. R: J/ p. |# X) }$ f; M最高响应频率:200kHz
) `/ J- N; j" V1 ~$ R* g
. u$ j" A4 t4 m容许最高转速:5000rpm

起动扭矩 ≤0.001N·m
3 h. G; d" d* x1 I. `) F+ p

图2.2二阶压控电压源低通滤波器电路

+ f: Z5 ?4 q, _5 P

表1 不确定为高或低电平
$ |; @2 ^1 j; O
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。
/ ^8 O0 i- c+ W' h( U+ y

7 M* A& N* G4 N5 T# }
图2.3计数电路接线图
　　
1 C* L$ F, k+ b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。
3. A/D转换器的选择
4 O2 a, B6 N0 S8 u- R3 X$ N　　
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]：
) j, Y. k8 B8 B' h. t) P　　
3.1.转换率的选择
　　
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。
　　
3.2分辨率的选择
" K- F' H. \4 M+ @　　
; W  F3 U) k+ z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
　　

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。
" w: a9 }& x  b* V+ ?# w　　
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：
　　
3（1/2）位双积分型ADC
' e" ?( X: z8 C" {
工作电压范围为：双电源4.5-8V,

/ |, v5 u/ j! ^A/D转换精度为0.05%（11位二进制数），

/ u4 [4 f0 L6 ?& \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）。
1 C3 {5 e4 [  o
1 R8 T* [9 U' D4.结论
+ ^+ G  Q8 U. u% q' k( F　　
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。
+ n: G$ u/ A$ y- C9 @2 N) B3. A/D转换器的选择
　　
! j8 {* w% y5 q: I, ~& u  p/ [  J" T7 W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]：
0 C/ Z% p8 r& i$ Z/ J　　
1 m: Y+ Q+ i* u& {$ c" w' R7 e9 p  p. V3.1.转换率的选择
7 e4 W% |+ v/ q& r; [: K1 ~. l　　
! R( E$ f& w1 ]) G/ t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。
　　
3.2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
　　

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。
# w& X( D0 _6 l　　
0 Q9 C  i' G6 [7 L5 Q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：
; l. i  j+ n; {　　
3（1/2）位双积分型ADC

* Q* h) w* w- I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），
4 j/ g1 F; r2 E3 h% p- w
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
　　
5 F; L/ Z9 u3 k. ]! ]; J3 Y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。
  c' b% B4 u+ o5 c& d

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