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标题: 滚动轴承的圆度怎么检测？ [打印本页]
作者: StepPeng33    时间: 2020-5-9 09:59
标题: 滚动轴承的圆度怎么检测？
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。% ^3 o2 K" U7 G
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。5 ^7 Z, ^! D" A+ _! Z3 X, `
' T. ^" A  g3 L
1 系统的总体设计
/ R4 D( t- h2 i! [　　
& O4 W% _. t/ G2 L% ~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）。
  Y* q. S% `$ f& O& N' S

' N9 x0 D8 Q% q* d( `% C# i4 L; m图1系统整体框图
8 R! }- [. f0 `% n' u　　
5 L& i& H  z" J- ]: s+ G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
" C& G; s" @/ s0 f' j　　
0 V: D5 `8 h1 H
　　
( z  Q- @4 z8 Q% B0 }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。
* p/ X6 e( c1 G+ ~$ u2 检测部分1 G7 p( |. @. C8 n0 `5 w
　　. ?" X2 o1 f/ T3 F3 c6 q
2.1传感器的选用) G# O0 i) y1 {6 B) K# d
　　9 ^. S6 E3 `+ J7 C& l# p
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]。
) v) K! i! X0 t& Z' `8 F　　5 n+ S5 m4 w3 i1 X5 U' b2 G5 [
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。
9 [$ _; r  H0 ~　　8 F. m" e; @3 U3 I( T
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：) U% _! u! `& o
　　- j+ x. y4 F/ H" f; A& G! s2 A* @
总行程（mm）： 3$ ]/ E" R7 I- m0 L, ?# [
: o+ P. Y* ]/ @: D1 }2 m7 A- G5 _
测量范围（mm）： ±0.5
9 ~2 j5 `! L% y/ G
, F5 y" t6 ^5 N* {  D1 Q0 \线性误差： ±0.5%
8 W2 E, h  S4 J3 m- g  _7 Z" U/ t7 C) E. S( g+ U6 S4 @
重复性误差（μm） ：0.2
0 Q4 x  c% D/ _" f& H　　
- A# L, ?; l7 y! m8 I% d5 |, t; y2.2差动变压器式位移传感器测量电路* C. X3 T5 Z$ ^! h
　　8 O) j/ f& w, U* P
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]）。
4 }9 s# ^4 s( F4 V) h4 u: w1 t* \" I9 ^

# l  }5 E/ S( W$ ^  y5 D8 ~图2.1全波差动整流电路图; x  c; I1 R" R" [% V* ~
+ I' [4 L" u5 E! G# p: u
2.3信号放大 $ V  Y$ U! L; n( V! {( d8 ^
　　7 a) u3 x8 A" L
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
( P* K6 @0 ~2 D+ z3 ?  p

# \0 }" y- e# n8 P2 X: j　　
2 D+ O. N* Q; K即信号放大电路采用增益K=50。& l2 f( f9 p$ t: `9 z, J' Y& _
　　
& v4 f! Y* K3 K' W3 Q2.4滤波电路
4 G/ g# [: w6 T2 b& v1 w3 K* w/ l　　8 K* _. j$ A3 u
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）。
# k- I5 D3 x! U, j* J/ t" h　　3 w! S0 Z6 k9 ~% _; q" H; ~1 \
2.5计数电路; e& ^8 }7 F7 S/ w) V: v, h
　　$ n7 L" @6 e$ S' X
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。
( f+ O0 E; a3 g" t　　
) B; a/ ]5 k9 Q0 S5 c9 v# ~1 ]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：/ l( k, r3 x3 A. O1 y7 w" f7 v
　　2 d# @$ n, B+ W& U/ t, b: r0 |
项目: TRD-2E A
2 q$ I; k# q. K8 N' y3 q8 ^2 e# V; z  g) \
分辨率:1024脉冲/转
2 [+ Q# O1 V) g: j& @
  T& A- o. r0 }& V: c3 G输出信号形式:A·B两相
1 s' j' U; W4 E! L& h( y5 ?. ?1 _9 g! O, L) O
最高响应频率:200kHz& l& x5 X6 f' C
! @: R% @% F3 d3 P
容许最高转速:5000rpm
3 k, F4 r$ D7 ], q" Y% W; ?2 p# T+ O: s7 ]
起动扭矩 ≤0.001N·m2 F: Y# a8 l5 F7 ?7 I

1 K) v, g. v6 C; V) T  _6 ^4 _4 d图2.2二阶压控电压源低通滤波器电路% O2 l) N- o- Y) O, r4 u: p3 _

! a/ Y, S" C% C8 ~+ n4 l
: ?: e1 u" B6 ]! {. y" j2 `
$ G0 C. l+ k  T$ S
表1 不确定为高或低电平 # A' X  [  V) J
1 f( j# K( V- Z; ^* ^
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。  g# D- p8 k) r' R, B9 f

, r: b! Q/ H/ {5 H7 d

5 @1 s% w5 e5 l6 N+ k" P9 f  H6 X" a( O0 m- d) Q
图2.3计数电路接线图, ^. r) |* j3 S8 q1 D
　　
( m. o" O3 [; }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。& B0 F2 W. K; f' ]: R
3. A/D转换器的选择
7 D2 H) ?! e, p　　
) A, M5 Y; F+ O7 d7 O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]：: j2 I1 Q( r! z
　　4 I( j0 ?1 S, N. k( Z. X1 \6 ~
3.1.转换率的选择
$ k$ }7 T% g4 d2 p) _1 k/ q: l7 R: N　　0 N) ?0 E9 o% j) Y' q! i
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。
1 Q( X5 {, n4 _　　
% K( r4 _$ }, k2 _, F! \3.2分辨率的选择8 ]  e% F- h% `) M/ E$ u$ P/ `
　　
) {1 d) I% _  e) h/ y5 F" P1 K/ G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4.18 B# G9 N' \4 M3 l. Y. D/ @: ]
　　
1 R* T- S" Y# ]3 V8 C* s
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。
8 ~  n; C- Q5 B- J　　
  r( A. N# h' D# L3 t! q/ f/ L0 y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：  f8 i- X& m, z
　　
# ^7 o% }5 ]$ ~" G$ r$ ~. r8 v3（1/2）位双积分型ADC
. Q( E& G1 e1 `( p5 @% f) C
1 d% q, p1 ?1 L) n; \# y: Y工作电压范围为：双电源4.5-8V,
1 m: N3 }& e6 h" D
' Y, B) {. }- h; o' k4 ZA/D转换精度为0.05%（11位二进制数），1 j. z# b2 R( c
* f0 W; [/ v! _2 n3 Z# {. A0 N
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）。( C0 V9 K# J$ L5 q, C

& }( o- d0 j! w7 _& I1 I2 U4.结论
# u, a' ~; I* S! W+ G! W2 @　　* J* T3 `; a& T' l
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。
" E2 h2 C2 Y, U5 d, i3 H3. A/D转换器的选择
& \- ^+ b3 ?2 W0 Q% i- o( x  I　　
0 ?* n* P9 N% ^6 K! Y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]：
3 M) S3 i3 ~" O　　/ }1 ^3 R1 j4 u
3.1.转换率的选择
9 j0 k  u: J' _% U　　/ M% m! {4 n. |; B8 m  W  A; {: P
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。
1 c0 \& B4 i4 W- v5 Z2 V: d　　
4 z+ @' O4 Y1 k! U' O3.2分辨率的选择
' A' t: V5 K. _/ [　　
3 X2 }9 Q- Z& }' a' G% N# p4 d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. K! r# M; `/ n8 u* V. b
　　
; p) i! {! Y2 @4 O% ^" f7 Y
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 a' G3 d; L& q8 k7 ^　　
* x0 ~2 l; K0 M1 z4 F! b5 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：
4 m4 `4 n$ N0 E5 ?, ]0 z- \/ D4 L; m　　: {  I5 P( w: V4 g% @2 D
3（1/2）位双积分型ADC
% A9 [' s. D; t8 l# |, h& ?0 z
6 \2 T8 B1 b$ `% c7 i工作电压范围为：双电源4.5-8V,
. ^- y) W3 F# f6 [( G- V# |9 q' d+ t% t. v$ B
A/D转换精度为0.05%（11位二进制数），
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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）。& y! n" r' N3 r+ E1 N1 Y
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4.结论
) c/ P2 b, Y( X* f; Q! P　　
! B+ {7 L. j* e" ?5 l3 r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。
5 r: C! Q, ?, M8 s! ]
作者: Racheler    时间: 2020-5-9 13:20
位移传感器通过机械装置与浮动测头相连
作者: Monika    时间: 2020-5-9 13:21
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



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