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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。7 Y- _5 D9 V" e, Y9 _
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。+ I$ p! k* H0 G4 e6 j- X
% @" I% M8 F' ^6 I8 v0 Q( G) C [ y1 系统的总体设计
3 k7 U5 J7 t' I% p5 z# Z2 G % O" j0 y- e) g- Z- B b- Z1 P( x% E
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）。
+ U7 N7 ]2 D/ F T# q+ ^4 g: D5 D( {# B; L
图1系统整体框图7 w5 d) w" V0 E8 n8 W
0 m" T6 n3 B9 l/ g4 c0 T; r8 c1 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
6 _3 X- l6 W0 q5 Q @ o P * w+ Y/ f* a9 E# U1 ?
7 K0 z) V! s/ N- q
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。
1 H: H0 u( H, r* e; p% f4 ?2 检测部分) v0 a% t5 D6 e1 }4 C
# R* a+ s9 A& q8 N4 i T2.1传感器的选用. `! `9 a* ?$ Y0 l9 Q5 u3 w" H
. J5 |9 `6 @( v$ [: |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]。
' f b0 x Q/ I) B 3 H9 }- K- o' x) Z
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。
4 X( r& V: f, A- w& K( D% q2 a) Z
* p9 \3 q W) a3 s& r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：
& T9 T! h6 t8 u6 v2 k% q/ f* v
: M6 R) x7 y X4 L/ V总行程（mm）： 3, M& k7 e- W; O: J
/ I+ c+ s7 b' V7 a
测量范围（mm）： ±0.5
# n: f1 {& D/ m* ]
7 g/ d: N) g* ?3 m( D$ f* C/ n8 Q$ F线性误差： ±0.5%8 m6 a- H! E8 F5 s! M+ P
( O& i2 K8 ]5 R重复性误差（μm） ：0.2
+ O/ k: c6 H) n* l, H. K. H- G ( N% u% N+ _( h) v
2.2差动变压器式位移传感器测量电路
/ ]8 j2 O% R: ~4 T Z- Y+ ?
' }9 k8 J9 F" [) j0 O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]）。: h" X) g5 |( o/ ]8 o4 A
( O4 S7 Y% w1 m9 ?. p- m7 O/ i0 l6 q图2.1全波差动整流电路图
8 q- t' R3 [" a# G' s. }
+ I: o/ _1 S' ]" d2.3信号放大 8 T0 H" [1 B6 }/ Q: x$ {
6 c* ]5 M7 I& a- ~$ l$ X
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) t9 {2 v' |& u3 C- k% G
; d4 g3 u" Q. e! G
; R: o, @: j. D" [* g& F* D
即信号放大电路采用增益K=50。8 \" O! O2 b9 g$ W+ D& Y
# H! b( p4 e B5 d! K; c9 h; a( z
2.4滤波电路
' U: q0 b3 ~$ Q, C+ k% R! C1 f
( | U: K- q+ I7 x) w+ h% @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）。9 ]+ g$ P+ |6 e# P- j- A) L: v
" O% k: S G% M2 B* c. y% Z
2.5计数电路" A+ x( j& Z7 t' X
' a9 R) R# k9 I+ N
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。( E( g, s( t4 a5 B" ^" R1 Q2 v5 {
; q% n4 U1 M/ O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：& L3 I) _! v' t
6 p5 ^& E2 G' t: u项目: TRD-2E A
- _ z# b; o$ B% O! Z: d3 I* P( i& ^/ E' m6 w
分辨率:1024脉冲/转
! C p! E9 F9 _. j- p4 U
# p I, r+ x- u ?$ U4 A# h4 j输出信号形式:A·B两相
* _( o& t+ m4 b2 F) e4 U7 g1 j( i9 P2 |# z; A" r% `& A7 [. \& u
最高响应频率:200kHz
* e0 L: M d% d3 U/ b1 a+ Q9 U0 k C5 H1 y8 e" D
容许最高转速:5000rpm9 r! X7 c, K* H/ F/ j
4 s, a5 x- Q# W% `) [1 r0 Z起动扭矩 ≤0.001N·m+ J4 V! L/ H2 a" U& Y4 Q, b( a
9 ?+ l& A3 T/ L" c/ n, X
图2.2二阶压控电压源低通滤波器电路
1 u) q j/ L0 m+ d4 ^* ?( Z$ [# [; _, _
/ x" C4 n Z( {8 z" f! {) J( h7 p; R5 |8 m+ h
表1 不确定为高或低电平 ( q4 x, ^- x) B% d
a( g* `9 c+ k, T0 e V
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。4 }# u) I, [4 f% d# C3 s+ h+ g. }# m
7 ~3 e9 o+ e4 K" `7 y9 g1 {" x, k- Q/ z
' S6 i7 |" T J* T# o* a/ k* c5 k
图2.3计数电路接线图
: ~. ]. Z9 U/ U8 J: \' X: V
) r- O) R% B- N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。
! C. U |: V# O6 s7 _3. A/D转换器的选择
: E6 k1 K% z# O7 n8 H! R4 C - r5 v4 z, d# \3 r3 p
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]：
* `( n2 V1 i2 K+ C
6 B2 Y( O6 J7 ~2 s; w# P3.1.转换率的选择) Z( G# x5 t& }* q8 M
9 q: J; t5 Q/ ^2 c/ ]5 p* t' a' U
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。
: f) g1 G/ B; A1 y $ J: X X( X! r2 H1 u
3.2分辨率的选择; C5 C' x; H5 O4 j5 a" g6 H: ?* U' W
) ?. @; r% x* u- L
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
. D: }/ _, G6 j/ ^# o+ r- X' c
* W% ?, k9 U4 H& \4 H& u0 @( j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。
0 v( a8 Z1 ^2 ]! ~. L ) l* z" ]. K1 l: j- m$ 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：' b6 a6 I' V" t9 v" ^% Q1 k3 p
+ \, u/ q# {' f4 @( G! {3（1/2）位双积分型ADC8 w$ m9 a, {% c0 ^, W
Q+ ^( W+ S6 g1 W! `! D8 _5 T$ H
工作电压范围为：双电源4.5-8V, _2 B9 a0 u/ {5 @; ?' ^+ Q; P
6 i2 }6 I8 {. s( O( [3 N/ G$ H
A/D转换精度为0.05%（11位二进制数），
' y: G$ q/ d) G& i+ _7 i9 t8 M% |8 U2 Q( J# M" N9 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）。+ Z( S- H; a; I3 a
( `. D9 [/ `5 R5 U+ w
4.结论$ }8 z7 X8 T& ?9 ?. U' P) S* a
; v! z" ]4 {/ ~8 z2 K0 c" 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。+ L4 e( e3 |# x2 ?0 \
3. A/D转换器的选择
4 V' N) F2 \# s4 R9 ?$ k
4 \5 e3 A! j0 ?; q6 U2 b9 c, _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]：
' }1 P/ Q' p. c# `: k4 a% d 9 ]1 e+ w8 V7 t
3.1.转换率的选择
6 L9 L( t' T8 }" }& x+ _ W / |( M$ A0 P* p0 I3 ?
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。
4 l0 G/ P1 S& o/ y4 X# y% i
0 k* V! U5 w* C4 A; \3.2分辨率的选择) K5 R; I' E, e0 O% Z+ ]
9 F8 Z/ ? w* }$ L& J" r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( w8 O" Q0 T+ P$ |9 ~
! @- n( Y" D$ @/ r; J3 t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 C# ~' o4 u$ w( i2 l ) | @5 c$ G2 @
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：
' e) ?8 R" g3 o" {
9 y' F: J+ ^0 h H; w- m! i" F0 H3（1/2）位双积分型ADC
8 D* d! A6 c- P* }* K+ b, R7 b6 X. t1 Q. E( G! i+ c
工作电压范围为：双电源4.5-8V,
! r5 ?3 z$ w/ b0 G
8 Y' r) {' r1 y8 KA/D转换精度为0.05%（11位二进制数），8 L2 w# O, g( @2 ?+ M2 I! o
3 o( ^! l& o; F/ e W! r; B% {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 |) }2 _. N& _* k% l4 ?; {
0 L2 S2 n) ]# y2 s5 P
4.结论
) |$ `% B5 H' k 4 j. v4 @0 i2 ?- o3 E$ W2 }! }
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。' q0 x# E9 W6 n& f9 q0 ~6 Z* m
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发表于 2020-5-9 09:59
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