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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。, N5 Q, J) S; Y4 q/ E$ n) l% 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。
" K3 E; u w a$ Q" O$ V+ f/ l, r! Y" e6 d; A, i+ W# `) r
1 系统的总体设计
; p* d; `/ Y0 s, W
: p" d" I6 `( Z: ~: e6 i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）。: R/ S* N' t R6 H$ I( [
1 G* l" v" t4 {) V! y4 m图1系统整体框图
/ s4 T7 J" B) f( x A! B8 K K* {
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 ~2 l( ^: K" k3 c; X% I
; j' u; F; I+ A3 q' D( K7 p) U
$ P$ k, p/ @$ ?! p* 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。. \% b6 u* ^1 W" N7 O, |
2 检测部分
8 p- j/ h% g' _; ?8 S
! M3 Z5 D+ R, k2.1传感器的选用
( y0 Q. @. X/ P
$ K7 E- x) Z! {( u g( p) m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]。+ N. A% v) G3 ~. N0 y& r
; y$ i5 w8 S, ^/ S: w [
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。+ ^; Q7 F9 u( y# m/ R; Q7 ?' L
8 I/ X! m- k5 e1 t/ B- h
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：1 z, X8 n5 b6 @: X4 Z2 @2 n
5 t2 \, V) [, s, M6 O
总行程（mm）： 3! P9 y& D' ~* D* k; k
$ T+ _. ]7 r4 N- h, Y测量范围（mm）： ±0.5
5 R x, w. G! C# s& b
, s+ r: d7 Y2 k6 \+ I线性误差： ±0.5%
, I( j5 O6 C1 I; o
& l0 K0 Y+ u) |- ^) s3 J% t/ w重复性误差（μm） ：0.2; r& v0 W% ~% x6 S) `
0 p! P0 k7 G2 b- t7 A$ e: P9 t+ }
2.2差动变压器式位移传感器测量电路
; y7 ^$ s H5 U9 n+ Q
) [, q5 Z ~- D# h) I- t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]）。
( ~$ n- n* p. z* h6 I, v3 q0 `1 X& x8 ?0 g& } x2 c" Z
图2.1全波差动整流电路图
, w; x5 h" P& ?9 `6 [% _
( p+ n4 @! I" l& p2.3信号放大
* r; T+ `" n, F3 N + Z: F2 ^) _3 r# s& Z
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, X' w3 j, X- P
# R4 J L( ?4 a S- m h0 s2 q! z
0 i8 a. q% @% M |
即信号放大电路采用增益K=50。
) z( n. u) s* T% P9 T/ r% F 2 u$ R- s) T# w; E) e. q
2.4滤波电路5 Q, C- o8 `4 M
1 s0 s- i5 Q% `& H6 g% i2 L8 t
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）。' x6 g7 x/ i0 B. b
2 ^5 ~5 p2 N! v0 |9 r
2.5计数电路! k( Q7 H& D4 O; }+ _
9 y' F3 _3 b6 A# V- [ t9 H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。
" p* v% q' R2 y' e% {2 c 6 R$ }2 d0 h, V
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：
/ @7 Q h- @0 Q9 n . q# t I5 ~( u+ A% m$ T
项目: TRD-2E A
: A# c7 @2 o- V5 O0 ~2 O
3 d O: C. y) ]/ u j分辨率:1024脉冲/转- h: Q8 ]# Z2 T/ u: W! [
. H4 W! ^1 _( z: ~* }输出信号形式:A·B两相: E+ J. W; o2 [
6 w! x7 c$ {# q; b* A8 |最高响应频率:200kHz- S6 \) z. d2 `% A7 W" J% F# a
& Z7 K" ^9 ^" p4 q# ]. m! Y# p; I容许最高转速:5000rpm
1 k8 X( t( [2 V0 z% T: U" Z" b r: a. _& k4 z, ?3 l( D3 E. ?
起动扭矩 ≤0.001N·m5 p: [# i/ |# X% M% g9 D
6 V$ p. k9 `* |) Z1 e# b2 w) D
图2.2二阶压控电压源低通滤波器电路- |6 E: C' Y' w/ H* G
" k; {( B6 W& G" Z4 U" B
6 K! y b+ C( p- b% ^* o# {- M: @5 V! C8 R$ {3 z5 }( @: j
表1 不确定为高或低电平
3 M" {9 ?! [ C2 k! q& y3 l1 e, u# d# n0 T
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。
9 U! d0 V [& ~( z( l
- q1 h7 [+ f& T. W, k, ~" q! o& E* K' J1 j9 D% V
7 e8 w0 Y% v: I' G5 A* }/ h
图2.3计数电路接线图
& m$ D8 [# S. ]) y9 Z5 V7 l 5 F2 A$ g y9 F9 {
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。; B. _1 N3 A1 U, R4 v! t
3. A/D转换器的选择) N4 x) o6 \% a
+ B; w b* o5 E3 X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]：
! {& \8 n# V( G. k* g' N% v
; J" R; q" C, V" _5 ]# c3.1.转换率的选择+ J5 e% B5 P7 H. u" W& \5 ~
' T0 S( u; V. o$ b" f+ n
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。( O! o( o7 U+ M$ J
1 Y/ i, f/ f& a. z% j3.2分辨率的选择$ r2 l# Z6 ]/ L% Y P
# ?) ^7 m- T2 {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4.19 X. m- v$ I: T" y$ v
- _# ^0 H) P& e4 v
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。" L# |! z: }* S: U! V
$ a$ {4 X% o% e, U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：
; n: [3 |3 f3 C 8 @% ~" p( g2 s8 `
3（1/2）位双积分型ADC# s# I% o1 X/ Q# k+ h
0 c3 K F3 h1 p0 E, B6 A5 ~9 {
工作电压范围为：双电源4.5-8V,
' }+ S9 C& U `$ F% ^' C: T. f* V# N
9 U% s5 {8 h. P0 YA/D转换精度为0.05%（11位二进制数），- [( f; G2 A3 E3 _! G, r% D9 i; W- E
! l% b( Z t6 r+ X
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）。
+ h5 S# C% H/ d- g/ X
/ d/ ~' w, A/ G4 w4.结论
* F& C4 D: _4 M9 ?; Q 7 b; v3 W% N1 }9 V$ Z# e
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。
& `. D; F7 t2 n) h! L! F0 A3. A/D转换器的选择: z0 D8 y7 n8 k
5 D- z* m# n$ M. P, f% \
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]：
7 n3 j# Q! p8 t; E8 b) c " _9 g' c* i _! }" X1 R
3.1.转换率的选择
& D! Y' V( X, Q& N
6 x; q& W& ^- ]! c6 e! f- e/ ^6 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。! l* ^! g1 d; b0 F ?. M
" T& s6 y2 D6 B8 L! v) ~) U
3.2分辨率的选择7 H# c( q* o) J1 W; P1 [) ?
% N/ I8 i; b* y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
: f: R8 \# P9 k * O) O, n; h+ e- e8 I
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。- b. J4 `2 R8 J# ~% H' A# f
- f$ L x0 m1 {4 q+ M4 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：2 Z; L+ g' c4 m4 H ?. {+ V" T5 F& S
# L9 d# } c5 j, z) K) E- J
3（1/2）位双积分型ADC
0 Y; x4 q+ J& `( E4 k7 z3 ~/ B
7 |1 p& q) p+ ?3 r工作电压范围为：双电源4.5-8V,
/ I, b1 u/ k. H; C
: [9 @9 A8 v" }1 B6 I3 HA/D转换精度为0.05%（11位二进制数），
6 P/ N9 w1 S* r8 i O/ c7 L4 I- J, }* 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）。
" w+ L: W4 m- @+ N2 { ?! Z) ^8 c: j+ W$ I9 T" ~
4.结论
. m" a/ Y$ j1 u$ N9 I% L
: X/ ?" d/ U1 H* t" R7 x' k9 H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。6 {, m3 p$ k% b) I, ~
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发表于 2020-5-9 09:59
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