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。
/ b4 j& k( |' a( E# j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。

1 系统的总体设计
　　
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）。

& _3 r5 \4 r  S! R5 d/ a! x9 d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
　　

' B( \7 j* N# D5 S4 ]1 Y　　
/ N2 n0 m$ G8 F/ R0 H! g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。
" E; C% ?+ p* Z3 b$ t2 检测部分
9 z: r* R. |- g6 Y( Q. N　　
1 {/ D* X1 [0 g' S+ ?2 j2.1传感器的选用
　　
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]。
) i! q" p, `, i! [4 A: o3 f+ I% E　　
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。
/ t' r) \: E* w! A! J4 i　　
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 W$ {) p2 A0 c, ^( ^　　
总行程（mm）： 3
7 O: u/ A. \8 s+ U  j; U# f
- d: j# u0 \5 Z; U测量范围（mm）： ±0.5

, M( f8 n0 E1 N# m线性误差： ±0.5%
) z, M; R4 _& F  \
重复性误差（μm） ：0.2
　　
+ ]0 B# ]( Y' |9 ]; U2.2差动变压器式位移传感器测量电路
( s4 B! J* y' u( c- c5 B　　
$ H  I+ o$ p# b" l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]）。
' f5 [6 Q% \$ l( M8 P: L+ W1 Q& _: u; G

+ L# F; b# e* G& K; V" {% c# B0 r图2.1全波差动整流电路图
- J* E/ W3 r8 W! v- V
2.3信号放大
4 V$ o$ U* c8 F9 r　　
& b) w! @! s' w; }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
8 R) S8 X; c; @# o' R

　　
* Y( B' w9 l8 R5 N9 n: l即信号放大电路采用增益K=50。
　　
5 K! T- U: h% O. W4 G- B% p2.4滤波电路
" S# u3 a  O) x) L9 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）。
　　
2.5计数电路
　　
: q8 ~5 v+ S9 j7 x* p$ i9 e- 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。
$ e! O8 g3 J: }7 O# C. g* W* L　　
5 `! c  m- |/ v3 l# ]/ 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：
　　
. x- {! ~1 [5 ]0 U$ W# T: o( t项目: TRD-2E A
" m2 e$ W/ R! ]2 p
分辨率:1024脉冲/转
: w9 w7 Z+ B/ e2 }5 ^& l. X
输出信号形式:A·B两相
! m. X; D/ K4 o( }
: y7 W8 {9 r) S6 P! X最高响应频率:200kHz

' U2 S1 C3 W' C" L容许最高转速:5000rpm

起动扭矩 ≤0.001N·m
# n# T$ {, Y! W

图2.2二阶压控电压源低通滤波器电路

  U: g9 q6 f+ _3 G1 g

. N$ p; s$ h! X4 m/ F6 _. @9 a
1 e6 P' j$ t' Z5 L) Q3 A! ?4 u表1 不确定为高或低电平

- u1 a, N- Y$ L) K1 a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。
& v& r5 H$ Z1 q& v& f

) d. J" K0 E- f5 R
图2.3计数电路接线图
* C/ W! h# O# U  @% m　　
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。
0 L7 J% Y, _, B) b! K2 N3. A/D转换器的选择
6 F/ F% c$ _& ?+ Y* N& K8 j　　
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]：
: A* G7 d9 U2 d1 B0 S2 F; G3 w　　
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。
　　
( p6 \: a" C9 r5 s3.2分辨率的选择
　　
# R( L/ {$ d; n1 V2 ?& f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。
1 ]: n4 i6 [8 _　　
* j( T# O& d5 r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
- ?  Y9 `2 R% z
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），

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）。
. n2 n+ v  e9 F0 a
# Z! s/ l2 `' C4.结论
　　
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。
( N1 x' u3 m3 X& h3. A/D转换器的选择
　　
" l" O6 A9 U) C1 m: u( |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 A5 |0 V3 `& b' T- i　　
$ k# E7 M; ~: a  f3.1.转换率的选择
" }$ g8 E( n& @# d% ]　　
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。
. }2 y/ X& k; U# g- Q+ 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
　　

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。
　　
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：
8 r+ }' Q. g/ x% t6 k6 d$ A　　
3（1/2）位双积分型ADC
+ Q1 [6 Y; J/ N0 H- f6 _
, O& `3 g6 k& `1 q工作电压范围为：双电源4.5-8V,
2 I( J5 \  R6 u- t$ \6 S; X
5 h1 V' W) s. `5 N$ m( G- MA/D转换精度为0.05%（11位二进制数），
/ _7 w3 k4 s  ?0 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）。
' t; L& N, x2 v( N: e, i/ f
4.结论
　　
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。
/ k& Y3 ^/ B: _6 |/ b2 i; P% O# n

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

Racheler

位移传感器通过机械装置与浮动测头相连