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。

( ]. s2 m! b! {& b1 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）。
' s' m( `+ j/ p3 y# s/ |

图1系统整体框图
$ x' {& J! o8 }: ?; ^, e6 b　　
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 ^, N8 C% h$ Y4 w* c7 l4 `2 {( `　　

+ Z, L' x! T4 ]5 l, L) p' l　　
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。
4 Q6 b/ v) N! E% _3 u, f2 检测部分
　　
0 e8 z+ ^/ E8 a, s- P2.1传感器的选用
, v5 J/ o3 W6 s) i　　
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]。
　　
; \% w4 g1 i7 u, @" b2 `, G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。
& h0 S2 d" o2 \* V- C　　
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' G9 G& m! B: G总行程（mm）： 3
( ^& ?/ B) o0 Q( M# I/ g! X: Z+ Y
测量范围（mm）： ±0.5

# T; z7 h: B. K' |4 q线性误差： ±0.5%

/ i6 ^' V" e: g7 F! F1 D: C重复性误差（μm） ：0.2
　　
6 C8 k' v: U0 [2.2差动变压器式位移传感器测量电路
% ~& X5 U7 Q" r4 n　　
* J/ E7 j. q! R0 P/ o0 E* S; u2 q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]）。

# I3 h( Q* P7 L: M+ V图2.1全波差动整流电路图
9 h5 N8 l+ v7 w
2.3信号放大
　　
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
5 E! M- a3 H- H% H3 R/ F9 H

  y' m" ]5 V1 @* D; E  I　　
& G- d9 M  ]9 B- S9 _即信号放大电路采用增益K=50。
+ H( x  W* P: H; c9 ^2 S7 j　　
1 l1 q$ o. y% s; z- W* w* P2.4滤波电路
　　
9 T/ n) m9 @; a3 Q* Y" U4 m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 S6 ]) @  B3 B2 C2.5计数电路
　　
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。
　　
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：
　　
项目: TRD-2E A

. l5 k* s4 D. O1 S分辨率:1024脉冲/转

) {; b, i1 [1 _5 q( h* \" G8 [输出信号形式:A·B两相
  a4 }! R* g1 O$ U( X( P; ~
& U3 _, u* \! D" `8 U: d最高响应频率:200kHz

容许最高转速:5000rpm
" P! S" I0 P  |. b" R2 j) p
起动扭矩 ≤0.001N·m
4 }% @# G( R8 s4 {( U

图2.2二阶压控电压源低通滤波器电路

表1 不确定为高或低电平
/ |2 F8 x- T; c
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 B, \, h  l5 b% K

& L0 d# A5 t# W7 w- R: u7 j. ?
图2.3计数电路接线图
　　
& e: L6 k+ W5 w8 L5 z' |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。
) T- I: `+ {6 y& I3 U5 p" D3. A/D转换器的选择
　　
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]：
　　
3.1.转换率的选择
4 A% G9 D" k, _( A　　
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。
- Q$ A3 l* S: t# w5 h　　
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
' A( r  J; g0 T- g( v8 x  `　　

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。
　　
# H, p* B8 f( K5 M2 Z; X' X0 t7 b- o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：
9 D+ r3 Z. S1 `　　
3（1/2）位双积分型ADC
  [2 I" t0 q" c; {! e0 h+ s: @
工作电压范围为：双电源4.5-8V,
( E2 j1 n% m& h1 J, B- t  b  l
7 X( l& E* y$ wA/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）。
. ?9 I5 J+ u/ ]- @0 w* R2 z
; V4 L% [% k" k% w4.结论
; C; o* M# y& {　　
! d8 a/ y% _4 X6 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。
) @9 h' ]2 S$ \3. A/D转换器的选择
　　
( C/ b5 @2 w/ d$ 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]：
5 j' {: D' Y2 j' x% j, Y& S　　
4 b$ S; b* ]4 A3 x3.1.转换率的选择
　　
# M8 `6 t& y3 |5 m2 |& b3 }' @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 \) R& c. m* N: H7 J1 `3.2分辨率的选择
6 q! i8 t2 x" G) D0 k1 S4 N3 m　　
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
# e0 s: {' q7 u　　

5 m1 }: P; c0 q& ]9 r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。
　　
7 s, y/ [, D8 B: B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：
　　
1 ?( A6 f* F1 w9 z3（1/2）位双积分型ADC
1 }: V. E9 ?. b2 G" {
工作电压范围为：双电源4.5-8V,
- L# N$ m) A. c7 _/ ^1 _: a. X
A/D转换精度为0.05%（11位二进制数），
) T0 z" }! T% u4 _- S+ p
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）。

8 e% H% E/ L0 }4.结论
　　
7 O, H1 |/ H; ~$ b1 Z( F! b6 t4 o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。

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