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。
) k) E% V! E# @0 H' L+ N/ y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
4 g* I" ]& r8 t0 g　　
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）。
, I; N4 q9 T  e1 y

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
　　

　　
. T# c' j, E& S, H7 T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。
, c9 f. x. Q, R7 W' [: S2 检测部分
　　
% I8 u, ^+ c& t2 N: ?$ d) O2.1传感器的选用
4 t/ O) A. T) v! _8 @　　
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]。
　　
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。
　　
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：
6 f& x) A& A! B) N" G  V2 g　　
总行程（mm）： 3

测量范围（mm）： ±0.5
) p0 _1 _: I. @% E
线性误差： ±0.5%
* k( m$ _) K& o9 V4 h3 f& ~( z
( k" G2 _' r/ K2 m) G重复性误差（μm） ：0.2
' F0 b: W, s# e　　
2.2差动变压器式位移传感器测量电路
　　
* X6 [" Z, F5 m! R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]）。

. r( E' c" s+ E1 l图2.1全波差动整流电路图

3 ?; M, e, G/ Q/ t) j3 r+ ~+ h' s( B2.3信号放大
　　
5 s8 B% V# A" E+ B) d% k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
; E7 g" r$ y2 Z2 Z4 \

4 |( g, V: v# K# G; }. }　　
2 T7 }: U- W/ N8 B# c即信号放大电路采用增益K=50。
　　
2.4滤波电路
0 t; g( w; K. Q# U3 D4 l　　
" ~$ p, Y5 \9 n# f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
' a% F  B  b& G( d# X- d4 W% N. R　　
: ^- d: G( n2 r  b- e, B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。
& o- a2 \6 w9 _4 h' t　　
4 W3 j; Q4 S! M4 f% F3 ?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：
/ D( K8 o* t1 ~+ C4 E7 h2 y　　
# P6 q2 k* V# `' [项目: TRD-2E A

分辨率:1024脉冲/转
& \) {$ E# P* y8 M& w
1 a# Z( {4 S# x* u; A& h输出信号形式:A·B两相

* ]" S, k- A% T最高响应频率:200kHz
! y" m4 M7 }4 B$ J$ y7 Z) i
/ q) b) b, ^& n6 T- J7 z容许最高转速:5000rpm
6 I3 R# u% N* W' ~
# F7 ?/ t* |- S+ z0 B起动扭矩 ≤0.001N·m

图2.2二阶压控电压源低通滤波器电路

( |* i  w1 x5 J9 M( [  h' e

% g8 S' P4 y' E1 Y
表1 不确定为高或低电平
% C( M- m& n+ \7 D
( Z+ N/ u' E" a4 i/ {" S( U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/ k8 h! C3 ]. G- i

, K6 Z: \5 @7 s0 t# e% S% E
图2.3计数电路接线图
　　
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。
4 G. G; A7 ?4 D$ {3. A/D转换器的选择
　　
2 v9 s+ N2 A! }  s" 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]：
　　
3.1.转换率的选择
% l3 x3 e2 y' w$ i! n% T  j　　
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, i! K% g  ^  ]2 |3.2分辨率的选择
　　
, }" q7 c$ s! `- k/ w8 Z& w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
7 e. A% Z' N  Q  h　　

# w! ^! V) m$ S1 J9 r7 T! 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。
/ Z& T; @# i* |* B  d# B! q　　
( Z0 Z) ^# a: b( 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：
　　
, Z" K- I5 Z2 R, r3（1/2）位双积分型ADC

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），

* ^9 s% @+ p( C- 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）。
1 X) s: E5 A0 u
& A- c% B8 z9 ]8 j3 s4.结论
　　
5 e( Y  j1 C# i# [: y$ J3 ~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。
3. A/D转换器的选择
. p1 x. c2 i3 b, H; T7 K$ H  r　　
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
　　
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。
/ M2 y5 W0 s; q5 }  E9 c, X　　
5 y9 M. d# m5 r! y3.2分辨率的选择
7 L( ]& }8 T- ^1 h( ?　　
# ^. U5 Z7 |5 @( j8 z' 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4.1
5 q8 R, H% z- V# K1 k　　

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。
　　
% C! |6 E% O; t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
5 B# X: D7 _, O3 e; [9 K7 C/ o) X# j
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），
% F( ^& t1 V  p+ k+ V2 i
1 ^- ^3 {& e! Y. 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）。

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。
  f9 H; P* c. _) W% ]

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