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。
. o; q1 n4 Y0 ?6 b" ]/ k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）。

1 m+ R8 ^  d* P1 g! N3 s6 [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
0 R) b) c: U$ |　　

　　
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。
2 检测部分
　　
: E7 d0 {1 x6 q8 V! [2.1传感器的选用
　　
6 Y* W( m2 n" y% \! g' ~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：
　　
总行程（mm）： 3

测量范围（mm）： ±0.5

线性误差： ±0.5%

5 v- S! z! z3 ]( J: W重复性误差（μm） ：0.2
1 a# F% T1 L- g6 S8 G- x　　
& A4 u3 G8 b  k  ~8 d: h/ z4 h2.2差动变压器式位移传感器测量电路
2 r+ }: c8 b' d) u8 j6 T  l　　
6 q4 X* C0 i3 S" r, i! T) Z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]）。
; ~8 x0 [$ R4 f4 c. Z0 E4 `9 r/ U

/ E) y( V. N  l6 L# C4 c图2.1全波差动整流电路图

* j7 F; ^/ i2 E) N7 P2.3信号放大
/ D. R( q: ?9 N$ 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

　　
即信号放大电路采用增益K=50。
　　
( A4 w* i* Y8 {% K' N; L& R& p2.4滤波电路
　　
1 P+ z+ }- b9 S% s+ Y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）。
. A1 b2 q) c3 O　　
2.5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。
' K0 R+ _) l! Z　　
( t3 `1 s8 ^) m0 d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

- e9 B) d7 o# j1 ~: w( C3 u5 _- i分辨率:1024脉冲/转
. U2 \' d) h; c9 p
输出信号形式:A·B两相
) [. Y3 S& h) x; l% _
最高响应频率:200kHz
; _  R6 W% e& y3 I
; o7 H5 P7 a8 k5 s容许最高转速:5000rpm
: f( v- \( A7 H) l; z) a0 ]
5 j# `( T3 b' B( O5 A# }起动扭矩 ≤0.001N·m

" b; u) s# c9 }5 E# R5 \* `# ?图2.2二阶压控电压源低通滤波器电路

& `6 e% p7 J) R, f& F7 e- u0 ?& p

4 ~& c* J/ o' Z3 a5 R
; J2 z6 f5 R2 \* L  K% u表1 不确定为高或低电平
. i; O. r1 Q+ A% m5 ~0 z# S
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。
3 s! ]  G% b' k6 e2 m5 S. r

. K& a4 G! C4 m1 Q8 g$ t9 A2 v
图2.3计数电路接线图
% i$ C: g- E% z5 R% [4 S! K( Y2 R$ t　　
. j8 }7 u$ f) Z' _  e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。
3. A/D转换器的选择
　　
5 ]/ S/ S$ g, M9 J  G% ~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]：
  V, P9 a$ A( w& t9 O7 R0 |　　
3.1.转换率的选择
( K. V" o& o* J; {　　
* ]9 I2 o: l' I1 R4 T5 k( h6 Z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。
& U1 n+ d! L: F) M4 M* J+ v1 f" d! ?　　
. ^2 x( K& j- L2 W# S/ \3.2分辨率的选择
% B# H8 [8 D9 m  t/ I* O　　
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
　　

3 `; @6 r: D7 ~" I# q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 [8 Q1 H( O3 z2 a( ]　　
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：
　　
  s3 w4 O+ `, S3 f$ B1 K3（1/2）位双积分型ADC
7 q# L$ D, Z$ u7 q1 @
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），
& x7 ^. V: B' e; f
# S' ~1 V- ]" H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）。
5 e. |+ W: a8 A$ ~
4.结论
7 t% N( U8 F  y7 E' g4 z　　
8 k3 X6 \7 d" v5 e7 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。
2 L2 R% _- L8 Q0 V3. A/D转换器的选择
* v: \4 Z4 ]% {- G　　
3 {6 [, @* Z) 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]：
　　
3.1.转换率的选择
7 @1 O( U! r; r$ E　　
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。
　　
3.2分辨率的选择
- G, J6 I/ b# w& ~! T9 m　　
8 j  x* h( c2 ~; |* N' 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
: n7 ]" a2 |: ]9 h( c　　

' s) L9 T" u6 d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：
　　
3（1/2）位双积分型ADC
4 l% c) w  n1 A& r
/ q8 n/ T: M: v8 a工作电压范围为：双电源4.5-8V,
' E" K8 D+ S% H- t* M! {
A/D转换精度为0.05%（11位二进制数），

1 W* M' A, U  U0 s3 M% k! \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
0 A& ]* o% ^6 e4 I8 t　　
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。
7 Q% v, t* X0 _8 S8 f4 l7 a. p* a* Q

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