韓宇， 張洛平， 王鵬飛， 孟文寶

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

1 前言

隨著列車速度的提高和運(yùn)行距離的增加，對車輪軸承質(zhì)量的要求也隨之提高[1]。目前，國內(nèi)鐵路客車正常運(yùn)行速度不超過160 km/h，車輪最高轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，車軸所受載荷為148.96 kN，最大軸向載荷為59.6～74.5 kN，車輪軸承采用脂潤滑。滾子質(zhì)量在很大程度上影響著軸承的使用壽命和動態(tài)性能。由于鐵路客車使用環(huán)境的特殊性，要求在磨削加工中同一組滾子直徑變動量≤2 μm，長度變動量≤10 μm。

磨削加工往往作為終加工工序，對工件的最終精度有直接的影響。鐵路客車常用軸承有圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承，滾子素線常采用邊緣對數(shù)曲線修形，一般為修形砂輪切入式磨削加工，其原理如圖1所示。這種加工方法要經(jīng)常用金剛筆或金剛滾輪對砂輪進(jìn)行修形，修形后的砂輪外形很難保證與所需滾子外形素線一致，同一批滾子的直徑變動量難以控制，容易造成滾子滾動面素線的對稱度不高，表面粗糙度控制有限，且頻繁修形造成工作效率較低。

圖1 現(xiàn)有工藝

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計了一種采用CBN砂輪高速點(diǎn)接觸磨削滾子軌跡的新方法。該方法集多種輪廓磨削加工工藝于一體，一次裝夾可完成多個表面的磨削加工，不僅提高加工效率，還可以保證工件的形狀和位置精度[2]。

在線檢測技術(shù)是一種基于計算機(jī)控制的檢測技術(shù)，其檢測過程由數(shù)控程序控制，通過工控機(jī)的處理得出檢測結(jié)果并做出相應(yīng)的處理。將在線檢測技術(shù)應(yīng)用于鐵路軸承滾子的磨削加工中，可減少工件裝夾次數(shù)，有效保證工件的重復(fù)定位精度，對提高滾子質(zhì)量將有著質(zhì)的變化。因此，研究設(shè)計了與上述磨削加工方法有機(jī)結(jié)合的在線檢測系統(tǒng)。

2 總體方案

軸承滾子精密磨削機(jī)床在線檢測系統(tǒng)由雷尼紹測頭系統(tǒng)和相應(yīng)的檢測軟件結(jié)合機(jī)床本體構(gòu)成。系統(tǒng)借助機(jī)床上的部分硬件，在不改變機(jī)床本身性能的基礎(chǔ)上，加入三坐標(biāo)測量機(jī)的主要功能，實現(xiàn)在線檢測和反饋控制[3]，總體方案如圖2所示。該系統(tǒng)由雷尼紹測頭，嵌入式運(yùn)動控制器，人機(jī)界面，X軸、Y軸伺服電動機(jī)及伺服驅(qū)動器等相關(guān)部件組成。系統(tǒng)工作時，在X軸、Y軸伺服電動機(jī)的配合下，工件與測頭測針接觸產(chǎn)生觸發(fā)信號。信號經(jīng)處理后由專用I/O接口傳輸給嵌入式運(yùn)動控制器，測量軟件結(jié)合同時反饋回的伺服電動機(jī)的位置信息，進(jìn)行計算、補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)處理工作，得出檢測結(jié)果，完成檢測工作。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

3 測頭機(jī)構(gòu)

在線檢測系統(tǒng)的測頭機(jī)構(gòu)主要由測頭座和2個雷尼紹LP2測頭構(gòu)成，LP2測頭固定在測頭座上，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測量過程及測量原理

測針是LP2測頭的重要組成部分，在線測量過程中與工件接觸，對在線測量的完成和準(zhǔn)確與否起著關(guān)鍵性的作用。測針通常分為球狀測針和柱狀測針。本在線檢測的實質(zhì)是取得工件各縱截面的最大直徑值。如果選擇球狀測針，測針與工件的接觸實際上是空間內(nèi)點(diǎn)與線的接觸，測量時測針接觸點(diǎn)所在的水平面與工件中心線所在的水平面很難重合，實際測量值將小于測量截面處工件的最大直徑，將不可避免地產(chǎn)生誤差；而采用柱狀測針時測針與工件的接觸實際上為空間內(nèi)兩條直線之間相交，由空間內(nèi)兩條不重合的直線相交只有一個交點(diǎn)可知，測量時測針與工件之間的接觸點(diǎn)與工件水平中心線重合，可避免產(chǎn)生誤差，測量示意圖如圖4所示。

圖4 測量示意圖

4 檢測原理

4.1 工件坐標(biāo)系的建立

在線檢測系統(tǒng)的作用是在機(jī)床磨削滾子后，對磨削后滾子的縱向截面直徑進(jìn)行在線測量并將測量結(jié)果反饋給控制中心。在此，以一種滾動面素線中間為圓弧曲線，兩端為對數(shù)曲線修形的滾子為例闡述測量原理。設(shè)滾子最大直徑為Φm，有效接觸長度為L，滾動面圓弧部分素線的半徑為R，對數(shù)修形部分素線的方程為y=aln[1-(2x/L)2]-1(其中a為根據(jù)工況和材料性質(zhì)決定的常數(shù))。測量時，工件固定在機(jī)床上的兩個頂尖之間，所建立的工件坐標(biāo)系如圖5所示，其中α，β點(diǎn)為圓弧曲線與對數(shù)曲線的切點(diǎn)。

圖5 工件坐標(biāo)系

在工件坐標(biāo)系中，α與β點(diǎn)所在的截面的直徑分別為

(1)

(2)

其余任意一點(diǎn)xi所在的截面的直徑φi為

(3)

4.2 測量過程及原理

測量過程及原理示意圖如圖3所示。在線檢測時，測頭機(jī)構(gòu)不動，被測工件與所在的工作臺一起在X軸、Y軸電動機(jī)的配合下運(yùn)動。當(dāng)系統(tǒng)測量工件xi點(diǎn)所在截面的直徑時，X軸伺服電動機(jī)拖動縱向托板向前運(yùn)動，當(dāng)測針與工件接觸后，測頭產(chǎn)生一個觸發(fā)信號經(jīng)傳輸器傳送到運(yùn)動控制器中，控制X軸伺服電動機(jī)反方向(即向后)運(yùn)動，并記錄下此時X軸伺服電動機(jī)的位置。當(dāng)工件與第2個測針接觸時，測頭再次產(chǎn)生一個觸發(fā)信號傳送給運(yùn)動控制器，控制X軸伺服電動機(jī)反方向運(yùn)動至開始檢測位置 (即工件處于兩個測針正中間的位置 )，同時記錄下此時X軸的位置。2個觸發(fā)信號之間X軸電動機(jī)拖動托板運(yùn)動的距離為hi，事先標(biāo)定好的2個測針之間的距離為H，則xi點(diǎn)所在的截面的直徑Φi為

Φi=H-hi，

(4)

則xi點(diǎn)所在截面的直徑的實際測量值與理論值之間的差值為Ci=Φi-φi，該差值將作為機(jī)床下一步工作的重要依據(jù)。

5 檢測程序

在線檢測技術(shù)能否準(zhǔn)確實現(xiàn)的關(guān)鍵主要體現(xiàn)在檢測程序的編制上，檢測程序編制質(zhì)量直接影響到檢測效果的好壞[4]。根據(jù)雷尼紹廠商提供的工具測量軟件，結(jié)合深圳固高公司的運(yùn)動控制器編程語法，在Windows XP操作環(huán)境下運(yùn)用VC++開發(fā)了專用的測量軟件。該測量程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和鍵盤中斷子程序等。軟件總流程圖如圖6所示。

基于固高運(yùn)動控制器編程語法的檢測子程序部分程序段如下：

#CETOU 標(biāo)號

SP 2000 初始速度

BGY Y軸運(yùn)動

AI 1 1#停止脈沖

APY 查詢并報告Y軸位置

圖6 軟件總體流程圖

PRY -2000 Y軸反向運(yùn)動

AI 2 2#停止脈沖

APY 查詢并報告Y軸位置

……

EN 結(jié)束

6 結(jié)束語

目前，上述滾子磨削加工機(jī)床已完成了論證和設(shè)計工作，正處于樣機(jī)的生產(chǎn)和調(diào)試階段。若能實現(xiàn)數(shù)控軸承滾子磨床加工過程的在線檢測，將減少工件的裝夾次數(shù)，既能保證磨削加工的精度，又可擴(kuò)大數(shù)控磨削機(jī)床的功能，改善機(jī)床的性能及工作效率，降低工人的勞動強(qiáng)度，對提高國產(chǎn)鐵路軸承滾子的整體品質(zhì)也有一定的現(xiàn)實意義。