江純清，劉金秀，熊子健，姬惠立

（1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng)471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039）

圓度、波紋度是軸類及軸承零件的主要參數(shù)，圓度誤差的存在直接影響軸與軸承的配合精度、旋轉(zhuǎn)精度、摩擦、振動(dòng)和噪聲等，使得整機(jī)的振動(dòng)、噪聲、潤(rùn)滑及密封受到影響，進(jìn)而影響到整機(jī)的精度、噪聲和使用壽命。

Y9030D型通用圓度測(cè)量?jī)x是依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)［1］，以精密氣浮主軸為基準(zhǔn)，采用計(jì)算機(jī)控制、測(cè)量的轉(zhuǎn)臺(tái)式圓度測(cè)量?jī)x，可用于軸類及軸承零件的圓度、波紋度等參數(shù)的精密測(cè)量。

1 工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)

Y9030D采用半徑法測(cè)量原理，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)方式。工件放置在與空氣主軸軸線相對(duì)垂直的調(diào)平調(diào)心工作臺(tái)上，位移傳感器固定在可X，Y向移動(dòng)的精密直線導(dǎo)軌上，移動(dòng)測(cè)頭接觸工件，調(diào)整工作臺(tái)使工件回轉(zhuǎn)中心與主軸回轉(zhuǎn)中心基本重合，工件隨主軸帶動(dòng)的工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，傳感器在工件被測(cè)截面測(cè)量工件的半徑變化量，通過(guò)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理，計(jì)算并顯示出工件圓度、波紋度等參數(shù)。儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Y9030D結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of Y9030D

Y9030D的主要技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)量參數(shù)為圓度和波紋度；主軸誤差（徑向精度）±0.025μm；系統(tǒng)綜合精度0.06μm；波段范圍為（1～15）UPR，（1～50）UPR，（1～150）UPR，（1～500）UPR，（1～1 500）UPR，（15～500）UPR和（15～1 500）UPR；評(píng)定方法采用最小二乘圓、最小區(qū)域圓、最大內(nèi)接圓及最小外切圓；軸向載荷500 N；主軸轉(zhuǎn)速2～6 r/min內(nèi)有級(jí)可調(diào)；測(cè)量范圍為φ5～300 mm，最大高度為400 mm。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 高精度氣浮主軸的設(shè)計(jì)

高精度主軸是半徑法圓度儀的核心部件，作為測(cè)量的定位基準(zhǔn)，其旋轉(zhuǎn)精度應(yīng)優(yōu)于0.06μm。因此，以靜壓空氣主軸［2-3］為基礎(chǔ)，在保證設(shè)計(jì)精度的同時(shí)，針對(duì)主軸軸向承載較大（500 N）的特點(diǎn)，改進(jìn)了主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的主軸結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用了雙止推結(jié)構(gòu)，保證了適當(dāng)?shù)妮S向間隙和徑向間隙，并設(shè)計(jì)了合理的節(jié)流孔排布形式和尺寸。

圖2 主軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of spindle

2.2 調(diào)平調(diào)心工作臺(tái)

調(diào)平調(diào)心工作臺(tái)是一種浮動(dòng)式工作臺(tái)，用于調(diào)整被測(cè)工件的狀態(tài)。調(diào)平是將回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的工作面調(diào)整至與空氣主軸的回轉(zhuǎn)軸線垂直，調(diào)心則是將被測(cè)工件的幾何中心調(diào)整至與空氣主軸回轉(zhuǎn)軸線重合，其原理如圖3所示。

圖3 調(diào)平調(diào)心工作臺(tái)Fig.3 Centring and leveling worktable

調(diào)平調(diào)心工作臺(tái)由主工作盤、浮動(dòng)工作盤和定位工作盤等3塊圓形工作盤通過(guò)1個(gè)球冠和3排鋼球組合而成。主工作盤和浮動(dòng)工作盤用SR75球冠支承，浮動(dòng)工作盤和定位工作盤通過(guò)三排φ12 mm的鋼球支承，3塊工作盤之間的可調(diào)整量由7根彈簧實(shí)現(xiàn)，并由調(diào)整限位塊防止互相脫離。

調(diào)平時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)平旋鈕，與主工作盤相對(duì)固定的球冠在浮動(dòng)工作盤中旋轉(zhuǎn)，主工作盤臺(tái)面發(fā)生傾斜，通過(guò)2個(gè)相對(duì)垂直的調(diào)平旋鈕實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的調(diào)平功能。調(diào)心時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)心旋鈕，浮動(dòng)工作盤通過(guò)鋼球在定位工作盤上平行移動(dòng)，帶動(dòng)主工作盤沿與回轉(zhuǎn)軸線垂直的方向移動(dòng)，通過(guò)2個(gè)相對(duì)垂直的調(diào)心旋鈕實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的調(diào)心功能。

2.3 低振動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

高精度空氣主軸的驅(qū)動(dòng)是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，由于空氣主軸的特性，其抗附加力矩的能力較差，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)自身振動(dòng)產(chǎn)生的影響，并選用合適的柔性聯(lián)軸節(jié)。因此，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選用專用的小型、高輸出功率、高效率的無(wú)刷調(diào)速電動(dòng)機(jī)，其運(yùn)行噪聲小、振動(dòng)低且為閉環(huán)控制，速度變動(dòng)率低至±0.2%，測(cè)量過(guò)程中的速度穩(wěn)定性好，運(yùn)行平穩(wěn)；連接方式采用非接觸的永磁式連接方式，具有軟啟動(dòng)、隔振效果好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；此外，在機(jī)架上采用了效果良好的氣墊式減振方法，降低了環(huán)境振動(dòng)對(duì)儀器的影響，提高了儀器的測(cè)量精度。

2.4 直線導(dǎo)軌平移臺(tái)

Y9030D采用了專用的防塵電動(dòng)平移臺(tái)。平移臺(tái)采用精密直線導(dǎo)軌（方導(dǎo)軌）結(jié)構(gòu)，精密滾珠絲杠推進(jìn)，導(dǎo)程2 mm，整步分辨率25μm，重復(fù)定位精度±1μm，運(yùn)動(dòng)直線度2μm/400 mm，兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直線導(dǎo)軌可自動(dòng)消除間隙，移動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，靜止?fàn)顟B(tài)穩(wěn)定性好，保證傳感器在測(cè)量過(guò)程中的基準(zhǔn)穩(wěn)定可靠。

3 電氣及軟件設(shè)計(jì)

3.1 電氣控制原理

電氣部分硬件由電感式位移傳感器及信號(hào)調(diào)理電路、主軸電動(dòng)機(jī)及其控制電路、I/O接口、多功能數(shù)據(jù)采集卡、圓光柵編碼器、雙軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、限位及接口電路、運(yùn)動(dòng)控制卡和計(jì)算機(jī)組成，電氣控制框圖如圖4所示。

圖4 電氣控制框圖Fig.4 Diagram of electrical control section

Y9030D采用計(jì)算機(jī)作為中央處理單元及控制中心，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)控制、位移信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示、存儲(chǔ)、打印等功能。計(jì)算機(jī)利用分體式圓光柵編碼器產(chǎn)生的每轉(zhuǎn)2 048的脈沖信號(hào)，同步記錄與位移傳感器信號(hào)相對(duì)應(yīng)的圓周方向角度信號(hào)。多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-9111DG具有16路單端模擬量輸入12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率100 kHz，共32路I/O。運(yùn)動(dòng)控制選用DMC2210 PCI總線2軸運(yùn)動(dòng)控制卡。硬件電路集成度高、穩(wěn)定性好，保證了儀器的測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，符合現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器的智能化發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 高精度電感測(cè)頭及信號(hào)調(diào)理電路

低噪聲信號(hào)的采集是精密測(cè)量的基礎(chǔ)。位移傳感器采用了自制的加長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)差動(dòng)電感式旁向傳感器，重復(fù)誤差0.05μm，量程±0.5 mm。信號(hào)調(diào)理電路選用AD698線性位移差分傳感器（LVDT）專用芯片［4］作為測(cè)量電路的核心芯片，其自身集成了內(nèi)部振蕩器、相位解調(diào)器、初級(jí)放大器和輔助放大器，原理框圖如圖5所示。

圖5 AD698原理框圖Fig.5 Functional block diagram

在電路設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵元件選用了低噪聲、低溫漂的元器件。調(diào)理電路向傳感器提供正弦波激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)頻率和激勵(lì)電壓幅值的選取考慮了傳感器的特性，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后將激勵(lì)電壓定為3 Vrms，頻率定為12 kHz，頻率精度高于±0.9%。信號(hào)的初級(jí)放大器及鑒相電路直接利用了AD698芯片內(nèi)置的高穩(wěn)定性電路，其中初級(jí)放大器的增益誤差小于±1.0%FS，二級(jí)放大器及多量程通道設(shè)計(jì)了2節(jié)無(wú)限增益多端反饋（MFB）切比雪夫低通濾波器［5］。電路具有集成度高、噪聲小、靈敏度及分辨率高、線性度好、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)，可滿足高精度測(cè)量的需要。

3.3 運(yùn)動(dòng)控制

控制電路選用的DMC2210［6］是一款基于PCI總線、以ASIC為核心的性能優(yōu)越、功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制卡。設(shè)計(jì)中應(yīng)用LabWindows/CVI編程工具，通過(guò)板卡提供的適用于Windows操作系統(tǒng)的DLL函數(shù)庫(kù)進(jìn)行編程，用其控制低噪聲數(shù)字式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)X，Y軸兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制安裝在平移臺(tái)上傳感器的測(cè)量位置。導(dǎo)軌兩端安裝有光電式限位檢測(cè)開(kāi)關(guān)，限位信號(hào)接入運(yùn)動(dòng)控制卡，防止運(yùn)動(dòng)超量程。圓光柵A/B相正交編碼器信號(hào)接至運(yùn)動(dòng)控制卡的28位二進(jìn)制正/反位置計(jì)數(shù)器輸入端口，用于檢測(cè)工作盤的旋轉(zhuǎn)角度。

3.4 基于Windows的專用測(cè)量分析軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)、儀器和信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力與硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)智能儀器的數(shù)據(jù)采集、分析處理、顯示和存儲(chǔ)功能。Y9030D的軟件設(shè)計(jì)采用LabWindows/CVI虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)［7-8］，開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上，程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Flow chart of program

儀器的顯示界面如圖7所示，分為參數(shù)設(shè)置、測(cè)量控制、數(shù)據(jù)和圖形顯示、諧波分析、斜率分析、數(shù)據(jù)保存與打印等模塊?？娠@示各個(gè)濾波段的圓度值、偏心、偏心角度、最大諧波及其幅值，也可選擇需要計(jì)算的參數(shù)、濾波范圍、評(píng)定方法（最小二乘圓、最小區(qū)域圓、最小外接圓、最大內(nèi)切圓）、圖形放大倍數(shù)等。

圖7 儀器顯示界面Fig.7 Interface of instrument

除主要圓度測(cè)量功能外，諧波分析可給出構(gòu)成工件輪廓曲線圓度波紋度各個(gè)諧波成分的幅度數(shù)值，指導(dǎo)用戶改進(jìn)加工工藝；斜率分析可對(duì)代表被測(cè)工件輪廓圖形的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分，給出被測(cè)工件輪廓曲線相對(duì)不同分析窗口的變化率。斜率分析的工程意義在于：相同的圓度波紋度值，若斜率值不同，則較大斜率值的被測(cè)工件在滾動(dòng)軸承中引起的振動(dòng)較大。

4 實(shí)際應(yīng)用

出廠前按公司圓度儀檢驗(yàn)規(guī)程對(duì)Y9030D進(jìn)行了測(cè)試，主要檢驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表1，由表可知，Y9030D的各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。另外，經(jīng)過(guò)一年多的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用，Y9030D的測(cè)量精度完全滿足用戶要求，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

表1 出廠檢驗(yàn)報(bào)告Tab.1 Factory inspection report

Y9030D屬于低速、通用型圓度測(cè)量?jī)x，測(cè)量精度高，操作方便，應(yīng)用范圍廣，目前已形成Y90xxD系列產(chǎn)品，可推廣應(yīng)用于汽車、機(jī)床、航空航天等精密機(jī)械制造企業(yè)以及大專院校、科研院所、計(jì)量單位等研究機(jī)構(gòu)。