何貞志，周 坪，邵明輝，胡寧寧

(1.江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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圓錐滾子直徑自動(dòng)測(cè)量分組系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

何貞志1，周 坪2，邵明輝1，胡寧寧1

(1.江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

文章介紹了研制的一種圓錐滾子直徑自動(dòng)測(cè)量分組系統(tǒng)。包括機(jī)械裝置和測(cè)控系統(tǒng)，其中機(jī)械裝置由加載機(jī)構(gòu)、傳感器測(cè)量機(jī)構(gòu)和滾子定位機(jī)構(gòu)等組成，測(cè)控系統(tǒng)由電感位移傳感器、PLC和觸摸屏等組成。使用一對(duì)電感位移傳感器差動(dòng)測(cè)量滾子直徑方向上兩點(diǎn)的位移變化，經(jīng)過(guò)PLC分析處理，得到測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行直徑分組，同時(shí)在觸摸屏上顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量分組系統(tǒng)的測(cè)量精度達(dá)到了±0.5μm，能夠?qū)崿F(xiàn)圓錐滾子直徑的快速精準(zhǔn)測(cè)量和不同公差滾子的分組，滿(mǎn)足圓錐滾子直徑自動(dòng)測(cè)量分組的要求。

圓錐滾子；直徑測(cè)量；滾子分組；電感位移傳感器；差動(dòng)測(cè)量

0 引言

圓錐滾子是圓錐滾子軸承的重要組成部分之一，其質(zhì)量決定了軸承的性能[1]。一套軸承有多個(gè)圓錐滾子，圓錐滾子間的直徑尺寸差異會(huì)使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)只有少數(shù)幾個(gè)滾子承受摩擦作用。這樣不僅會(huì)影響軸承的游隙和旋轉(zhuǎn)精度、摩擦力矩、振動(dòng)和噪聲，而且會(huì)使軸承承載能力大大降低，滾動(dòng)接觸面應(yīng)力增大，從而降低了軸承的使用壽命[2]。直徑是圓錐滾子的主要精度指標(biāo)之一，當(dāng)前精密機(jī)械加工業(yè)仍然難以保證同一批次的圓錐滾子直徑的精度完全一致。在不增加圓錐滾子加工難度的條件下，要保證軸承的良好的使用性能，軸承裝配通常采取分組配套裝配的方法[3-4]。

軸承的分組配套裝配是軸承裝配過(guò)程中一個(gè)非常重要的工序環(huán)節(jié)，先將軸承內(nèi)圈、外圈的滾道直徑按照一定的尺寸公差分成若干組，之后再將滾動(dòng)體直徑按照尺寸公差進(jìn)行相應(yīng)的分組，最后，根據(jù)內(nèi)、外套圈的溝道直徑，選擇某一組的滾動(dòng)體進(jìn)行裝配，從而保證配合精度，使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)正常，發(fā)揮最優(yōu)的使用效能[5-6]。圓錐滾子直徑的測(cè)量分選是軸承分組裝配過(guò)程中一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)，將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

目前，在我國(guó)不少中小型廠家的圓錐滾子的直徑測(cè)量還停留在手工抽檢測(cè)量的階段，采用D743或者D744圓錐滾子測(cè)量?jī)x進(jìn)行直徑測(cè)量，部分廠家采用機(jī)械式自動(dòng)測(cè)量分組設(shè)備或電氣式自動(dòng)測(cè)量分組設(shè)備。這些分組設(shè)備基本是采用臥式測(cè)量方法，利用圓錐滾子的大端面和滾子錐面定位，采用單個(gè)傳感器接觸式測(cè)量的。以上測(cè)量方法由于使用滾子錐面和大端面進(jìn)行定位，測(cè)量結(jié)果中易引入錐角誤差[7-8]。

為了解決上述測(cè)量方法的不足，提高測(cè)量精度，文章設(shè)計(jì)了一種基于立式測(cè)量方式的圓錐滾子直徑自動(dòng)測(cè)量分組系統(tǒng)，以圓錐滾子大端球基面為定位基準(zhǔn)，避免了臥式測(cè)量引入的錐角誤差和人為分組時(shí)的干擾因素。本系統(tǒng)的測(cè)量精度達(dá)到了±0.5μm，提高了滾子分組精度和軸承的使用性能。

1 測(cè)量原理與系統(tǒng)方案

1.1 測(cè)量原理

在對(duì)圓錐滾子的直徑進(jìn)行測(cè)量前，應(yīng)對(duì)滾子進(jìn)行準(zhǔn)確地定位，定位的精度直接影響測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度。滾子大端球基面是圓錐滾子的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和加工基準(zhǔn)，根據(jù)技術(shù)測(cè)量中的基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，各種基準(zhǔn)原則上應(yīng)該一致，這樣可以提高測(cè)量結(jié)果的精確度及可靠性。所以，選擇圓錐滾子大端球基面作為測(cè)量基準(zhǔn)面；此外，為了消除圓錐滾子錐角對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，選擇立式測(cè)量方式為圓錐滾子測(cè)量方式。

圓錐滾子的定位方案如圖1所示，將待測(cè)滾子豎直放置在定位底座上，大端在下，小端在上，以滾子的球基面作為測(cè)量定位基準(zhǔn)面，同時(shí)在定位套筒上施加上載荷以對(duì)滾子扶正、定心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滾子的定位。

圖1 定位及測(cè)量方案示意圖

對(duì)于單一圓錐滾子，采取一對(duì)傳感器差動(dòng)方式測(cè)量固定截面處的直徑值，測(cè)量方法示意如圖1所示。兩個(gè)電感位移傳感器分別測(cè)量滾子直徑方向上兩點(diǎn)的位移變化，其差動(dòng)測(cè)量結(jié)果即為待測(cè)滾子直徑與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值。由于滾子的形狀特點(diǎn)，所取截面不同，直徑也不同，一般取滾子長(zhǎng)度中部的徑向平面測(cè)得的直徑值作為該滾子的直徑測(cè)量值[9]。

在對(duì)待測(cè)滾子開(kāi)始測(cè)量之前，需要對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，即系統(tǒng)零位調(diào)整，其校準(zhǔn)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)件直徑測(cè)量結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)值)。本測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法為：根據(jù)滾子定位和測(cè)量方法，使用標(biāo)準(zhǔn)圓柱體調(diào)整測(cè)量系統(tǒng)的零點(diǎn)位置，并將結(jié)果保存，作為后續(xù)測(cè)量結(jié)果的基準(zhǔn)值(標(biāo)準(zhǔn)值)。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體的直徑為d，傳感器1測(cè)量值為d1，傳感器2測(cè)量值為d2，則校準(zhǔn)結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)值)d0可表示為：

d0=d-(d1+d2)

(1)

當(dāng)測(cè)量待測(cè)滾子時(shí)，若傳感器1的測(cè)量值為D1，傳感器2測(cè)量值為D2，則該待測(cè)滾子的實(shí)際直徑D可表示為：

D=(D1+D2)+d0=(D1+D2)+d-(d1+d2)

(2)

1.2 系統(tǒng)方案

圓錐滾子直徑測(cè)量分組系統(tǒng)由機(jī)械裝置和測(cè)控系統(tǒng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。機(jī)械裝置主要包括滾子定位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)加載機(jī)構(gòu)和傳感器測(cè)量機(jī)構(gòu)等，測(cè)控系統(tǒng)主要包括PLC和觸摸屏等，磁性開(kāi)關(guān)檢測(cè)氣缸活塞的位置、位移傳感器檢測(cè)圓錐滾子的直徑，其信號(hào)由PLC采集并處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械裝置的控制和對(duì)滾子直徑的檢測(cè)。

圖2 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖

2 機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由滾子定位機(jī)構(gòu)、傳感器測(cè)量機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)加載機(jī)構(gòu)等組成。滾子定位機(jī)構(gòu)包括定位套筒、直線(xiàn)軸承、彈簧和定位座，來(lái)保證測(cè)量時(shí)滾子的可靠定位；傳感器測(cè)量機(jī)構(gòu)包括左撓性規(guī)和右撓性規(guī)，固定在固定架上，來(lái)保證傳感器相對(duì)滾子的位置，同時(shí)固定測(cè)量頭，保證測(cè)量時(shí)測(cè)量頭所測(cè)位置的穩(wěn)定性；驅(qū)動(dòng)加載機(jī)構(gòu)將傳感器運(yùn)送到滾子的測(cè)量位置，確保測(cè)量位置的穩(wěn)定不變和運(yùn)動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性，主要包括測(cè)量缸、限位塊和直線(xiàn)導(dǎo)軌等，其中限位塊的作用為固定圓錐滾子的測(cè)量截面位置。

1.測(cè)量缸 2.連接器 3.防轉(zhuǎn)塊 4.固定架 5.直線(xiàn)軸承 6.導(dǎo)桿 7.彈簧 8.定位套筒 9.待測(cè)滾子10.定位座 11.底座 12.限位塊 13.直線(xiàn)導(dǎo)軌 14.左撓性規(guī) 15.右撓性規(guī) 16.支架

圖3 機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)圖

撓性規(guī)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中位移傳感器穿過(guò)右簧片固定在固定架上，并與移動(dòng)架接觸。其工作原理為：在探桿前端的探頭沿滾子直徑方向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，其位移的變動(dòng)帶動(dòng)移動(dòng)架位移的變動(dòng)，從而引起位移傳感器測(cè)量值的變化，移動(dòng)架可在簧片的作用下復(fù)位。左、右撓性規(guī)上的電感位移傳感器分別測(cè)量得到滾子直徑方向上兩點(diǎn)的位移變化，其差動(dòng)測(cè)量結(jié)果即為待測(cè)滾子直徑與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值。

1.固定架 2.移動(dòng)架 3.左簧片 4.探桿 5.探頭 6.右簧片 7.位移傳感器

圖4 撓性規(guī)結(jié)構(gòu)圖

3 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分，包括PLC、開(kāi)關(guān)、傳感器、信號(hào)處理模塊SI200和觸摸屏等，完成運(yùn)動(dòng)控制和直徑測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；軟件部分，由PLC控制整個(gè)系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算、動(dòng)作順序、動(dòng)作時(shí)間和采樣頻率等，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)處理等。

3.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。使用兩個(gè)傳感器差動(dòng)測(cè)量滾子固定截面的直徑值，由信號(hào)處理模塊SI200預(yù)處理、A/D變換后輸出數(shù)字量；PLC通過(guò)RS232接口與SI200通訊，讀取測(cè)量結(jié)果，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到直徑值、直徑分組結(jié)果、統(tǒng)計(jì)信息等；觸摸屏與PLC間基于RS232通訊，獲取PLC的測(cè)量及分析結(jié)果并顯示，同時(shí)發(fā)送控制信號(hào)給PLC，控制程序的運(yùn)行。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)軟件分為動(dòng)作控制和數(shù)據(jù)采集處理兩部分。其系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

動(dòng)作控制程序主要由PLC實(shí)現(xiàn)，其工作過(guò)程為：

(1)初始狀態(tài)：測(cè)量缸處于原位，校準(zhǔn)操作時(shí)觸摸屏處于標(biāo)定界面，測(cè)量操作時(shí)觸摸屏處于測(cè)量分組界面；

(2)滾子定位：將滾子大端朝下放在定位底座上，啟動(dòng)系統(tǒng)，測(cè)量缸伸出，定位套筒接觸滾子小端，完成定位；

(3)測(cè)量過(guò)程：定位套筒接觸滾子小端，測(cè)量缸繼續(xù)伸出加載，彈簧被壓縮，探頭沿滾子直徑方向向下運(yùn)動(dòng)，直到傳感器固定架接觸到限位塊，此時(shí)啟動(dòng)采樣；

(4)復(fù)位過(guò)程：測(cè)量結(jié)束后，測(cè)量缸退回，同時(shí)定位套筒離開(kāi)滾子小端，系統(tǒng)復(fù)位。

數(shù)據(jù)采集處理程序由PLC和觸摸屏共同完成。當(dāng)測(cè)量準(zhǔn)備好后，PLC通過(guò)RS232接口與SI200通訊，讀取傳感器的測(cè)量結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析、計(jì)算，將結(jié)果輸出(包括滾子直徑值和分組結(jié)果)，并發(fā)送到觸摸屏顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)量分組系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。由于滾子的分組間隔是根據(jù)測(cè)量精度而定的，所以系統(tǒng)的測(cè)量精度越高，分組精度也就越高，軸承的機(jī)械性能就越好。

圖7 測(cè)量分組系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

下面為驗(yàn)證測(cè)量分組系統(tǒng)的測(cè)量精度，進(jìn)行了重復(fù)性精度試驗(yàn)。以某型號(hào)圓錐滾子為例，分別采用圖8所示基于臥式測(cè)量方式的測(cè)量?jī)x和圖7所示基于立式測(cè)量方式的測(cè)量分組系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，重復(fù)測(cè)量20次，得到待測(cè)滾子固定截面的相對(duì)直徑變動(dòng)量。測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖8 臥式測(cè)量

圖9 測(cè)量結(jié)果

可得測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值為：

(3)

其中，xi為各次測(cè)量結(jié)果，n為測(cè)量次數(shù)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算得到測(cè)量列單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差為：

(4)

取顯著度α=0.05，測(cè)量列單次測(cè)量的極限誤差為[10]：

(5)

根據(jù)式(3)～式(5)得到的兩種測(cè)量的分析結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量及分析結(jié)果

由分析可知，所設(shè)計(jì)的基于立式測(cè)量方式的測(cè)量分組系統(tǒng)滿(mǎn)足±0.5μm的精度要求，高于基于臥式測(cè)量方式的測(cè)量?jī)x。進(jìn)一步的，更高的分組精度使軸承獲得更好的機(jī)械性能。

5 總結(jié)

文章針對(duì)現(xiàn)有圓錐滾子直徑測(cè)量方法的不足，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一種基于兩點(diǎn)式雙傳感器差動(dòng)測(cè)量方式的圓錐滾子直徑自動(dòng)測(cè)量分組系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的測(cè)量方法，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了重復(fù)性精度試驗(yàn)。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于立式測(cè)量方式的測(cè)量分組系統(tǒng)滿(mǎn)足±0.5μm的測(cè)量精度要求，且系統(tǒng)的自動(dòng)分組功能可減少人為因素引起的錯(cuò)誤分組。圓錐滾子直徑自動(dòng)測(cè)量分組系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為滾子直徑測(cè)量和分組提供了依據(jù)，目前該系統(tǒng)已在相關(guān)企業(yè)得到了良好應(yīng)用。

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(編輯 李秀敏)

Design of Automatic Measurement and Grouping System for the Diameter of Tapered Roller Bearing

HE Zhen-zhi1，ZHOU Ping2，SHAO Ming-hui1，HU Ning-ning1

(1.School of Mechanical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou Jiangsu 221116,China;2.School of Mechanical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116,China)

An automatic measurement and grouping system for the diameter of tapered roller was presented in this paper, which includes mechanism device and control system. The mechanism device is consisted of load mechanism, measuring mechanism using sensors and roller positioning mechanism. The control system is made up of inductive displacement sensors, PLC, touch screen and so on. A pair of inductance displacement sensors is used to differentially measure the displacement changes of two points in the direction of diameter. Meanwhile, the measurement results including the diameters grouping results would be displayed on the touch screen after being analyzed by PLC. Experimental results showed that the system measuring accuracy can reach ±0.5μm, which realized both the fast and accurate diameters measurement and group division of tapered rollers and satisfied the requirement of automatic measurement and grouping.

tapered roller；diameter measurement；roller grouping；inductive displacement sensor; differential measurement

1001-2265(2016)10-0095-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.025

2016-06-14；

2016-07-15

國(guó)家自然科學(xué)基金-青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51505201)；江蘇師范大學(xué)校科研基金項(xiàng)(14XLR023)

何貞志(1982—)，男，江蘇徐州人，江蘇師范大學(xué)講師，博士，研究方向?yàn)檩S承振動(dòng)機(jī)理、信號(hào)分析，(E-mail)hezz82@163com；通訊作者：周坪(1992—)，男，重慶人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化，(E-mail)1147001926@qq.com。

TH122；TG65

A