王自力

摘要：圓度誤差實(shí)際上屬于滾動(dòng)軸承表面工作重要質(zhì)量指標(biāo)，會(huì)在一定程度上影響軸承的動(dòng)態(tài)性能和工作精度。為了可以有效地提高整體質(zhì)量，需要適當(dāng)控制設(shè)計(jì)和測(cè)量的精度和圓度。基于此，文章研究了精密軸承鋼球圓度測(cè)量誤差分離技術(shù)。

關(guān)鍵詞：精密軸承；鋼球圓度測(cè)量；誤差分離技術(shù)；滾動(dòng)軸承；動(dòng)態(tài)性能；工作精度 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH711 文章編號(hào)：1009-2374（2016）01-0017-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.009

現(xiàn)階段，石油化工、精密機(jī)床、航空航天、軍事國防等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用精密軸承，滾動(dòng)軸承的關(guān)鍵部件就是鋼球，測(cè)量誤差與一致性會(huì)在很大程度上影響精密軸承的使用壽命和運(yùn)動(dòng)精度，促進(jìn)測(cè)量誤差分離技術(shù)的發(fā)展，提高軸承精度。

1 基本概述

實(shí)際測(cè)量鋼球球形誤差的時(shí)候需要使用圓度儀，合理的測(cè)量球體中三個(gè)相互成90°平面赤道圓度誤差，在進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候需要在圓度儀主軸上放置鋼球，需要隨著主軸進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，利用測(cè)出的球體最小和最大半徑來測(cè)量出截面實(shí)際圓度誤差。但是在使用這種方式進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，已經(jīng)具有納米級(jí)的圓度儀精度，主軸旋轉(zhuǎn)精度在±25m，處于相同數(shù)量級(jí)的精度，因此，使得主軸回轉(zhuǎn)誤差會(huì)在一定程度上影響精密軸承鋼球測(cè)量精度，所以需要利用圓度儀分離技術(shù)來盡可能降低誤差。利用這種誤差分離技術(shù)來測(cè)量精密鋼球圓度誤差的主要思路實(shí)際上就是，被測(cè)球體輪廓具有不變的特征，在處理傳感器輸出信號(hào)的時(shí)候需要利用數(shù)學(xué)算法，最后分離各種信號(hào)，以便于能夠得到實(shí)際需要的測(cè)量誤差。依據(jù)不同回轉(zhuǎn)對(duì)象和傳感器數(shù)目，可以把測(cè)量圓度分析技術(shù)分為多點(diǎn)法和多步法。多步法主要就是應(yīng)用傳感器，需要最大限度降低諧波以及提高轉(zhuǎn)位次數(shù)。多點(diǎn)法主要就是利用多傳感器來測(cè)量工件，處理多組采樣數(shù)據(jù)，以此來合理分離回轉(zhuǎn)主軸回轉(zhuǎn)，比較適合運(yùn)用在線測(cè)量的方式。最基本的多點(diǎn)法就是三點(diǎn)法，可以利用改變輸出信號(hào)和增減傳感器數(shù)量的方式等衍生出四點(diǎn)法、三點(diǎn)法、直徑變動(dòng)以及混合法的分離技術(shù)。

2 三點(diǎn)法的特點(diǎn)以及演化形式

2.1 三點(diǎn)法

三點(diǎn)法基本原理如圖1所示。三點(diǎn)法不但能夠分離圓度儀主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差和鋼球圓度形狀誤差，還可以進(jìn)行在線測(cè)量。但是此方法仍是存在相應(yīng)問題和不足，如果出現(xiàn)一定的諧波抑制問題，就會(huì)導(dǎo)致沒有辦法分離圓度誤差，所以在使用這種方式時(shí)，需要充分分析各種諧波系數(shù)、靈敏度以及安裝傳感器角度，選擇適當(dāng)?shù)臋?quán)函數(shù)。依據(jù)測(cè)量輪廓具有周期性和不變的幾何特征，需要合理修改三點(diǎn)法，形成相應(yīng)的矩陣算法。使用這種方式進(jìn)行測(cè)量的方式，不需變換傳感器輸出信號(hào)，直接構(gòu)建并且需要得到權(quán)函數(shù)系數(shù)，就可以分離出鋼球赤道截面和主軸回轉(zhuǎn)誤差最小二乘圓心偏心誤差。

圖1 三點(diǎn)法原理

2.2 序列三點(diǎn)法

序列三點(diǎn)法主要就是順序排列三個(gè)傳感器，并且具有相等的兩兩安裝夾角，當(dāng)已經(jīng)知道其中兩個(gè)輸出采樣點(diǎn)數(shù)值的時(shí)候，需要進(jìn)行一定的迭代，從而形成新的計(jì)算方式。利用序列三點(diǎn)法測(cè)量圓度誤差的時(shí)候，需要保證具有相同的安裝傳感器角度和采樣點(diǎn)間隔，不然就不能進(jìn)行有效大量的數(shù)據(jù)采集，且會(huì)適當(dāng)限制采集圓度輪廓信號(hào)。

2.3 平行三點(diǎn)法

傳統(tǒng)三點(diǎn)測(cè)量方式需要依據(jù)相應(yīng)角度來合理布置傳感器環(huán)繞鋼球的位置，不但要保證安裝傳感器角度的精度，還要保證各種傳感器方向指向赤道圓心，從而在一定程度上提高操作難度。因此，經(jīng)過分析和改進(jìn)，研制出了平行三點(diǎn)法，需要平行布置三個(gè)傳感器，利用平行軸和回轉(zhuǎn)臺(tái)直線基準(zhǔn)定位尺寸，可以適當(dāng)提高測(cè)試的實(shí)用性和靈活性。測(cè)量設(shè)備傳感器初始調(diào)零誤差、標(biāo)定誤差、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及傳感器隨機(jī)誤差會(huì)在很大程度上影響分離技術(shù)的實(shí)際精度。利用這種方式測(cè)量誤差的時(shí)候，只有把因?yàn)閭鞲衅鏖g距誤差導(dǎo)致角度變化合理控制在0.1°范圍內(nèi)，才能降低分離精度間距誤差。此外，為了保證具有比較高的分離形狀誤差，需要最大限度增加和諧波分量噪音比。

2.4 動(dòng)態(tài)三點(diǎn)誤差

依據(jù)被測(cè)圓截面和傳感器運(yùn)動(dòng)誤差關(guān)系，經(jīng)過大量研究和分析，提出動(dòng)態(tài)測(cè)量模型法分離技術(shù)誤差方式。在使用這種方式測(cè)量圓度誤差的過程中，測(cè)量基準(zhǔn)就是需要在鋼球界面標(biāo)記磁性金屬標(biāo)記，依據(jù)此來確定角度值和周期采樣點(diǎn)。測(cè)試的時(shí)候使用40mm圓截面，如果具有200r/min的回轉(zhuǎn)速度，具有2000Hz采樣頻率，能夠得到測(cè)試精確角度，此時(shí)進(jìn)行分離能夠得到41.85m，相比較測(cè)量結(jié)果相差圓度儀0.48m。

2.5 四點(diǎn)法

相比較傳統(tǒng)的三點(diǎn)測(cè)量方式，四點(diǎn)法分離技術(shù)能夠適當(dāng)抑制諧波問題，但需要在三點(diǎn)法上合理添加傳感器，這種分離技術(shù)的主要本質(zhì)就是需要在系統(tǒng)測(cè)量圓度誤差的時(shí)候增加可以適當(dāng)調(diào)節(jié)權(quán)函數(shù)的附加變量。因?yàn)檫@種方式增加了諧波系數(shù)，所以能夠在一定程度上增加分離精度，需要適當(dāng)優(yōu)化四點(diǎn)法中的諧波系數(shù)，以此形成這一種最大組合方式的權(quán)函數(shù)，能夠盡可能地降低由于形狀誤差諧波。從三點(diǎn)法發(fā)展到四點(diǎn)法，能夠在很大程度上改善分離精度，但是不能通過增加傳感器數(shù)目來增加精度。此外，如果增加傳感器數(shù)目，會(huì)增加誤差標(biāo)定，因此也提高了調(diào)整和安全的難度。

2.6 混合法

傳統(tǒng)測(cè)量方式基本上使用的都是限位儀傳感器，在測(cè)量的時(shí)候很有可能造成噪音，影響分離精度。所以，在傳統(tǒng)三點(diǎn)法基礎(chǔ)上衍生了一種能夠測(cè)量高頻信號(hào)的分離方式，也就是混合法。主要應(yīng)用原理實(shí)際上就是在頻域三點(diǎn)法中利用一個(gè)線位傳感器、一個(gè)角位儀傳感器、一個(gè)線位儀傳感器來代替三個(gè)線位移傳感器。經(jīng)過實(shí)踐和分析可以發(fā)現(xiàn)，利用這種混合方式的分離技術(shù)來合理測(cè)量誤差的過程中，獲得的高頻信號(hào)與傳感器夾角沒有很大關(guān)系，并且不存在混合權(quán)函數(shù)零點(diǎn)，可以完全分離圓度誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差。

2.7 直徑變動(dòng)量法

當(dāng)擁有高精度球形精度的時(shí)候，圓度誤差與直徑變動(dòng)量具有類似的數(shù)值，為了能夠最大限度地簡化分離技術(shù)算法，并且最大程度降低損傷球體表面的程度，形成了一種直徑動(dòng)變量誤差分離技術(shù)，基本方式就是相隔180°放置相同的兩個(gè)光學(xué)位移傳感器，通過輸出兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)形成直徑變動(dòng)量誤差分離方程，從而能夠保留諧波分量，以便于能夠合理地分離出非同步誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差，從而得到等效圓度誤差。

3 結(jié)語

總而言之，在測(cè)量精密鋼球圓度誤差的時(shí)候，使用多點(diǎn)法進(jìn)行分析的過程中，基本上使用的都是離散采樣技術(shù)來采集鋼球赤道圓輪廓，形成以及合理計(jì)算誤差分離方程，從而得到主軸回轉(zhuǎn)誤差和鋼球圓度誤差。多點(diǎn)法測(cè)量圓度誤差分離技術(shù)的基本方式就是三點(diǎn)法，在使用的過程中，具有操作方便、精度高的特點(diǎn)，但是還是會(huì)存在一定的抑制諧波問題，所以需要進(jìn)行充分

分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 李帆，周芬芬，李興林，等.精密軸承鋼球圓度測(cè)量誤差分離技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].軸承，2015，（6）.

[2] 王小增，楊久紅，曾輝，等.大型軸承鋼球熱處理過程中瞬態(tài)溫度和應(yīng)力分布[J].熱加工工藝，2012，41（20）.

[3] 傅蔡安，華新鋒，王賢，等.基于Deform的軸承鋼球冷鐓工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2010，35（1）.

[4] 曹強(qiáng)，華林，錢東升，等.軸承鋼球毛坯熱斜軋成形過程數(shù)值模擬[J].軸承，2015，（1）.

[5] 梁華，王姍姍，仇亞軍，等.軸承鋼球表面缺陷分析方法[J].軸承，2013，（6）.

[6] 李國斌，李利歌.一種新型光電位移傳感器在Y-200圓度測(cè)量儀中的應(yīng)用[J].軸承，2010，（7）.

（責(zé)任編輯：周 瓊）