朱小會(huì)，吳紫君

(1.鄭州科技學(xué)院，河南鄭州 450064;2.華北水利水電大學(xué),河南鄭州 450046)

0 引言

軸承內(nèi)外圈質(zhì)量直接影響軸承的穩(wěn)定性以及可靠性。保證軸承質(zhì)量是保證系統(tǒng)性能的前提。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)軸承形廓質(zhì)量檢測(cè)方法以手工為主，部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化，其檢測(cè)效率低且檢測(cè)誤差較大。結(jié)合現(xiàn)有軸承形廓檢測(cè)方法，對(duì)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)方案進(jìn)行研究，確定采用非接觸式超聲波測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)外圈形廓自動(dòng)檢測(cè)[1]。

設(shè)計(jì)一種軸承形廓質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。采用超聲波測(cè)距方案，以TMS320F28377D為核心搭建基于多超聲波傳感器的檢測(cè)設(shè)備，并通過伺服控制器實(shí)現(xiàn)工件的多點(diǎn)測(cè)量。通過對(duì)軸承形廓內(nèi)外徑、高度的檢測(cè)及誤差分析完成對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證。

1 軸承檢測(cè)方法分析

1.1 形廓檢測(cè)原理

軸承形廓檢測(cè)主要為內(nèi)徑、外徑以及高度的檢測(cè)。根據(jù)超聲波時(shí)間差法測(cè)距原理完成軸承形廓的檢測(cè)[2]。其超聲波測(cè)距原理圖如圖1所示。

圖1 超聲波測(cè)距原理

圖1中發(fā)射端及接收端為超聲波傳感器的探頭，S為兩探頭之間的距離，L為超聲波傳感器至物體的距離，F(xiàn)為超聲波單程距離[3]。在使用超聲波測(cè)距過程中，因測(cè)距距離遠(yuǎn)，因此常忽略兩探頭之間的距離S，即L=F，但在軸承形廓質(zhì)量檢測(cè)中，超聲波測(cè)距是為獲取精度較高的軸承形廓的內(nèi)徑、外徑以及高度，因此根據(jù)測(cè)量距離及精度要求考慮圖1中夾角φ。故有：

(1)

L=F·cosφ

(2)

式中：c為傳播速度，c=340 m/s；t為發(fā)射信號(hào)到接收信號(hào)過程所用時(shí)間；φ根據(jù)超聲波傳感器的安裝位置，可得其為常量。

1.2 形廓自動(dòng)檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

軸承形廓檢測(cè)通過測(cè)距完成，以軸承高度測(cè)量為例，其測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 自動(dòng)檢測(cè)框圖

圖2為對(duì)工件高度自動(dòng)檢測(cè)原理圖，單點(diǎn)測(cè)高過程需要3個(gè)超聲波傳感器相互配合。TMS320F28377D芯片通過對(duì)時(shí)鐘信號(hào)控制來驅(qū)動(dòng)超聲波信號(hào)，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電路放大后驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射超聲波信號(hào)，其方向如圖2中虛線1所示。發(fā)射后的超聲波信號(hào)接觸到軸承工件后被反射，其被反射的回波信號(hào)被超聲波傳感器接收端接收，其方向如圖2中點(diǎn)虛線2所示，并經(jīng)過濾波放大后送至控制芯片TMS320F28377D處理，經(jīng)此完成一次測(cè)距過程[4]。通過測(cè)距可得L1、L2、L3的值。從而得到軸承工件的厚度h：

h=L1-L2-L3

(3)

其內(nèi)徑以及外徑檢測(cè)原理與之相同，根據(jù)傳感器安裝位置的不同獲取距離值，在經(jīng)計(jì)算獲取內(nèi)外徑尺寸。

傳感器位置的固定僅可完成單個(gè)位置點(diǎn)的測(cè)量，因此將工件放置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過工件的旋轉(zhuǎn)完成同一工件、同一參數(shù)的多個(gè)位置點(diǎn)的測(cè)量，其旋轉(zhuǎn)通過TMS320F28377D對(duì)伺服電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。因軸承內(nèi)外圈不同，可通過HMI設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)測(cè)量模式的選擇，HMI設(shè)備選用工業(yè)觸摸屏(MCGS)，其可完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，并可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)曲線等進(jìn)行顯示。系統(tǒng)結(jié)合工業(yè)計(jì)算機(jī)完成傳感器所采集信息的管理工作。

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，可將檢測(cè)系統(tǒng)分為超聲波檢測(cè)模塊、HMI監(jiān)控模塊以及伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)模塊。對(duì)其進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)可劃分?jǐn)?shù)據(jù)采集模塊，用于超聲波傳感器信號(hào)的檢測(cè)；RS485通訊模塊，實(shí)現(xiàn)主控芯片與HMI設(shè)備的通信；電機(jī)控制模塊，用于主控芯片與電機(jī)的連接，用于控制工件的旋轉(zhuǎn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射模塊由BD62222HEP橋驅(qū)動(dòng)芯片以及變壓器兩部分組成。BD62222HEP的FIN、RIN通過TXP40kHz及TXN40kHz與TMS320F28377D的PWM控制端連接，使BD62222HEP輸出端分別輸出占空比為50%和50%以及頻率為40 kHz的方波信號(hào)。電阻R03、R04與電容C01構(gòu)成低通濾波器，用于消除高頻噪聲信號(hào)。將具有一定功率的電信號(hào)送至T01變壓電路升壓，使產(chǎn)生的高壓激勵(lì)脈沖激勵(lì)換能器發(fā)射超聲波[5]。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路

2.1.2 超聲波接收電路

超聲波經(jīng)反射后，被探頭接收的電信號(hào)微弱，有時(shí)低至mA級(jí)，且摻雜干擾噪聲[6]。其接收電路由運(yùn)算放大器AD620及MCP6002構(gòu)成。其接收原理圖如圖4所示。

圖4 接收電路

圖4中，C31、C32與R316、R315組成高通濾波電路，其可對(duì)信號(hào)中的低頻以及直流信號(hào)進(jìn)行處理。R33可對(duì)AD620的增益進(jìn)行配置，該系統(tǒng)中，將其配置為100。MCP6002內(nèi)部含有2個(gè)運(yùn)算放大器，2個(gè)運(yùn)算放大器獨(dú)立工作，與外圍電阻、電容構(gòu)成巴特沃斯濾波器，2個(gè)巴特沃斯濾波器呈串聯(lián)狀態(tài)，可減少噪聲信號(hào)的干擾。信號(hào)由VOUTB輸出，送至控制芯片處理。

2.2 RS485通信

兩路RS485通信模塊是完成控制芯片與上位機(jī)及HMI設(shè)備間信息交換的硬件平臺(tái)。NLSX4373輸入電平范圍為1.5～5 V，用于控制芯片與MAX485間電平轉(zhuǎn)換，可達(dá)到20 Mb/s的轉(zhuǎn)換速度。MAX3485工作電源為+5 V，額定電流為300 μA，用于完成TTL電平與RS485電平的轉(zhuǎn)換[7]。將差分輸入電壓UA-UB的值分為3個(gè)區(qū)間：大于等于200 mV、小于等于-200 mV以及其在±200 mV區(qū)間3種狀態(tài)，其分別對(duì)應(yīng)總線高電平輸入、低電平輸入以及狀態(tài)不確定的情況。在系統(tǒng)應(yīng)用中，為避免總線狀態(tài)不確定的情況出現(xiàn)，分別設(shè)置上拉電阻R41以及下拉電阻R43。其通信模塊原理如圖5所示。

圖5 RS485硬件電路原理圖

2.3 電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊完成控制芯片與伺服驅(qū)動(dòng)器的連接，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的精確定位[8]，包括QEP電路以及運(yùn)動(dòng)控制部分。QEP模塊可對(duì)相應(yīng)引腳輸入正交編碼脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)以及編譯，QEP模塊可對(duì)QEP1A/QEP1B以及QEP2A/QEP2B上正交編碼脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。采用高速光電耦合器6N137進(jìn)行隔離，將脈沖信號(hào)送至QEP電路。6N137最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到10 Mbit/s，可應(yīng)對(duì)25 MIPS的處理速度。其原理圖如圖6所示。

圖6 QEP電路

運(yùn)動(dòng)控制模塊完成伺服驅(qū)動(dòng)器的控制工作。采用控制芯片PWM模塊實(shí)現(xiàn)脈沖的發(fā)送，其電路同樣使用高速光電隔離器6N137進(jìn)行隔離，其電路可參考圖6。

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Modbus通信

檢測(cè)系統(tǒng)采用RS485模塊作為物理接口，采用Modbus-RTU數(shù)據(jù)傳輸模式[9]，用于實(shí)現(xiàn)HMI設(shè)備與TMS320F28377D的通信。選擇配置串口波特率為9 600 bps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式選擇無校驗(yàn)。上位機(jī)通訊參數(shù)配置如圖7所示。2個(gè)報(bào)文幀間隔時(shí)間不少于3.5個(gè)字節(jié)時(shí)間，定時(shí)器設(shè)定為5 ms，滿足間隔至少為3 ms的要求[10]。下位機(jī)接收發(fā)送過程如圖8所示。

圖7 上位機(jī)MCGS參數(shù)配置

圖8 下位機(jī)接收發(fā)送流程

3.2 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

數(shù)據(jù)采集及處理模塊將片上ADC模塊配置為16位模式，并完成同步采樣模式的配置。其完成16路通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為

T=17·Tadcclk+18·(1+ACQPS)·Tadcclk

(4)

式中：Tadcclk為時(shí)鐘周期；ACQPS為控制寄存器ACQ-PS[3-0]的4位比特域值。

同步采樣頻率為

(5)

當(dāng)ADC時(shí)鐘一定的情況下，可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的采樣頻率，即通過改變ACQ-PS[3-0]位的值實(shí)現(xiàn)。軸承形廓質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)中，通過Tadcclk及ACQPS得到轉(zhuǎn)換時(shí)間及采樣頻率。完成ADC模塊配置后，采集數(shù)據(jù)及處理。數(shù)據(jù)采集及處理模塊流程圖如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集及處理軟件流程

檢測(cè)系統(tǒng)完成系統(tǒng)初始化、ADC模塊的參數(shù)設(shè)置及初始化工作，控制端發(fā)送40 kHz脈沖信號(hào)，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換通過超聲波傳感器發(fā)射端發(fā)射信號(hào)，反射后，接收端接收40 kHz信號(hào)并觸發(fā)控制芯片ADC模塊準(zhǔn)備工作，信號(hào)經(jīng)采樣窗口進(jìn)行采樣，然后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。FIR數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波處理，將AD轉(zhuǎn)換后的信息送至FIR濾波器完成濾波工作。FIR數(shù)字濾波選用頻率采樣法，其幅頻特性為：在采樣點(diǎn)時(shí)與采樣樣本保持一致；在采樣點(diǎn)之間時(shí)與最小誤差二次方相逼近。該方法可提高形廓質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，減小測(cè)量誤差。濾波完成后將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)，以此循環(huán)。

3.3 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊

檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)平臺(tái)的檢測(cè)精度很大程度上取決于伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的精度。運(yùn)動(dòng)控制模塊通過插補(bǔ)算法計(jì)算脈沖數(shù)量，通過PWM模塊和CAP模塊可實(shí)現(xiàn)脈沖的發(fā)送及實(shí)時(shí)脈沖數(shù)量的捕捉[11]。TMS320F28377D 為雙核處理器，電機(jī)控制形式為雙核的電機(jī)控制。電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊軟件流程圖如圖10所示。

圖10 運(yùn)動(dòng)控制軟件流程

CPU1和CPU2進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，在CPU1中完成控制程序的初始化工作，CPU2中完成片上外設(shè)PWM模塊以及CAP模塊的配置和初始化工作；CPU1用于完成軸承工件旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)位置規(guī)劃工作以及粗插補(bǔ)計(jì)算，將計(jì)算的脈沖數(shù)通過IPC總線傳送至CPU2中的PWM模塊，完成脈沖的發(fā)送；CAP捕捉模塊捕捉脈沖數(shù)量，控制單元計(jì)算脈沖偏差得出脈沖補(bǔ)償量，并通過IPC總線發(fā)送至CPU1中。為保證工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)位置精度，將該補(bǔ)償量做為下次脈沖計(jì)算的補(bǔ)償量。

4 實(shí)驗(yàn)與誤差分析

4.1 測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)要求

軸承種類繁多，其內(nèi)外圈的結(jié)構(gòu)形式也不相同，導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)參數(shù)存在差異。檢測(cè)系統(tǒng)研究時(shí)，選用軸承形廓質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)表 mm

4.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

試驗(yàn)中以軸承外圈為檢測(cè)對(duì)象，軸承形廓質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)參數(shù)包括軸承外徑、內(nèi)徑以及高度。待測(cè)軸承外圈如圖11所示。

圖11 待測(cè)軸承實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)過程：將高度、內(nèi)徑及外徑檢測(cè)的采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為8，伺服電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)45°，完成單點(diǎn)的檢測(cè)，工作臺(tái)每旋轉(zhuǎn)一周完成8個(gè)采樣點(diǎn)檢測(cè)。將旋轉(zhuǎn)周數(shù)設(shè)置為200，即對(duì)同一位置點(diǎn)完成200次檢測(cè)。記錄MCGS顯示結(jié)果并與標(biāo)準(zhǔn)軸承的各參數(shù)進(jìn)行比較，確定檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量精度。其測(cè)量數(shù)據(jù)如表2～表4所示。

由表2～表4可知，軸承形廓理想值與實(shí)際檢測(cè)值存在偏差，系統(tǒng)所要求的誤差范圍0.01 mm，檢測(cè)數(shù)據(jù)最大誤差為0.008 mm，滿足檢測(cè)要求。測(cè)量結(jié)果表明，軸承形廓質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)滿足檢測(cè)要求。

5 結(jié)束語

為檢測(cè)軸承形廓質(zhì)量，設(shè)計(jì)基于多超聲波傳感器的軸承形廓質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。以軸承高度檢測(cè)為例對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行說明，并根據(jù)自動(dòng)檢測(cè)原理分別對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)硬件以及軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取內(nèi)徑121.80 mm、外徑160.60 mm、高度38.55 mm的軸承輪廓進(jìn)行檢測(cè)及誤差分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的軸承形廓質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可有效檢測(cè)軸承形廓質(zhì)量，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)顯著提高了軸承形廓質(zhì)量檢測(cè)的效率。

表2 內(nèi)徑誤差測(cè)量結(jié)果 mm

表3 外徑誤差測(cè)量結(jié)果 mm

表4 高度誤差測(cè)量結(jié)果 mm