張 健

陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)橫山魏墻煤業(yè)有限公司 陜西 榆林 719100

0 引言

圓錐滾子軸承是一種應(yīng)用廣泛的滾動(dòng)軸承,在礦山機(jī)械、工程機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械等行業(yè)中占有重要地位。根據(jù)統(tǒng)計(jì),在以滾動(dòng)軸承作為旋轉(zhuǎn)支撐的設(shè)備中,由滾動(dòng)軸承引起的機(jī)械故障大約占30%。因此為了保證滾動(dòng)軸承的質(zhì)量,應(yīng)對(duì)滾動(dòng)軸承的游隙、噪聲和振動(dòng)等質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn),只有通過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)的滾動(dòng)軸承才能進(jìn)行使用。滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特征可以綜合反映出軸承的動(dòng)態(tài)特性,即在復(fù)雜環(huán)境和多影響因素中能夠?qū)S承組成零件的運(yùn)轉(zhuǎn)、缺陷等情況進(jìn)行準(zhǔn)確、詳細(xì)的表征。通過(guò)測(cè)量并分析圓錐滾子軸承振動(dòng)信號(hào),能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承故障,降低事故發(fā)生的概率,節(jié)約成本,對(duì)防止重大事故的發(fā)生具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

本文提出一種基于PLC的圓錐滾子軸承振動(dòng)自動(dòng)測(cè)量與分選系統(tǒng),該系統(tǒng)可應(yīng)用于軸承使用前的質(zhì)量檢測(cè)作業(yè)中。與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比具有效率高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn),能夠滿足圓錐滾子軸承在自動(dòng)生產(chǎn)線上的振動(dòng)信號(hào)自動(dòng)測(cè)量與分選。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 軸承振動(dòng)信號(hào)測(cè)量流程 圓錐滾子軸承振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量需要在軸承運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行。首先將待測(cè)軸承安裝在主軸上,內(nèi)圈隨主軸以規(guī)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn),外圈保持靜止或漸次轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)待測(cè)軸承外圈施加一定大小的軸向載荷或徑向載荷。然后將傳感器定位在軸承外圈的外圓柱面上且對(duì)應(yīng)于受加載力的外圈的中間平面上。最后在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)利用傳感器提取滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)并將其變?yōu)殡娦盘?hào),經(jīng)過(guò)電荷放大器的放大、濾波等作用,由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送給個(gè)人計(jì)算機(jī),個(gè)人計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算,得出一個(gè)或多個(gè)用于評(píng)價(jià)軸承振動(dòng)水平的參數(shù)。軸承振動(dòng)測(cè)量流程如圖1所示。

圖1 軸承振動(dòng)測(cè)量流程圖

1.2 測(cè)量系統(tǒng)的組成 根據(jù)圓錐滾子軸承振動(dòng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的功能與工作流程,將其分為機(jī)械系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)兩個(gè)部分,其詳細(xì)的組成如圖2所示。機(jī)械系統(tǒng)包括主軸裝置、加載裝置、傳感器及其調(diào)整裝置、送料裝置、卸料裝置、分選裝置和輸送裝置,主要對(duì)圓錐滾子軸承實(shí)現(xiàn)送料、安裝、驅(qū)動(dòng)、加載、卸料、分選、輸送等功能。測(cè)控系統(tǒng)包括氣動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)作控制系統(tǒng)和信號(hào)采集與分析系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、振動(dòng)信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果的顯示等功能。

圖2 軸承振動(dòng)自動(dòng)測(cè)量與分選系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圓錐滾子軸承振動(dòng)自動(dòng)測(cè)量分選系統(tǒng)是一個(gè)在無(wú)人條件下全自動(dòng)進(jìn)行軸承振動(dòng)測(cè)量的系統(tǒng)。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)布局時(shí)應(yīng)以主軸裝置、加載裝置為主體,再根據(jù)其他裝置的功能從兩側(cè)進(jìn)行布置。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 為了完成既定功能,測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠完成以下動(dòng)作：準(zhǔn)備工作、初始狀態(tài)、送料動(dòng)作、軸承安裝、傳感器動(dòng)作、加載動(dòng)作、測(cè)量采樣、卸料動(dòng)作、輸送動(dòng)作、分選動(dòng)作。根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)功能及組成可分析得出該系統(tǒng)應(yīng)該至少具備以下三個(gè)工位,即圓錐滾子軸承送料工位、振動(dòng)測(cè)量工位和軸承分選工位。下面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析：

1)送料工位：即圓錐滾子軸承進(jìn)入該振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的起始工位,位于上一道工序的結(jié)束工位。本系統(tǒng)的軸承送料裝置,主要由氣爪夾持待測(cè)圓錐滾子軸承,無(wú)桿氣缸驅(qū)動(dòng)滑塊帶動(dòng)氣爪進(jìn)行運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)軸承的送料。

2)振動(dòng)測(cè)量工位：為實(shí)現(xiàn)圓錐滾子軸承的振動(dòng)自動(dòng)測(cè)量,在振動(dòng)測(cè)量工位上應(yīng)布置主軸驅(qū)動(dòng)裝置、加載裝置和傳感器調(diào)整裝置。

3)分選工位：根據(jù)圓錐滾子軸承的測(cè)量結(jié)果是否合格進(jìn)行分選動(dòng)作,合格則不執(zhí)行動(dòng)作,不合格則執(zhí)行分選動(dòng)作,因此只需要設(shè)計(jì)兩條軸承出料通道。

總之,圓錐滾子軸承由上一道工序經(jīng)過(guò)送料、安裝、加載、卸料以及分選等一系列動(dòng)作,最終實(shí)現(xiàn)圓錐滾子軸承的振動(dòng)測(cè)量。該測(cè)量過(guò)程是由送料裝置、主軸裝置、加載裝置、帶式輸送機(jī)等裝置協(xié)調(diào)統(tǒng)一配合的結(jié)果。其結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。

圖3 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)械系統(tǒng)各功能模塊

2.2.1 送料裝置 在待測(cè)圓錐滾子軸承在裝配的最后一道工序完成后,將由旋轉(zhuǎn)氣爪夾持待測(cè)圓錐滾子軸承送至軸承托盤(pán)上,等待進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。在振動(dòng)測(cè)量完成后,送料裝置將重新夾持圓錐滾子軸承送至輸送裝置上,對(duì)圓錐滾子軸承進(jìn)行下一次操作,然后送料裝置返回至圓錐滾子軸承的最后一道裝配工序位,從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的振動(dòng)測(cè)量。送料裝置結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 送料裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 主軸裝置 圓錐滾子軸承在進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量時(shí),軸承內(nèi)圈安裝在心軸上,并隨心軸一起以規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。主軸裝置主要由心軸、靜壓主軸、電機(jī)和帶傳動(dòng)組成。電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸,主軸帶動(dòng)心軸旋轉(zhuǎn),被測(cè)軸承安裝在心軸上跟隨心軸一起旋轉(zhuǎn)。主軸裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 主軸裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 測(cè)量加載裝置 加載裝置主要是對(duì)圓錐滾子軸承的外圈施加軸向載荷,保持軸承外圈的靜止。傳統(tǒng)的軸承振動(dòng)測(cè)量加載裝置均采用彈簧加載形式對(duì)被測(cè)軸承進(jìn)行加載,每測(cè)量一個(gè)軸承就需要操作人員手動(dòng)的將彈簧加載力施加在被測(cè)圓錐滾子軸承的內(nèi)圈,這種加載裝置效率普遍偏低,為了滿足自動(dòng)測(cè)量的目的,設(shè)計(jì)了新型加載裝置,如圖6所示。

圖6 加載裝置結(jié)構(gòu)圖

該裝置采用氣缸－彈簧加載形式,在每次更換測(cè)量的圓錐滾子軸承時(shí)只需要調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)盤(pán)即可改變彈簧的壓縮量,從而改變施加在待測(cè)軸承外圈的加載力。推力爪采用呈120°分布的三個(gè)硬橡膠墊與被測(cè)軸承外圈進(jìn)行接觸。另外,為保證加載力的對(duì)中性與導(dǎo)向作用,在加載裝置與機(jī)架之間使用導(dǎo)軌滑塊。

2.2.4 傳感器調(diào)整裝置 當(dāng)待測(cè)圓錐滾子軸承的型號(hào)發(fā)生更換時(shí),軸承的外徑和寬度會(huì)隨之發(fā)生變化。軸承振動(dòng)測(cè)量時(shí),根據(jù)加速度傳感器的安裝位置要求,傳感器應(yīng)始終與待測(cè)軸承的外表面保持接觸。軸承振動(dòng)測(cè)量結(jié)束后,為避免加速度傳感器與其他裝置產(chǎn)生干涉應(yīng)及時(shí)將傳感器遠(yuǎn)離軸承。為達(dá)到以上要求以及安裝位置精度,設(shè)計(jì)如圖7所示的位置調(diào)整裝置。

圖7 傳感器調(diào)整裝置

2.2.5 卸載裝置 當(dāng)圓錐滾子軸承振動(dòng)測(cè)量完成后,需要將其從心軸上卸載下來(lái)?？紤]到加載裝置對(duì)圓錐滾子軸承施加載荷較大,避免出現(xiàn)單個(gè)氣缸與軸承托盤(pán)構(gòu)成的懸臂梁不能成功地將已測(cè)圓錐滾子軸承從心軸中卸載下來(lái),于是設(shè)計(jì)由兩個(gè)氣缸與軸承托盤(pán)組成的卸載裝置,如圖8所示。

圖8 卸料裝置

加載裝置中的球絞的作用是防止兩個(gè)卸料氣缸伸出不同時(shí),導(dǎo)致被測(cè)軸承不能正常從心軸中卸載下來(lái),甚至損壞被測(cè)軸承。

2.2.6 分選裝置 分選裝置是測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。它的主要作用是：將合格的滾動(dòng)軸承直接由輸送裝置(帶式輸送機(jī))輸送到下一工位進(jìn)行操作,不合格的滾動(dòng)軸承將被分選裝置推至另一帶式輸送機(jī)上,輸送至不合格產(chǎn)品區(qū)域,進(jìn)行診斷分析,提高加工水平。分選裝置的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 分選裝置

3 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)計(jì)算機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)工作原理,結(jié)合軸承振動(dòng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的功能,以個(gè)人計(jì)算機(jī)與PLC為核心元件,設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),并合理地對(duì)重要電氣元件進(jìn)行選型。軸承振動(dòng)自動(dòng)測(cè)量的測(cè)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由振動(dòng)測(cè)量部分、動(dòng)作控制部分與I/O 接口模塊三大部分組成,其硬件結(jié)構(gòu)如圖10所示。動(dòng)作控制部分由可編程控制器PLC、氣缸、電機(jī)、磁性開(kāi)關(guān)、電磁閥以及開(kāi)關(guān)等元件構(gòu)成;振動(dòng)測(cè)量部分由加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)共同組成。I/O接口模塊起著連接動(dòng)作控制部分與振動(dòng)測(cè)量部分的作用。

圖10 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,PLC主要控制氣缸的伸出縮回動(dòng)作,以及主軸電機(jī)和輸送帶電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與停止,氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖11所示,另外通過(guò)I/O 接口向計(jì)算機(jī)發(fā)送采樣信號(hào)。傳感器拾取軸承外圈的振動(dòng)信號(hào),轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后通過(guò)電荷放大器處理,再由數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采樣、量化、編碼轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),最后計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析,顯示結(jié)果。

圖11 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖12 PLC程序流程圖

圓錐滾子軸承振動(dòng)自動(dòng)測(cè)量的軟件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由動(dòng)作自動(dòng)控制部分與振動(dòng)測(cè)量部分組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。動(dòng)作自動(dòng)控制部分由PLC進(jìn)行控制,PLC根據(jù)安裝在氣缸上的磁性開(kāi)關(guān)的信號(hào),通過(guò)控制電磁閥的換向進(jìn)而控制各個(gè)氣缸的伸出縮回運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)測(cè)量部分則是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡、電荷放大器、加速度計(jì)直接或間接控制,利用信號(hào)分析程序?qū)φ駝?dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理,將處理的結(jié)果存儲(chǔ)、顯示并反饋至PLC,然后由PLC 控制分選氣缸,對(duì)圓錐滾子軸承進(jìn)行分選。

4 結(jié)論

4.1 結(jié)合圓錐滾子軸承的特點(diǎn),提出了一種用于測(cè)量圓錐滾子軸承振動(dòng)的方案。該方案采用計(jì)算機(jī)與PLC相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與振動(dòng)測(cè)量。

4.2 提出了能夠?qū)崿F(xiàn)圓錐滾子軸承振動(dòng)自動(dòng)測(cè)量功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)具體包括主軸裝置、加載裝置、送料裝置、卸料裝置、分選裝置和輸送裝置。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了加載裝置,采用氣缸－彈簧的加載形式,通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量改變施加載荷的大小,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)的圓錐滾子軸承進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。

4.3 結(jié)合軸承振動(dòng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的功能,以個(gè)人計(jì)算機(jī)與PLC 為核心元件,設(shè)計(jì)了測(cè)控系統(tǒng)的硬件部分,并對(duì)系統(tǒng)的PLC 流程圖進(jìn)行了設(shè)計(jì)。