鄭曉峰,趙傳強(qiáng),李浩,應(yīng)正平,陳先進(jìn)

(1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,杭州 310053;2.浙江全世科技有限公司,杭州 310053;3.杭州海關(guān)技術(shù)中心,杭州 310053)

軸承外圈滾道加工工藝包含車削半精加工和磨削精加工,加工精度影響軸承裝配后的徑向游隙和軸向游隙,因此在相應(yīng)工序完成后需測(cè)量滾道誤差[1-3]。目前,常用圓柱度儀、機(jī)械結(jié)構(gòu)測(cè)量?jī)x、三維激光掃描儀等進(jìn)行軸承外圈滾道精度的測(cè)量[4]：圓柱度儀采用高精度的接觸式電感傳感器,可精確獲得測(cè)量值;機(jī)械結(jié)構(gòu)測(cè)量?jī)x操作簡(jiǎn)單,使用方便;三維激光掃描儀可通過(guò)測(cè)量點(diǎn)云重構(gòu)獲取完整的滾道形貌;但上述儀器均無(wú)法兼顧測(cè)量效率和測(cè)量精度[5]。因此,本文研制了一種軸承外圈滾道直徑變動(dòng)量測(cè)量與分選裝置,可對(duì)車削半精加工后的外圈進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量與分選。

1 測(cè)量原理

外圈滾道通常使用成形刀加工,由于刀具、夾具、加工工況(如振動(dòng))等影響,實(shí)際加工的滾道會(huì)偏離理論滾道,形成滾道直徑變動(dòng)量。滾道直徑變動(dòng)量(即橢圓度)會(huì)影響后續(xù)的磨削工藝,變動(dòng)量過(guò)大時(shí)將導(dǎo)致磨具無(wú)法接觸滾道,嚴(yán)重影響磨削質(zhì)量。如圖1所示,用內(nèi)徑百分表在單一軸向平面內(nèi)對(duì)滾道球面直徑進(jìn)行若干次測(cè)量,最大值與最小值之間的差值即滾道直徑變動(dòng)量。

圖1 內(nèi)徑百分表測(cè)量滾道直徑變化量示意圖

如圖2所示,本文考慮自動(dòng)化檢測(cè)的需求,使用三點(diǎn)測(cè)量法實(shí)現(xiàn)滾道直徑變動(dòng)量的測(cè)量,3個(gè)測(cè)量點(diǎn)包含2個(gè)固定測(cè)量頭和1個(gè)可動(dòng)測(cè)量頭。固定測(cè)量頭和可動(dòng)測(cè)量頭的端部設(shè)計(jì)為球面,其球面半徑的公稱值為滾道溝槽理論圓弧半徑,從而使測(cè)頭端部與滾道溝槽保持線接觸?？蓜?dòng)測(cè)量頭的一端與彈簧相連,在彈簧壓力的作用下始終具有一定的測(cè)量力。測(cè)量時(shí),旋轉(zhuǎn)套圈一周,可動(dòng)測(cè)量頭由于滾道存在的直徑變動(dòng)量將發(fā)生左右移動(dòng),使用高精度電感位移傳感器測(cè)量其最大位移值和最小位移值,兩者間的差值即滾道直徑變動(dòng)量。

2 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示,軸承外圈滾道直徑變動(dòng)量測(cè)量與分選裝置包括雙通道送料機(jī)構(gòu)、雙工位夾取機(jī)構(gòu)、測(cè)量機(jī)構(gòu)和雙通道分選機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料、自動(dòng)夾取、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)分選等功能。

1—送料機(jī)構(gòu);2—夾取機(jī)構(gòu);3—測(cè)量機(jī)構(gòu);4—分選機(jī)構(gòu)。

2.1 雙通道送料機(jī)構(gòu)

雙通道送料機(jī)構(gòu)由推送氣缸、氣缸底座、斜槽、輸送通道、通道底座等組成,由2個(gè)輸送通道實(shí)現(xiàn)交替送料,如圖4所示。2個(gè)斜槽分別與振料盤連接,振料盤輸出的外圈通過(guò)斜槽滑至輸送通道?？刂仆扑蜌飧咨斐鲂谐?使外圈整體向前移動(dòng)一個(gè)外圈直徑的距離,此時(shí)最前端外圈將被送至待檢區(qū),氣缸收回后,斜槽上的外圈將自動(dòng)滑至輸送通道,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料。

1—輸送通道;2—軸承外圈;3—通道底座;4—斜槽;5—推送氣缸;6—?dú)飧椎鬃?/p>

2.2 雙工位夾取機(jī)構(gòu)

雙工位夾取機(jī)構(gòu)由伸縮氣缸、氣動(dòng)手指、無(wú)桿氣缸、V形夾具等組成,如圖5所示。U形連接板的兩端分別與直線導(dǎo)軌滑臺(tái)1和2固定連接,中間與無(wú)桿氣缸滑臺(tái)相連,可在無(wú)桿氣缸的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)左右水平移動(dòng)。伸縮氣缸固定于U形連接板上,氣動(dòng)手指則由氣動(dòng)手指支架支承并固定于直線導(dǎo)軌滑臺(tái)3上,伸縮氣缸的推桿通過(guò)氣缸連接鍵與氣動(dòng)手指相連并驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手指上下直線運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)手指的端部設(shè)計(jì)有V形夾具,用于夾起軸承外圈。夾取機(jī)構(gòu)采用雙工位設(shè)計(jì),當(dāng)一個(gè)手指夾取外圈至測(cè)量區(qū)進(jìn)行測(cè)量時(shí),另一個(gè)手指則位于送料通道的待檢區(qū)上方,預(yù)備將待檢外圈送至測(cè)量區(qū)。雙工位夾取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)大大提升了工作效率。

1—直線導(dǎo)軌滑臺(tái)2;2—?dú)飧走B接鍵;3—U形連接板;4—直線導(dǎo)軌滑臺(tái)1;5—伸縮氣缸;6—無(wú)桿氣缸;7—?dú)鈩?dòng)手指;8—?dú)鈩?dòng)手指支架;9—V形夾具;10—直線導(dǎo)軌滑臺(tái)3。

2.3 測(cè)量機(jī)構(gòu)

測(cè)量機(jī)構(gòu)由電感位移傳感器、固定測(cè)量頭、可動(dòng)測(cè)量頭、底座、轉(zhuǎn)盤(外層帶硅膠)等組成,如圖6所示。為保證測(cè)量精度,測(cè)量頭及附件均采用高精密五軸機(jī)床加工。測(cè)量頭端部為球面狀,可與滾道溝槽始終保持線接觸?？蓜?dòng)測(cè)量頭固定在直線導(dǎo)軌滑塊上,后端安裝的彈簧使其產(chǎn)生一定的測(cè)量力。轉(zhuǎn)盤安裝于U形支架中間位置,在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下作圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。U形支架與氣缸1相連并由直線導(dǎo)軌滑塊導(dǎo)向,實(shí)現(xiàn)整體前后伸縮。氣缸2的推桿與可動(dòng)測(cè)量頭的底座接觸,從而使可動(dòng)測(cè)量頭回縮,方便夾取外圈。

1—可動(dòng)測(cè)量爪;2—固定測(cè)量爪;3—轉(zhuǎn)盤;4—U形支架;5—?dú)飧?;6—直線導(dǎo)軌滑塊;7—電動(dòng)機(jī);8—底座;9—軸承外圈;10—電感位移傳感器;11—?dú)飧?。

測(cè)量機(jī)構(gòu)工作時(shí),氣缸2推出,可動(dòng)測(cè)量頭回縮,氣動(dòng)手指將外圈放置待檢區(qū);然后,氣缸2退回,氣缸1推出,轉(zhuǎn)盤與外圈接觸,開(kāi)啟轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使外圈轉(zhuǎn)動(dòng),電感位移傳感器測(cè)量可動(dòng)測(cè)量頭位移變化的最大值與最小值,兩者的差值即軸承外圈滾道直徑變動(dòng)量。

2.4 雙通道分選機(jī)構(gòu)

雙通道分選機(jī)構(gòu)由滑槽、擋板,電磁鐵、收集箱等組成,如圖7所示。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)圖紙要求確定外圈滾道公差范圍,當(dāng)被檢外圈滾道直徑變動(dòng)量處于公差范圍內(nèi)時(shí)判定其為合格,反之為不合格。當(dāng)外圈合格時(shí),電磁鐵保持原狀,擋板與滑槽底部貼合,外圈沿滑槽滑入收集箱1或2內(nèi)。當(dāng)外圈不合格時(shí),電磁鐵得電推出,擋板擋住外圈,使其滑入收集箱3或4內(nèi)。2個(gè)分選通道分別與送料通道連接在一起,實(shí)現(xiàn)雙工位工作。

1—收集箱1;2—收集箱2;3—滑槽;4—擋板;5—電磁鐵;6—收集箱3;7—收集箱4。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖8所示,以FX三菱PLC為主控系統(tǒng),通過(guò)編制PLC程序控制伸縮氣缸、氣動(dòng)滑臺(tái)、氣動(dòng)手指、電磁鐵、電動(dòng)機(jī)等電子元器件,可采集電感位移傳感器的數(shù)據(jù)和接近開(kāi)關(guān)的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)送料、自動(dòng)夾取、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)分選功能,并可與觸摸屏進(jìn)行良好的人機(jī)通信。

圖8 控制系統(tǒng)架構(gòu)

采用YKHMI編制的人機(jī)通信界面如圖9所示,包括設(shè)備控制區(qū)、數(shù)據(jù)采集區(qū)和數(shù)據(jù)顯示區(qū)。在設(shè)備控制區(qū),點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕和停止按鈕可以開(kāi)啟或關(guān)停設(shè)備,點(diǎn)擊數(shù)據(jù)初始化和程序初始化可以初始化采集數(shù)據(jù)和運(yùn)行程序。數(shù)據(jù)采集區(qū)可以顯示當(dāng)前滾道測(cè)量值并查看歷史測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示區(qū)可以顯示測(cè)量數(shù)據(jù)的趨勢(shì)圖,記錄被檢外圈數(shù)量以及外圈合格、不合格數(shù)量。

4 測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)估

4.1 試驗(yàn)條件

對(duì)裝置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)估,相關(guān)試驗(yàn)條件如下[6]：環(huán)境溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度(50%～55%)RH,測(cè)量對(duì)象為通過(guò)高精度三坐標(biāo)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)外圈,通過(guò)同一試驗(yàn)人員進(jìn)行外圈滾道直徑變動(dòng)量測(cè)量與分選裝置的操作。

4.2 數(shù)據(jù)采集

在上述試驗(yàn)條件下,對(duì)6201軸承外圈滾道的固定位置(高精度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的結(jié)果為19 μm)進(jìn)行10次等精度測(cè)量,結(jié)果見(jiàn)表1。

4.3 數(shù)據(jù)處理

4.3.1 測(cè)量重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量U1

根據(jù)表1數(shù)據(jù),樣本平均值為

單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為

平均值標(biāo)準(zhǔn)差為

則測(cè)量重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

4.3.2 測(cè)量裝置示值變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由表1數(shù)據(jù)可知,在進(jìn)行等精度重復(fù)測(cè)量時(shí),該裝置的最大示值Rmax=21 μm,最小示值Rmin=18 μm,則設(shè)備示值變動(dòng)量R=Rmax-Rmin=3 μm。 取擴(kuò)展系數(shù)kp=2(置信概率95.45%),則測(cè)量裝置示值變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量U2=R/kp=1.5 μm。

4.3.3 標(biāo)準(zhǔn)軸承外滾道校準(zhǔn)結(jié)果引入的標(biāo)準(zhǔn)不確

定度分量U3

查閱高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)資料可得其不確定度u3=1.9 μm,取kp=2.58(置信概率99%),其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量U3=u3/kp=0.74 μm。

4.3.4 電感位移傳感器校準(zhǔn)結(jié)果引入的標(biāo)準(zhǔn)不確

定度分量評(píng)定U4

查閱電感位移傳感器資料可得其不確定度u4=1.5 μm,取kp=2.58(置信概率99%),其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評(píng)定U4=u4/kp=0.58 μm。

4.3.5 擴(kuò)展不確定度U的評(píng)定

軸承外圈滾道車削加工屬于半精加工,根據(jù)合作企業(yè)實(shí)際需求,該測(cè)量設(shè)備的不確定度滿足車削加工后的滾道直徑變動(dòng)量的測(cè)量精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)軸承外圈滾道直徑變動(dòng)量的測(cè)量效率、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及精度要求,設(shè)計(jì)了雙工位機(jī)械結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了軸承外圈的雙通道自動(dòng)送料,雙工位自動(dòng)夾取以及雙通道自動(dòng)分選,與現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備相比大大提升了測(cè)量效率。裝置擴(kuò)展不確定度值為5.40 μm(kp=3,置信概率99.73%),滿足軸承外圈滾道車削加工后直徑變動(dòng)量的測(cè)量精度要求。

另外,以綜合檢具為基礎(chǔ),高精度電感傳感器為核心的測(cè)量機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)滾道直徑變動(dòng)量的高精度測(cè)量,優(yōu)化的電氣控制系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,簡(jiǎn)潔友好的人機(jī)界面增強(qiáng)了設(shè)備的可操作性。