滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)圓度數(shù)字系統(tǒng)研究

滾動(dòng)軸承是一種具有高度互換性的標(biāo)準(zhǔn)部件，它具有摩擦力小、啟動(dòng)容易、潤滑簡單、便于更換等優(yōu)點(diǎn)，是各種機(jī)械中傳遞運(yùn)動(dòng)和承受載荷的重要支承零件，在機(jī)械結(jié)構(gòu)中幾乎是不可缺少的部件。隨著工業(yè)的發(fā)展，對軸承的性能、壽命和可靠性提出了更高的要求。滾動(dòng)軸承的性能、壽命和可靠性，取決于其設(shè)計(jì)、制造和檢測過程。而檢測是提高軸承性能重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。
　　
軸承內(nèi)圈是與軸密切接觸的部件，其不僅存在著尺寸誤差，而且存在著圓度誤差、粗糙度誤差和波紋度誤差等。本文采用位移傳感器測量軸承內(nèi)環(huán)的圓度，光電編碼器控制系統(tǒng)等角度采樣，控制與數(shù)據(jù)處理單元采用8位W78E52單片機(jī)。通過串口將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，便于集中分析數(shù)據(jù)。外接LED，可以顯示數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，讀數(shù)方便，從而實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承圓度檢測的智能化、數(shù)字化。

1?系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
　　
該系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成:檢測部分、信號采集與處理部分、輸入輸出部分，整體構(gòu)架見圖1。檢測部分包括傳感器、光電編碼器、放大、濾波.?信號采集與處理部分負(fù)責(zé)AD轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)的控制和采樣數(shù)據(jù)的存儲.?輸入輸出部分由LED和鍵盤構(gòu)成（如圖1）。

圖1系統(tǒng)整體框圖
　　
軸承內(nèi)環(huán)固定在一個(gè)浮動(dòng)測頭、兩個(gè)固定測頭上。位移傳感器通過機(jī)械裝置與浮動(dòng)測頭相連。光電編碼器控制傳感器等角度采樣，傳感器的信號經(jīng)過放大、濾波進(jìn)入A?DC。單片機(jī)對ADC出來的信號進(jìn)入處理與存貯。軸承內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)一周，數(shù)據(jù)采集完畢。最后單片機(jī)找出3數(shù)據(jù)中的最大與最小值，并計(jì)算出差值，通過LED顯示出來。工件回轉(zhuǎn)一周的最大讀數(shù)差值F和圓度誤差f的關(guān)系為
　　
　　
式中?K——反映系數(shù)，由GBT?4380-1984查得[1]，即差值除以反映系數(shù)為圓度誤差。

2?檢測部分
　　
2.1傳感器的選用
　　
根據(jù)圓度儀標(biāo)準(zhǔn)JB/T?10028?1999，儀器誤差A(yù)級中，測量系統(tǒng)線性誤差不大于滿量程的2%，測量系統(tǒng)靈敏閥不大于0.02μm[2]。
　　
本系統(tǒng)采用接觸式的測量方法，因此選用穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單可靠、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的差動(dòng)變壓器式電感傳感器作為位移傳感器。
　　
本系統(tǒng)選用的中原量儀E-DT-80SB型傳感器具有測量精度高,靈敏度高,?裝夾定位容易等優(yōu)點(diǎn)，滿足圓度儀標(biāo)準(zhǔn)JB/T?10028?1999。雖然其動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率不高,但也已經(jīng)能完全滿足圓度測量時(shí)的速度響應(yīng)要求（采樣點(diǎn)）?。性能如下：
　　
總行程（mm）：?3

測量范圍（mm）：?±0.5

線性誤差：?±0.5%

重復(fù)性誤差（μm）?：0.2
　　
2.2差動(dòng)變壓器式位移傳感器測量電路
　　
差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵拉移的大小，而不能反映移動(dòng)方向，同時(shí)其測量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。故在實(shí)際測量時(shí)，通常采用相敏檢波電路和差動(dòng)整流電路。相敏檢波電路，需要用初級激勵(lì)電壓作為相位參考來決定輸出電壓的極性，這就需要有恒定幅值和頻率的激勵(lì)信號源，需要補(bǔ)償差動(dòng)變壓器初級和次級的相位偏移及溫度、頻率波動(dòng)造成的誤差。而差動(dòng)整流電路不必考慮相位問題，電路也相對比較簡單。本文選用差動(dòng)整流電路對差動(dòng)變壓器的輸出信號進(jìn)行后期處理（如圖2.1[3]）。

圖2.1全波差動(dòng)整流電路圖

2.3信號放大
　　
傳感器出來的信號一般比較弱，通常只有幾毫伏到幾十毫伏。本傳感器輸出信號范圍是0.028mv～100mv，而A/D轉(zhuǎn)換器要求滿量程輸入是±5v。故需放大以提高分辨率和降低噪音，也使調(diào)理后信號最大值和A/D最大輸入值相等，以提高轉(zhuǎn)換精度。就本題目而言，只有一個(gè)通道信號輸入，為不致使放大最大信號超出ADC滿量程，其放大倍數(shù)

　　
即信號放大電路采用增益K=50。
　　
2.4濾波電路
　　
在圓度測量中，由于各種噪聲信號的影響，使得測量數(shù)據(jù)不可信，因此必須對原始的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，濾去不必要的高頻信號，取得某特定頻段的信號。在本系統(tǒng)中所用的是二階RC有源低通濾波（如圖2.2）。
　　
2.5計(jì)數(shù)電路
　　
計(jì)數(shù)方法可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)。用純軟件計(jì)數(shù)雖然電路簡單，但是計(jì)數(shù)速度慢，容易出錯(cuò)。用外接計(jì)數(shù)芯片的方法，雖然速度快，但硬件電路復(fù)雜，成本較高。綜合這兩種方法，本文采用軟硬結(jié)合的方式，即單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。
　　
手動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸承內(nèi)環(huán),速度不會過快也不會過慢,對于光電編碼器的分辨率,?最高響應(yīng)頻率及允許最高轉(zhuǎn)速要求不高;?光電編碼器并不承受很大的外力,所以對其的力學(xué)性能要求也不高,考慮到工作環(huán)境,本文選擇光洋旋轉(zhuǎn)編碼器TRD-2E?A完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其性能規(guī)格如下：
　　
項(xiàng)目:?TRD-2E?A

分辨率:1024脈沖/轉(zhuǎn)

輸出信號形式:A·B兩相

最高響應(yīng)頻率:200kHz

容許最高轉(zhuǎn)速:5000rpm

起動(dòng)扭矩?≤0.001N·m

圖2.2二階壓控電壓源低通濾波器電路



表1?不確定為高或低電平?

將光電編碼器的計(jì)數(shù)脈沖A端接D觸發(fā)器的D端和單片機(jī)的外部中斷INT1端，光電編碼器的B端接D觸發(fā)器的CLK端,經(jīng)過D觸發(fā)器之后的脈沖即方向控制脈沖（DIR）接到單片機(jī)的外部中斷INT1端（如2.3圖[4]）。打開相應(yīng)的中斷，并置T1的門控位GATE為1,這時(shí)，除需要將TR1置1外，還要使INT1引腳為高電平，才能啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。由表1可知，僅當(dāng)DIR是高電平，并且A為正或負(fù)跳變時(shí)，軸承內(nèi)環(huán)正轉(zhuǎn)。所以當(dāng)滿足內(nèi)環(huán)正轉(zhuǎn)條件后，傳感器讀數(shù)，并進(jìn)行加計(jì)數(shù)。軸承內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，進(jìn)入中斷程序，將采集的數(shù)據(jù)送入PC，并計(jì)算出差值，從而得出圓度。



圖2.3計(jì)數(shù)電路接線圖
　　
此電路在軸承內(nèi)環(huán)反轉(zhuǎn)和不轉(zhuǎn)時(shí)，不采集數(shù)據(jù)。從而保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，排除了操作員的抖動(dòng)引起內(nèi)環(huán)反轉(zhuǎn)帶來的不準(zhǔn)確性。

3.?A/D轉(zhuǎn)換器的選擇
　　
對于A/D轉(zhuǎn)換器的選擇來說，轉(zhuǎn)換率和分辨率是兩個(gè)重要參數(shù)。其設(shè)計(jì)如下[5]：
　　
3.1.轉(zhuǎn)換率的選擇
　　
系統(tǒng)中，光電編碼器控制著ADC的采樣，光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周，ADC采樣1024次，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周用時(shí)最少0.8秒，即光電編碼器采樣率最大為1.25,因此ADC的轉(zhuǎn)換率要大于光電編碼器采樣率1.25。
　　
3.2分辨率的選擇
　　
傳感器測量范圍±0.5mm，測量精度1μm。通過實(shí)際測量，傳感器最大輸出信號為1.25V，即為傳感器最大測量位移±0.5mm，則當(dāng)測頭徑向移動(dòng)1μm，傳感器輸出信號電壓為u，?即u為傳感器最小輸出信號。根據(jù)分辨率公式4.1
　　
本系統(tǒng)ADC分辨率實(shí)際選擇n=10。n取大值，A/D轉(zhuǎn)換精度提高，但價(jià)格昂貴，不夠經(jīng)濟(jì)。實(shí)際中，傳感器輸出信號太弱小，需經(jīng)放大電路放大，放大的信號送入A/D就可降低A/D的分辨率，故選擇n=10位。
　　
綜上所有計(jì)算結(jié)果結(jié)合實(shí)際工作情況，聯(lián)系經(jīng)濟(jì)條件決定采用MOTOROLA?公司生產(chǎn)的一種基于CMOS?制造工藝的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器MC14433。其工作性能如下：
　　
3（1/2）位雙積分型ADC

工作電壓范圍為：雙電源4.5-8V,

A/D轉(zhuǎn)換精度為0.05%（11位二進(jìn)制數(shù)），

對應(yīng)于50-150kHz時(shí)鐘頻率，轉(zhuǎn)換率為4-10T/s（大于光電編碼器轉(zhuǎn)換率）。

4.結(jié)論
　　
本文介紹的滾動(dòng)軸承圓度儀可以對軸承的圓度進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，具有電路簡單，穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。采用光電編碼器等角度采樣，防止抖動(dòng)（反轉(zhuǎn)）導(dǎo)致的誤差，提高了測量精度。采用LED顯示，避免了傳統(tǒng)軸承內(nèi)環(huán)圓度測量儀讀數(shù)吃力,?勞動(dòng)強(qiáng)度大等的問題。采樣數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC，便于集中分析軸承數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的檢測儀不具有數(shù)據(jù)處理的不足。該圓度儀結(jié)構(gòu)簡單可靠、測量精度高、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)性好，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]?GBT?4380-1984?確定圓度誤差的方法?兩點(diǎn)、三點(diǎn)法?北京?國家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布?1984
[2]?JB/T?10028?1999?圓度儀?北京?國家工業(yè)機(jī)械局發(fā)布?1999
[3]?康華光?陳大欽?張林?電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分?高等教育出版社?2005
[4]?潘明東.?光電編碼器輸出脈沖的幾種計(jì)數(shù)方法[J]?電子工程師,?2004,（08）?69-71
[5]?管炳良.TALYROND73型圓度儀數(shù)字化改造[D]?合肥工業(yè)大學(xué),2006