關于滾動軸承內環(huán)圓度數(shù)字系統(tǒng)研究

 
摘 要：本文設計了一種能夠對軸承內環(huán)圓度進行智能檢測的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光電編碼器等角度采樣，數(shù)字顯示，以及與上位機相連，克服了傳統(tǒng)圓度測試系統(tǒng)不能防反轉，且讀數(shù)吃力、易出現(xiàn)誤收和誤廢、不具有數(shù)據(jù)處理功能的不足。
關鍵字：軸承檢測;位移傳感器;單片機;光電編碼器：圓度儀

滾動軸承是一種具有高度互換性的標準部件，它具有摩擦力小、啟動容易、潤滑簡單、便于更換等優(yōu)點，是各種機械中傳遞運動和承受載荷的重要支承零件，在機械結構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。滾動軸承的性能、壽命和可靠性，取決于其設計、制造和檢測過程。而檢測是提高軸承性能重要的一個環(huán)節(jié)。

軸承內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。通過串口將數(shù)據(jù)傳到上位機，便于集中分析數(shù)據(jù)。外接LED，可以顯示數(shù)據(jù)處理的結果，讀數(shù)方便，從而實現(xiàn)了滾動軸承圓度檢測的智能化、數(shù)字化。

1 系統(tǒng)的總體設計

該系統(tǒng)主要由三個部分組成: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責AD轉換、系統(tǒng)的控制和采樣數(shù)據(jù)的存儲. 輸入輸出部分由LED和鍵盤構成（如圖1）。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

軸承內環(huán)固定在一個浮動測頭、兩個固定測頭上。位移傳感器通過機械裝置與浮動測頭相連。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、濾波進入A DC。單片機對ADC出來的信號進入處理與存貯。軸承內環(huán)旋轉一周，數(shù)據(jù)采集完畢。最后單片機找出3數(shù)據(jù)中的最大與最小值，并計算出差值，通過LED顯示出來。工件回轉一周的最大讀數(shù)差值F和圓度誤差f的關系為

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)圓度儀標準JB/T 10028 1999，儀器誤差A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、結構簡單可靠、抗干擾性強等優(yōu)點的差動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，滿足圓度儀標準JB/T 10028 1999。雖然其動態(tài)響應頻率不高,但也已經(jīng)能完全滿足圓度測量時的速度響應要求（采樣點） 。性能如下：

總行程（mm）： 3
測量范圍（mm）： ±0.5
線性誤差： ±0.5%
重復性誤差（μm） ：0.2

2.2差動變壓器式位移傳感器測量電路

差動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，而不能反映移動方向，同時其測量值中將包含零點殘余電壓。故在實際測量時，通常采用相敏檢波電路和差動整流電路。相敏檢波電路，需要用初級激勵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信號源，需要補償差動變壓器初級和次級的相位偏移及溫度、頻率波動造成的誤差。而差動整流電路不必考慮相位問題，電路也相對比較簡單。本文選用差動整流電路對差動變壓器的輸出信號進行后期處理（如圖2.1[3]）。

圖2.1 全波差動整流電路圖

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，也使調理后信號最大值和A/D最大輸入值相等，以提高轉換精度。就本題目而言，只有一個通道信號輸入，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計數(shù)電路

計數(shù)方法可以用軟件實現(xiàn)，也可以用硬件實現(xiàn)。用純軟件計數(shù)雖然電路簡單，但是計數(shù)速度慢，容易出錯。用外接計數(shù)芯片的方法，雖然速度快，但硬件電路復雜，成本較高。綜合這兩種方法，本文采用軟硬結合的方式，即單片機內部的計數(shù)器來實現(xiàn)計數(shù)。

手動旋轉軸承內環(huán),速度不會過快也不會過慢,對于光電編碼器的分辨率, 最高響應頻率及允許最高轉速要求不高; 光電編碼器并不承受很大的外力,所以對其的力學性能要求也不高,考慮到工作環(huán)境,本文選擇光洋旋轉編碼器TRD-2E A完成系統(tǒng)設計。其性能規(guī)格如下：

項目: TRD-2E A
分辨率:1024脈沖/轉
輸出信號形式:A·B兩相
最高響應頻率:200kHz
容許最高轉速:5000rpm
起動扭矩 ≤0.001N·m

圖2.2 二階壓控電壓源低通濾波器電路

將光電編碼器的計數(shù)脈沖A端接D觸發(fā)器的D端和單片機的外部中斷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）接到單片機的外部中斷INT1端（如2.3圖[4]）。打開相應的中斷，并置T1的門控位GATE為1,這時，除需要將TR1置1外，還要使INT1引腳為高電平，才能啟動計數(shù)器。由表1可知，僅當DIR是高電平，并且A為正或負跳變時，軸承內環(huán)正轉。所以當滿足內環(huán)正轉條件后，傳感器讀數(shù)，并進行加計數(shù)。軸承內環(huán)轉動一周，進入中斷程序，將采集的數(shù)據(jù)送入PC，并計算出差值，從而得出圓度。

圖2.3 計數(shù)電路接線圖

此電路在軸承內環(huán)反轉和不轉時，不采集數(shù)據(jù)。從而保證了數(shù)據(jù)的準確性，排除了操作員的抖動引起內環(huán)反轉帶來的不準確性。

3. A/D轉換器的選擇

對于A/D轉換器的選擇來說，轉換率和分辨率是兩個重要參數(shù)。其設計如下[5]：

3.1.轉換率的選擇

系統(tǒng)中，光電編碼器控制著ADC的采樣，光電編碼器旋轉一周，ADC采樣1024次，手動旋轉光電編碼器旋轉一周用時最少0.8秒，即光電編碼器采樣率最大為1.25,因此ADC的轉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，則當測頭徑向移動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分辨率實際選擇n=10。n取大值，A/D轉換精度提高，但價格昂貴，不夠經(jīng)濟。實際中，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。

綜上所有計算結果結合實際工作情況，聯(lián)系經(jīng)濟條件決定采用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轉換精度為0.05%（11位二進制數(shù)），

對應于50-150kHz時鐘頻率，轉換率為4-10T/s（大于光電編碼器轉換率）。