滚动轴承内环圆度数字系统研究.docx

滚动轴承内环圆度数字系统研究作者：大连理工大学 孙博雅 张志新 张莉瑶摘 要：本文设计了一种能够对轴承内环圆度进行智能检测的系统。该系统采用光电编码器等角度采样，数字显示，以及与上位机相连，克服了传统圆度测试系统不能防反转，且读数吃力、易出现误收和误废、不具有数据处理功能的不足。关键字：轴承检测;位移传感器;单片机;光电编码器：圆度仪滚动轴承是一种具有高度互换性的标准部件，它具有摩擦力小、启动容易、润滑简单、便于更换等优点，是各种机械中传递运动和承受载荷的重要支承零件，在机械结构中几乎是不可缺少的部件。随着工业的发展，对轴承的性能、寿命和可靠性提出了更高的要求。滚动轴承的性能、寿命和可靠性，取决于其设计、制造和检测过程。而检测是提高轴承性能重要的一个环节。轴承内圈是与轴密切接触的部件，其不仅存在着尺寸误差，而且存在着圆度误差、粗糙度误差和波纹度误差等。本文采用位移传感器测量轴承内环的圆度，光电编码器控制系统等角度采样，控制与数据处理单元采用8位w78e52单片机。通过串口将数据传到上位机，便于集中分析数据。外接led，可以显示数据处理的结果，读数方便，从而实现了滚动轴承圆度检测的智能化、数字化。1 系统的总体设计该系统主要由三个部分组成:检测部分、信号采集与处理部分、输入输出部分，整体构架见图1。检测部分包括传感器、光电编码器、放大、滤波. 信号采集与处理部分负责ad转换、系统的控制和采样数据的存储. 输入输出部分由led和键盘构成(如图1)。 图1 系统整体框图轴承内环固定在一个浮动测头、两个固定测头上。位移传感器通过机械装置与浮动测头相连。光电编码器控制传感器等角度采样，传感器的信号经过放大、滤波进入a dc。单片机对adc出来的信号进入处理与存贮。轴承内环旋转一周，数据采集完毕。最后单片机找出3数据中的最大与最小值，并计算出差值，通过led显示出来。工件回转一周的最大读数差值f和圆度误差f的关系为 式中 k反映系数，由gbt 4380-1984查得1，即差值除以反映系数为圆度误差。2 检测部分2.1传感器的选用根据圆度仪标准jb/t 10028 1999，仪器误差a级中，测量系统线性误差不大于满量程的2%，测量系统灵敏阀不大于0.02m2。本系统采用接触式的测量方法，因此选用稳定性好、结构简单可靠、抗干扰性强等优点的差动变压器式电感传感器作为位移传感器。本系统选用的中原量仪e-dt-80sb型传感器具有测量精度高,灵敏度高, 装夹定位容易等优点，满足圆度仪标准jb/t 10028 1999。虽然其动态响应频率不高,但也已经能完全满足圆度测量时的速度响应要求(采样点) 。性能如下：总行程(mm)： 3测量范围(mm)： 0.5线性误差： 0.5%重复性误差(m) ：0.22.2差动变压器式位移传感器测量电路差动变压器式传感器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁拉移的大小，而不能反映移动方向，同时其测量值中将包含零点残余电压。故在实际测量时，通常采用相敏检波电路和差动整流电路。相敏检波电路，需要用初级激励电压作为相位参考来决定输出电压的极性，这就需要有恒定幅值和频率的激励信号源，需要补偿差动变压器初级和次级的相位偏移及温度、频率波动造成的误差。而差动整流电路不必考虑相位问题，电路也相对比较简单。本文选用差动整流电路对差动变压器的输出信号进行后期处理(如图2.13)。 图2.1 全波差动整流电路图2.3信号放大传感器出来的信号一般比较弱，通常只有几毫伏到几十毫伏。本传感器输出信号范围是0.028mv100mv，而a/d转换器要求满量程输入是5v。故需放大以提高分辨率和降低噪音，也使调理后信号最大值和a/d最大输入值相等，以提高转换精度。就本题目而言，只有一个通道信号输入，为不致使放大最大信号超出adc满量程，其放大倍数 即信号放大电路采用增益k=50。2.4滤波电路在圆度测量中，由于各种噪声信号的影响，使得测量数据不可信，因此必须对原始的测量数据进行滤波，滤去不必要的高频信号，取得某特定频段的信号。在本系统中所用的是二阶rc有源低通滤波(如图2.2)。2.5计数电路计数方法可以用软件实现，也可以用硬件实现。用纯软件计数虽然电路简单，但是计数速度慢，容易出错。用外接计数芯片的方法，虽然速度快，但硬件电路复杂，成本较高。综合这两种方法，本文采用软硬结合的方式，即单片机内部的计数器来实现计数。手动旋转轴承内环,速度不会过快也不会过慢,对于光电编码器的分辨率, 最高响应频率及允许最高转速要求不高; 光电编码器并不承受很大的外力,所以对其的力学性能要求也不高,考虑到工作环境,本文选择光洋旋转编码器trd-2e a完成系统设计。其性能规格如下：项目: trd-2e a分辨率:1024脉冲/转输出信号形式:ab两相最高响应频率:200khz容许最高转速:5000rpm起动扭矩 0.001nm 图2.2 二阶压控电压源低通滤波器电路表1 不确定为高或低电平 将光电编码器的计数脉冲a端接d触发器的d端和单片机的外部中断int1端，光电编码器的b端接d触发器的clk端,经过d触发器之后的脉冲即方向控制脉冲(dir)接到单片机的外部中断int1端(如2.3图4)。打开相应的中断，并置t1的门控位gate为1,这时，除需要将tr1置1外，还要使int1引脚为高电平，才能启动计数器。由表1可知，仅当dir是高电平，并且a为正或负跳变时，轴承内环正转。所以当满足内环正转条件后，传感器读数，并进行加计数。轴承内环转动一周，进入中断程序，将采集的数据送入pc，并计算出差值，从而得出圆度。 图2.3 计数电路接线图此电路在轴承内环反转和不转时，不采集数据。从而保证了数据的准确性，排除了操作员的抖动引起内环反转带来的不准确性。3. a/d转换器的选择对于a/d转换器的选择来说，转换率和分辨率是两个重要参数。其设计如下5：3.1.转换率的选择系统中，光电编码器控制着adc的采样，光电编码器旋转一周，adc采样1024次，手动旋转光电编码器旋转一周用时最少0.8秒，即光电编码器采样率最大为1.25,因此adc的转换率要大于光电编码器采样率1.25。3.2分辨率的选择传感器测量范围0.5mm，测量精度1m。通过实际测量，传感器最大输出信号为1.25v，即为传感器最大测量位移0.5mm，则当测头径向移动1m，传感器输出信号电压为u， 即u为传感器最小输出信号。根据分辨率公式4.1 本系统adc分辨率实际选择n=10。n取大值，a/d转换精度提高，但价格昂贵，不够经济。实际中，传感器输出信号太弱小，需经放大电路放大，放大的信号送入a/d就可降低a/d的分辨率，故选择n=10位。综上所有计算结果结合实际工作情况，联系经济条件决定采用motorola 公司生产的一种基于cmos 制造工艺的双积分型a/d转换器mc14433。其工作性能如下：3(1/2)位双积分型adc工作电压范围为：双电源4.5-8v,a/d转换精度为0.05%(11位二进制数)，对应于50-150khz时钟频率，转换率为4-10t/s(大于光电编码器转换率)。4.结论本文介绍的滚动轴承圆度仪可以对轴承的圆度进行准确的测量，具有电路简单，稳定可靠的优点。采用光电编码器等角度采样，防止抖动(反转)导致的误差，提高了测量精度。采用led显示，避免了传统轴承内环圆度测量仪读数吃力, 劳动强度大等的问题。采样数据通过串口发送到pc，便于集中分析轴承数据，弥补了传统的检测仪不具有数据处理的不足。该圆度仪结构简单可靠、测量精度高、稳定性好、经济性好，具有较好的应用前景。参考文献1 gbt 4380-1984 确定圆度误差的方法 两点、三点法 北京 国家标准局发布 19842 jb/t 10028 1999 圆度仪 北京