江純清，劉金秀，熊子健，姬惠立

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039）

圓度、波紋度是軸類及軸承零件的主要參數(shù)，圓度誤差的存在直接影響軸與軸承的配合精度、旋轉(zhuǎn)精度、摩擦、振動和噪聲等，使得整機的振動、噪聲、潤滑及密封受到影響，進而影響到整機的精度、噪聲和使用壽命。

Y9030D型通用圓度測量儀是依照國家標準設(shè)計［1］，以精密氣浮主軸為基準，采用計算機控制、測量的轉(zhuǎn)臺式圓度測量儀，可用于軸類及軸承零件的圓度、波紋度等參數(shù)的精密測量。

1 工作原理及主要技術(shù)指標

Y9030D采用半徑法測量原理，工作臺回轉(zhuǎn)方式。工件放置在與空氣主軸軸線相對垂直的調(diào)平調(diào)心工作臺上，位移傳感器固定在可X，Y向移動的精密直線導軌上，移動測頭接觸工件，調(diào)整工作臺使工件回轉(zhuǎn)中心與主軸回轉(zhuǎn)中心基本重合，工件隨主軸帶動的工作臺旋轉(zhuǎn)，傳感器在工件被測截面測量工件的半徑變化量，通過信號采集、數(shù)據(jù)處理，計算并顯示出工件圓度、波紋度等參數(shù)。儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Y9030D結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of Y9030D

Y9030D的主要技術(shù)指標如下：測量參數(shù)為圓度和波紋度；主軸誤差（徑向精度）±0.025μm；系統(tǒng)綜合精度0.06μm；波段范圍為（1～15）UPR，（1～50）UPR，（1～150）UPR，（1～500）UPR，（1～1 500）UPR，（15～500）UPR和（15～1 500）UPR；評定方法采用最小二乘圓、最小區(qū)域圓、最大內(nèi)接圓及最小外切圓；軸向載荷500 N；主軸轉(zhuǎn)速2～6 r/min內(nèi)有級可調(diào)；測量范圍為φ5～300 mm，最大高度為400 mm。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 高精度氣浮主軸的設(shè)計

高精度主軸是半徑法圓度儀的核心部件，作為測量的定位基準，其旋轉(zhuǎn)精度應優(yōu)于0.06μm。因此，以靜壓空氣主軸［2-3］為基礎(chǔ)，在保證設(shè)計精度的同時，針對主軸軸向承載較大（500 N）的特點，改進了主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計。改進后的主軸結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用了雙止推結(jié)構(gòu)，保證了適當?shù)妮S向間隙和徑向間隙，并設(shè)計了合理的節(jié)流孔排布形式和尺寸。

圖2 主軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of spindle

2.2 調(diào)平調(diào)心工作臺

調(diào)平調(diào)心工作臺是一種浮動式工作臺，用于調(diào)整被測工件的狀態(tài)。調(diào)平是將回轉(zhuǎn)工作臺的工作面調(diào)整至與空氣主軸的回轉(zhuǎn)軸線垂直，調(diào)心則是將被測工件的幾何中心調(diào)整至與空氣主軸回轉(zhuǎn)軸線重合，其原理如圖3所示。

圖3 調(diào)平調(diào)心工作臺Fig.3 Centring and leveling worktable

調(diào)平調(diào)心工作臺由主工作盤、浮動工作盤和定位工作盤等3塊圓形工作盤通過1個球冠和3排鋼球組合而成。主工作盤和浮動工作盤用SR75球冠支承，浮動工作盤和定位工作盤通過三排φ12 mm的鋼球支承，3塊工作盤之間的可調(diào)整量由7根彈簧實現(xiàn)，并由調(diào)整限位塊防止互相脫離。

調(diào)平時，轉(zhuǎn)動調(diào)平旋鈕，與主工作盤相對固定的球冠在浮動工作盤中旋轉(zhuǎn)，主工作盤臺面發(fā)生傾斜，通過2個相對垂直的調(diào)平旋鈕實現(xiàn)工作臺的調(diào)平功能。調(diào)心時，轉(zhuǎn)動調(diào)心旋鈕，浮動工作盤通過鋼球在定位工作盤上平行移動，帶動主工作盤沿與回轉(zhuǎn)軸線垂直的方向移動，通過2個相對垂直的調(diào)心旋鈕實現(xiàn)工作臺的調(diào)心功能。

2.3 低振動主軸驅(qū)動設(shè)計

高精度空氣主軸的驅(qū)動是一個關(guān)鍵技術(shù)點，由于空氣主軸的特性，其抗附加力矩的能力較差，設(shè)計中應盡量避免驅(qū)動電動機自身振動產(chǎn)生的影響，并選用合適的柔性聯(lián)軸節(jié)。因此，驅(qū)動電動機選用專用的小型、高輸出功率、高效率的無刷調(diào)速電動機，其運行噪聲小、振動低且為閉環(huán)控制，速度變動率低至±0.2%，測量過程中的速度穩(wěn)定性好，運行平穩(wěn)；連接方式采用非接觸的永磁式連接方式，具有軟啟動、隔振效果好、壽命長等優(yōu)點；此外，在機架上采用了效果良好的氣墊式減振方法，降低了環(huán)境振動對儀器的影響，提高了儀器的測量精度。

2.4 直線導軌平移臺

Y9030D采用了專用的防塵電動平移臺。平移臺采用精密直線導軌（方導軌）結(jié)構(gòu)，精密滾珠絲杠推進，導程2 mm，整步分辨率25μm，重復定位精度±1μm，運動直線度2μm/400 mm，兩相混合式步進電動機驅(qū)動。直線導軌可自動消除間隙，移動時運動平穩(wěn)，靜止狀態(tài)穩(wěn)定性好，保證傳感器在測量過程中的基準穩(wěn)定可靠。

3 電氣及軟件設(shè)計

3.1 電氣控制原理

電氣部分硬件由電感式位移傳感器及信號調(diào)理電路、主軸電動機及其控制電路、I/O接口、多功能數(shù)據(jù)采集卡、圓光柵編碼器、雙軸步進電動機及驅(qū)動器、限位及接口電路、運動控制卡和計算機組成，電氣控制框圖如圖4所示。

圖4 電氣控制框圖Fig.4 Diagram of electrical control section

Y9030D采用計算機作為中央處理單元及控制中心，實現(xiàn)移動控制、位移信號采集、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示、存儲、打印等功能。計算機利用分體式圓光柵編碼器產(chǎn)生的每轉(zhuǎn)2 048的脈沖信號，同步記錄與位移傳感器信號相對應的圓周方向角度信號。多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-9111DG具有16路單端模擬量輸入12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率100 kHz，共32路I/O。運動控制選用DMC2210 PCI總線2軸運動控制卡。硬件電路集成度高、穩(wěn)定性好，保證了儀器的測量精度和長期穩(wěn)定性，符合現(xiàn)代測量儀器的智能化發(fā)展趨勢。

3.2 高精度電感測頭及信號調(diào)理電路

低噪聲信號的采集是精密測量的基礎(chǔ)。位移傳感器采用了自制的加長桿結(jié)構(gòu)差動電感式旁向傳感器，重復誤差0.05μm，量程±0.5 mm。信號調(diào)理電路選用AD698線性位移差分傳感器（LVDT）專用芯片［4］作為測量電路的核心芯片，其自身集成了內(nèi)部振蕩器、相位解調(diào)器、初級放大器和輔助放大器，原理框圖如圖5所示。

圖5 AD698原理框圖Fig.5 Functional block diagram

在電路設(shè)計時，關(guān)鍵元件選用了低噪聲、低溫漂的元器件。調(diào)理電路向傳感器提供正弦波激勵信號，激勵頻率和激勵電壓幅值的選取考慮了傳感器的特性，經(jīng)反復試驗后將激勵電壓定為3 Vrms，頻率定為12 kHz，頻率精度高于±0.9%。信號的初級放大器及鑒相電路直接利用了AD698芯片內(nèi)置的高穩(wěn)定性電路，其中初級放大器的增益誤差小于±1.0%FS，二級放大器及多量程通道設(shè)計了2節(jié)無限增益多端反饋（MFB）切比雪夫低通濾波器［5］。電路具有集成度高、噪聲小、靈敏度及分辨率高、線性度好、工作穩(wěn)定的特點，可滿足高精度測量的需要。

3.3 運動控制

控制電路選用的DMC2210［6］是一款基于PCI總線、以ASIC為核心的性能優(yōu)越、功能強大的運動控制卡。設(shè)計中應用LabWindows/CVI編程工具，通過板卡提供的適用于Windows操作系統(tǒng)的DLL函數(shù)庫進行編程，用其控制低噪聲數(shù)字式步進驅(qū)動器，分別驅(qū)動X，Y軸兩相混合式步進電動機控制安裝在平移臺上傳感器的測量位置。導軌兩端安裝有光電式限位檢測開關(guān)，限位信號接入運動控制卡，防止運動超量程。圓光柵A/B相正交編碼器信號接至運動控制卡的28位二進制正/反位置計數(shù)器輸入端口，用于檢測工作盤的旋轉(zhuǎn)角度。

3.4 基于Windows的專用測量分析軟件設(shè)計

虛擬儀器是計算機、儀器和信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其通過軟件將計算機強大的計算處理能力與硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，實現(xiàn)智能儀器的數(shù)據(jù)采集、分析處理、顯示和存儲功能。Y9030D的軟件設(shè)計采用LabWindows/CVI虛擬儀器軟件開發(fā)平臺［7-8］，開發(fā)的應用程序運行在Windows操作系統(tǒng)上，程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Flow chart of program

儀器的顯示界面如圖7所示，分為參數(shù)設(shè)置、測量控制、數(shù)據(jù)和圖形顯示、諧波分析、斜率分析、數(shù)據(jù)保存與打印等模塊?？娠@示各個濾波段的圓度值、偏心、偏心角度、最大諧波及其幅值，也可選擇需要計算的參數(shù)、濾波范圍、評定方法（最小二乘圓、最小區(qū)域圓、最小外接圓、最大內(nèi)切圓）、圖形放大倍數(shù)等。

圖7 儀器顯示界面Fig.7 Interface of instrument

除主要圓度測量功能外，諧波分析可給出構(gòu)成工件輪廓曲線圓度波紋度各個諧波成分的幅度數(shù)值，指導用戶改進加工工藝；斜率分析可對代表被測工件輪廓圖形的數(shù)據(jù)進行一階微分，給出被測工件輪廓曲線相對不同分析窗口的變化率。斜率分析的工程意義在于：相同的圓度波紋度值，若斜率值不同，則較大斜率值的被測工件在滾動軸承中引起的振動較大。

4 實際應用

出廠前按公司圓度儀檢驗規(guī)程對Y9030D進行了測試，主要檢驗項目見表1，由表可知，Y9030D的各項指標均符合要求。另外，經(jīng)過一年多的生產(chǎn)現(xiàn)場使用，Y9030D的測量精度完全滿足用戶要求，且運行穩(wěn)定可靠。

表1 出廠檢驗報告Tab.1 Factory inspection report

Y9030D屬于低速、通用型圓度測量儀，測量精度高，操作方便，應用范圍廣，目前已形成Y90xxD系列產(chǎn)品，可推廣應用于汽車、機床、航空航天等精密機械制造企業(yè)以及大專院校、科研院所、計量單位等研究機構(gòu)。