何貞志，周 坪，邵明輝，胡寧寧

(1.江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116)

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圓錐滾子直徑自動測量分組系統(tǒng)設計*

何貞志1，周 坪2，邵明輝1，胡寧寧1

(1.江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116)

文章介紹了研制的一種圓錐滾子直徑自動測量分組系統(tǒng)。包括機械裝置和測控系統(tǒng)，其中機械裝置由加載機構、傳感器測量機構和滾子定位機構等組成，測控系統(tǒng)由電感位移傳感器、PLC和觸摸屏等組成。使用一對電感位移傳感器差動測量滾子直徑方向上兩點的位移變化，經過PLC分析處理，得到測量結果并進行直徑分組，同時在觸摸屏上顯示。實驗結果表明，測量分組系統(tǒng)的測量精度達到了±0.5μm，能夠實現圓錐滾子直徑的快速精準測量和不同公差滾子的分組，滿足圓錐滾子直徑自動測量分組的要求。

圓錐滾子；直徑測量；滾子分組；電感位移傳感器；差動測量

0 引言

圓錐滾子是圓錐滾子軸承的重要組成部分之一，其質量決定了軸承的性能[1]。一套軸承有多個圓錐滾子，圓錐滾子間的直徑尺寸差異會使軸承在運轉時只有少數幾個滾子承受摩擦作用。這樣不僅會影響軸承的游隙和旋轉精度、摩擦力矩、振動和噪聲，而且會使軸承承載能力大大降低，滾動接觸面應力增大，從而降低了軸承的使用壽命[2]。直徑是圓錐滾子的主要精度指標之一，當前精密機械加工業(yè)仍然難以保證同一批次的圓錐滾子直徑的精度完全一致。在不增加圓錐滾子加工難度的條件下，要保證軸承的良好的使用性能，軸承裝配通常采取分組配套裝配的方法[3-4]。

軸承的分組配套裝配是軸承裝配過程中一個非常重要的工序環(huán)節(jié)，先將軸承內圈、外圈的滾道直徑按照一定的尺寸公差分成若干組，之后再將滾動體直徑按照尺寸公差進行相應的分組，最后，根據內、外套圈的溝道直徑，選擇某一組的滾動體進行裝配，從而保證配合精度，使軸承運轉正常，發(fā)揮最優(yōu)的使用效能[5-6]。圓錐滾子直徑的測量分選是軸承分組裝配過程中一個不可缺少的環(huán)節(jié)，將直接影響產品的質量。

目前，在我國不少中小型廠家的圓錐滾子的直徑測量還停留在手工抽檢測量的階段，采用D743或者D744圓錐滾子測量儀進行直徑測量，部分廠家采用機械式自動測量分組設備或電氣式自動測量分組設備。這些分組設備基本是采用臥式測量方法，利用圓錐滾子的大端面和滾子錐面定位，采用單個傳感器接觸式測量的。以上測量方法由于使用滾子錐面和大端面進行定位，測量結果中易引入錐角誤差[7-8]。

為了解決上述測量方法的不足，提高測量精度，文章設計了一種基于立式測量方式的圓錐滾子直徑自動測量分組系統(tǒng)，以圓錐滾子大端球基面為定位基準，避免了臥式測量引入的錐角誤差和人為分組時的干擾因素。本系統(tǒng)的測量精度達到了±0.5μm，提高了滾子分組精度和軸承的使用性能。

1 測量原理與系統(tǒng)方案

1.1 測量原理

在對圓錐滾子的直徑進行測量前，應對滾子進行準確地定位，定位的精度直接影響測量結果的精準度。滾子大端球基面是圓錐滾子的設計基準和加工基準，根據技術測量中的基準統(tǒng)一原則，各種基準原則上應該一致，這樣可以提高測量結果的精確度及可靠性。所以，選擇圓錐滾子大端球基面作為測量基準面；此外，為了消除圓錐滾子錐角對測量結果的影響，選擇立式測量方式為圓錐滾子測量方式。

圓錐滾子的定位方案如圖1所示，將待測滾子豎直放置在定位底座上，大端在下，小端在上，以滾子的球基面作為測量定位基準面，同時在定位套筒上施加上載荷以對滾子扶正、定心，從而實現對滾子的定位。

圖1 定位及測量方案示意圖

對于單一圓錐滾子，采取一對傳感器差動方式測量固定截面處的直徑值，測量方法示意如圖1所示。兩個電感位移傳感器分別測量滾子直徑方向上兩點的位移變化，其差動測量結果即為待測滾子直徑與標準值之間的差值。由于滾子的形狀特點，所取截面不同，直徑也不同，一般取滾子長度中部的徑向平面測得的直徑值作為該滾子的直徑測量值[9]。

在對待測滾子開始測量之前，需要對儀器進行校準，即系統(tǒng)零位調整，其校準結果為標準件直徑測量結果(標準值)。本測量系統(tǒng)的校準方法為：根據滾子定位和測量方法，使用標準圓柱體調整測量系統(tǒng)的零點位置，并將結果保存，作為后續(xù)測量結果的基準值(標準值)。

設標準圓柱體的直徑為d，傳感器1測量值為d1，傳感器2測量值為d2，則校準結果(標準值)d0可表示為：

d0=d-(d1+d2)

(1)

當測量待測滾子時，若傳感器1的測量值為D1，傳感器2測量值為D2，則該待測滾子的實際直徑D可表示為：

D=(D1+D2)+d0=(D1+D2)+d-(d1+d2)

(2)

1.2 系統(tǒng)方案

圓錐滾子直徑測量分組系統(tǒng)由機械裝置和測控系統(tǒng)兩部分組成，其結構框圖如圖2所示。機械裝置主要包括滾子定位機構、驅動加載機構和傳感器測量機構等，測控系統(tǒng)主要包括PLC和觸摸屏等，磁性開關檢測氣缸活塞的位置、位移傳感器檢測圓錐滾子的直徑，其信號由PLC采集并處理，實現對機械裝置的控制和對滾子直徑的檢測。

圖2 系統(tǒng)總體方案結構框圖

2 機械裝置結構設計

機械裝置結構如圖3所示，主要由滾子定位機構、傳感器測量機構和驅動加載機構等組成。滾子定位機構包括定位套筒、直線軸承、彈簧和定位座，來保證測量時滾子的可靠定位；傳感器測量機構包括左撓性規(guī)和右撓性規(guī)，固定在固定架上，來保證傳感器相對滾子的位置，同時固定測量頭，保證測量時測量頭所測位置的穩(wěn)定性；驅動加載機構將傳感器運送到滾子的測量位置，確保測量位置的穩(wěn)定不變和運動過程的穩(wěn)定性，主要包括測量缸、限位塊和直線導軌等，其中限位塊的作用為固定圓錐滾子的測量截面位置。

1.測量缸 2.連接器 3.防轉塊 4.固定架 5.直線軸承 6.導桿 7.彈簧 8.定位套筒 9.待測滾子10.定位座 11.底座 12.限位塊 13.直線導軌 14.左撓性規(guī) 15.右撓性規(guī) 16.支架

圖3 機械裝置結構圖

撓性規(guī)的結構如圖4所示，其中位移傳感器穿過右簧片固定在固定架上，并與移動架接觸。其工作原理為：在探桿前端的探頭沿滾子直徑方向運動的過程中，其位移的變動帶動移動架位移的變動，從而引起位移傳感器測量值的變化，移動架可在簧片的作用下復位。左、右撓性規(guī)上的電感位移傳感器分別測量得到滾子直徑方向上兩點的位移變化，其差動測量結果即為待測滾子直徑與標準值之間的差值。

1.固定架 2.移動架 3.左簧片 4.探桿 5.探頭 6.右簧片 7.位移傳感器

圖4 撓性規(guī)結構圖

3 測控系統(tǒng)設計

測控系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分，包括PLC、開關、傳感器、信號處理模塊SI200和觸摸屏等，完成運動控制和直徑測量兩個部分，并實現人機交互功能；軟件部分，由PLC控制整個系統(tǒng)的邏輯運算、動作順序、動作時間和采樣頻率等，實現對測量數據的采集和數據處理等。

3.1 測控系統(tǒng)硬件設計

測控系統(tǒng)硬件結構原理圖如圖5所示。使用兩個傳感器差動測量滾子固定截面的直徑值，由信號處理模塊SI200預處理、A/D變換后輸出數字量；PLC通過RS232接口與SI200通訊，讀取測量結果，并對數據進行分析和處理，得到直徑值、直徑分組結果、統(tǒng)計信息等；觸摸屏與PLC間基于RS232通訊，獲取PLC的測量及分析結果并顯示，同時發(fā)送控制信號給PLC，控制程序的運行。

圖5 測控系統(tǒng)硬件結構原理圖

3.2 測控系統(tǒng)軟件設計

測控系統(tǒng)軟件分為動作控制和數據采集處理兩部分。其系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

動作控制程序主要由PLC實現，其工作過程為：

(1)初始狀態(tài)：測量缸處于原位，校準操作時觸摸屏處于標定界面，測量操作時觸摸屏處于測量分組界面；

(2)滾子定位：將滾子大端朝下放在定位底座上，啟動系統(tǒng)，測量缸伸出，定位套筒接觸滾子小端，完成定位；

(3)測量過程：定位套筒接觸滾子小端，測量缸繼續(xù)伸出加載，彈簧被壓縮，探頭沿滾子直徑方向向下運動，直到傳感器固定架接觸到限位塊，此時啟動采樣；

(4)復位過程：測量結束后，測量缸退回，同時定位套筒離開滾子小端，系統(tǒng)復位。

數據采集處理程序由PLC和觸摸屏共同完成。當測量準備好后，PLC通過RS232接口與SI200通訊，讀取傳感器的測量結果，并對結果進行分析、計算，將結果輸出(包括滾子直徑值和分組結果)，并發(fā)送到觸摸屏顯示。

4 實驗結果與分析

測量分組系統(tǒng)的總體結構如圖7所示。由于滾子的分組間隔是根據測量精度而定的，所以系統(tǒng)的測量精度越高，分組精度也就越高，軸承的機械性能就越好。

圖7 測量分組系統(tǒng)總體結構

下面為驗證測量分組系統(tǒng)的測量精度，進行了重復性精度試驗。以某型號圓錐滾子為例，分別采用圖8所示基于臥式測量方式的測量儀和圖7所示基于立式測量方式的測量分組系統(tǒng)進行重復性測量實驗，重復測量20次，得到待測滾子固定截面的相對直徑變動量。測量結果如圖9所示。

圖8 臥式測量

圖9 測量結果

可得測量結果的算術平均值為：

(3)

其中，xi為各次測量結果，n為測量次數。由實驗結果可計算得到測量列單次測量的標準差為：

(4)

取顯著度α=0.05，測量列單次測量的極限誤差為[10]：

(5)

根據式(3)～式(5)得到的兩種測量的分析結果如表1所示。

表1 測量及分析結果

由分析可知，所設計的基于立式測量方式的測量分組系統(tǒng)滿足±0.5μm的精度要求，高于基于臥式測量方式的測量儀。進一步的，更高的分組精度使軸承獲得更好的機械性能。

5 總結

文章針對現有圓錐滾子直徑測量方法的不足，設計和開發(fā)了一種基于兩點式雙傳感器差動測量方式的圓錐滾子直徑自動測量分組系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的測量方法，詳細介紹了系統(tǒng)的機械結構設計和測控系統(tǒng)設計，最后對系統(tǒng)進行了重復性精度試驗。結果表明，所設計的基于立式測量方式的測量分組系統(tǒng)滿足±0.5μm的測量精度要求，且系統(tǒng)的自動分組功能可減少人為因素引起的錯誤分組。圓錐滾子直徑自動測量分組系統(tǒng)的設計與實現，為滾子直徑測量和分組提供了依據，目前該系統(tǒng)已在相關企業(yè)得到了良好應用。

[1] 崔明,顧啟民,黃震. 基于機器視覺的軸承滾動體缺陷檢測算法研究[J]. 組合機床與自動化加工技術,2015(11):74-78.

[2] 蔡亞新.圓錐滾子軸承互換性設計及分析[J].軸承,2005(2):4-7.

[3] SM Kannan, V Jayabalan. A New Grouping Method for Minimizing the Surplus Parts in Selective Assembly[J]. Quality Engineering,2001,14(1):67-75.

[4] 蔡善樂.機器裝配中的分組裝配法理論分析[J].甘肅工業(yè)大學學報,1993,19(2):71-76.

[5] 李保財.軸承滾針直徑高速分選技術研究[D].武漢:華中科技大學,2011.

[6] 王連吉,鄒國偉,李興林,等.非接觸測量式圓柱滾子自動分選機[J].軸承,2011(3):34-37.

[7] 曾睿. 圓錐滾子直徑高速在線分選技術研究[D].武漢:華中科技大學,2014.

[8] 殷濱杰,馬毅. 圓錐滾子基面球徑與直徑測量關系的探討[J]. 哈爾濱軸承, 2012(2): 84-85.

[9] JB/T 10235-2001, 滾動軸承.圓錐滾子,技術條件[S].

[10] 何貞志,陳於學,楊曙年. 基于LabVIEW的圓錐滾子軸承裝配高在線自動檢測系統(tǒng)[J]. 儀表技術與傳感器,2010(7):39-41.

(編輯 李秀敏)

Design of Automatic Measurement and Grouping System for the Diameter of Tapered Roller Bearing

HE Zhen-zhi1，ZHOU Ping2，SHAO Ming-hui1，HU Ning-ning1

(1.School of Mechanical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou Jiangsu 221116,China;2.School of Mechanical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116,China)

An automatic measurement and grouping system for the diameter of tapered roller was presented in this paper, which includes mechanism device and control system. The mechanism device is consisted of load mechanism, measuring mechanism using sensors and roller positioning mechanism. The control system is made up of inductive displacement sensors, PLC, touch screen and so on. A pair of inductance displacement sensors is used to differentially measure the displacement changes of two points in the direction of diameter. Meanwhile, the measurement results including the diameters grouping results would be displayed on the touch screen after being analyzed by PLC. Experimental results showed that the system measuring accuracy can reach ±0.5μm, which realized both the fast and accurate diameters measurement and group division of tapered rollers and satisfied the requirement of automatic measurement and grouping.

tapered roller；diameter measurement；roller grouping；inductive displacement sensor; differential measurement

1001-2265(2016)10-0095-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.025

2016-06-14；

2016-07-15

國家自然科學基金-青年科學基金項目(51505201)；江蘇師范大學?？蒲谢痦?14XLR023)

何貞志(1982—)，男，江蘇徐州人，江蘇師范大學講師，博士，研究方向為軸承振動機理、信號分析，(E-mail)hezz82@163com；通訊作者：周坪(1992—)，男，重慶人，中國礦業(yè)大學碩士研究生，研究方向為機械設計及自動化，(E-mail)1147001926@qq.com。

TH122；TG65

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