一種大型滾動軸承旋轉(zhuǎn)精度測量儀

孫建勇，江巖，胡英貝，王冬燕，張文濤

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003；3.北京航天動力研究所，北京 100076)

套圈跳動是判斷精密軸承旋轉(zhuǎn)精度的重要技術(shù)指標(biāo)[1]。目前，用于精密軸承套圈跳動測量的儀器基本能夠滿足內(nèi)徑300 mm以下軸承的測量需求，無法精確測量更大尺寸軸承的套圈跳動。因此，研制了一種大型滾動軸承旋轉(zhuǎn)精度測量儀，同時引入軸系回轉(zhuǎn)精度誤差分離理論，分離出套圈的形狀誤差和跳動。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)大型滾動軸承的測量要求，測量儀需滿足：

1)內(nèi)徑測量范圍300～1 600 mm，外徑測量范圍400～2 000 mm。

2)跳動測量重復(fù)性誤差不大于5 μm，形狀誤差測量重復(fù)性誤差不大于1 μm。

2 數(shù)學(xué)模型

常用的誤差分離方法有兩點(diǎn)法和三點(diǎn)法，兩點(diǎn)法由三點(diǎn)法發(fā)展而來，但其無法完全分離零件的偏心誤差，導(dǎo)致分離結(jié)果存在誤差，因此，軸向跳動測量采用兩點(diǎn)法，徑向跳動測量采用三點(diǎn)法。

2.1 軸向跳動測量(兩點(diǎn)法)

兩點(diǎn)法的測量原理如圖1所示，將2個特性非常接近的傳感器S1和S2在圓周方向相隔180°對稱安裝，軸承旋轉(zhuǎn)一圈采樣n個點(diǎn)，對測量點(diǎn)進(jìn)行如下處理：1)求測量點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值；2)求殘余誤差并消除常數(shù)項；3)消除軸承安裝偏心對測量結(jié)果的影響；4)分離出軸承的端面跳動，求得軸承的回轉(zhuǎn)誤差信號[2-4]。

圖1 兩點(diǎn)法測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-point method measurement

傳感器在第i點(diǎn)測得的端面跳動信號S1(i)和S2(i)分別為

(1)

在第i點(diǎn)對應(yīng)的180°位置則有

(2)

將(1),(2)式進(jìn)行線性迭加可得軸承第i點(diǎn)的圓度誤差信號R(i)和回轉(zhuǎn)誤差信號E(i)，即

(3)

以此類推，可測得被測軸承上各點(diǎn)的圓度誤差信號和回轉(zhuǎn)誤差信號。

2.2 徑向跳動測量(三點(diǎn)法)

如圖2所示，將3個特性非常接近的傳感器互成角度安裝，用于測量轉(zhuǎn)臺軸承的徑向回轉(zhuǎn)誤差，測量具體步驟如下：

圖2 近似三點(diǎn)法測量原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of approximate three-point method measurement

1)三測頭信號的優(yōu)化組合，消除組合信號中的回轉(zhuǎn)誤差量。

2)對組合信號進(jìn)行快速傅里葉正變換，轉(zhuǎn)換為頻域信號。

3)將組合信號頻域值除以權(quán)函數(shù)，得到圓度誤差的頻域值。

4)對圓度誤差的頻域值進(jìn)行快速傅里葉逆變換，還原為圓度誤差的時域信號。

5)從組合信號中剔除掉圓度誤差信號，從而分離出軸承的回轉(zhuǎn)誤差信號。

3 機(jī)械設(shè)計

如圖3所示，大型滾動軸承旋轉(zhuǎn)精度測量儀主要由工作臺、直線模組、直線導(dǎo)軌、驅(qū)動電動機(jī)、萬向聯(lián)軸節(jié)、傳感器及調(diào)整裝置等構(gòu)成。

1—皮帶輪；2—驅(qū)動電動機(jī)；3—過渡軸；4—工作臺；5—萬向聯(lián)軸器；6—載荷塊；7—被測軸承；8—大理石工作臺；9—機(jī)架；10—調(diào)整直線模組(2套)；11—徑向傳感器及調(diào)整裝置(3套);12—軸向傳感器及調(diào)整裝置(2套)；13—定位直線導(dǎo)軌圖3 大型滾動軸承旋轉(zhuǎn)精度測量儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of measuring instrument for rotating accuracy of large-size rolling bearing

測量儀的工作原理為：通過定位直線導(dǎo)軌和調(diào)整直線模組對被測軸承進(jìn)行定心；調(diào)整3個徑向傳感器，使其接觸被測軸承套圈的徑向表面，使2個軸向傳感器接觸軸承套圈的軸向表面；通過載荷塊對被測軸承套圈軸向進(jìn)行加載，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過皮帶驅(qū)動精密軸系回轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過萬向聯(lián)軸器及撥叉驅(qū)動被測軸承套圈旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)動一圈后通過計算機(jī)處理傳感器的測量數(shù)據(jù)，即可得到套圈的徑向、軸向跳動以及形狀誤差。其中，測量內(nèi)圈時的軸承裝配定位如圖4所示。

1—電動機(jī)；2—磁環(huán)編碼器；3—過渡軸；4—被測軸承；5—載荷塊；6—徑向傳感器；7—軸向傳感器；8—限位塊；9—直線導(dǎo)軌圖4 軸承內(nèi)圈跳動測量定位示意圖Fig.4 Positioning diagram of bearing inner ring runout measurment

對于不同尺寸軸承的測量，只需調(diào)整定位直線導(dǎo)軌和調(diào)整直線模組的滑座位置，同步調(diào)整傳感器安裝直線導(dǎo)軌滑座位置，即可實(shí)現(xiàn)測量。

4 軟件及電氣設(shè)計

4.1 電氣設(shè)計

測量儀電氣設(shè)計原理如圖5所示，計算機(jī)通過I/O電路板控制電磁閥，控制氣缸的升降和噴嘴的通斷，徑向和軸向傳感器通過前置檢測電路將測量數(shù)據(jù)傳輸至A/D數(shù)據(jù)卡，進(jìn)入計算機(jī)測控軟件進(jìn)行分析處理并輸出測量結(jié)果。

圖5 大型滾動軸承旋轉(zhuǎn)精度測量儀電氣原理圖Fig.5 Electrical schematic diagram of measuring instrument for rotating accuracy of large-size rolling bearing

4.2 軟件設(shè)計

測量儀軟件基于LabWindows/CVI虛擬儀器軟件開發(fā)平臺開發(fā)，運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，測量主界面如圖6所示。

圖6 測量主界面圖Fig.6 Diagram of measuring main interface

在測量主界面中，可以對測量圈數(shù)進(jìn)行設(shè)定，默認(rèn)為3圈；需要更換被測軸承時，可以輸入定位位置，設(shè)置直線模組驅(qū)動速度及方式。測量完成后會顯示變化曲線和測量結(jié)果，圖形可以進(jìn)行多倍率放大選擇；結(jié)果可保存或?qū)С鰹镋xcel文件，也可直接進(jìn)行打印。

5 結(jié)果分析

在該大型滾動軸承旋轉(zhuǎn)精度測量儀上對 61868型深溝球軸承(內(nèi)徑340 mm，外徑420 mm，寬度38 mm)進(jìn)行跳動測量，結(jié)果見表1。其中，重復(fù)性誤差采用極差計算方法，即重復(fù)性誤差等于測量結(jié)果樣本中最大值與最小值之差。

表1 61868軸承跳動測量結(jié)果Tab.1 Runout measurement results for 61868 bearing μm

由測量結(jié)果可知，該大型滾動軸承旋轉(zhuǎn)精度測量儀能夠分離出套圈跳動和形狀誤差，測量重復(fù)性誤差滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

研制了基于誤差分離的用于大型滾動軸承旋轉(zhuǎn)精度精確測量的專用儀器，在大型軸承旋轉(zhuǎn)精度測量的同時分離出其本身的形狀誤差，得到更為真實(shí)的旋轉(zhuǎn)精度。經(jīng)過調(diào)試試驗(yàn)，該測試儀器能夠滿足設(shè)計要求，目前，該測量儀已經(jīng)交付客戶，使用穩(wěn)定、可靠，取得了良好的效益。