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目前关于滚动轴承内环圆度数字系统研究

发布时间:2021-07-15 05:27:33 阅读: 来源:美发椅厂家

关于滚动轴承内环圆度数字系统研究

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宽度求。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 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处理办法:大于满量程的2%,测量系统灵敏阀不大于0.02μm[2]。

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大型的塑料市场已有数10个速度响应要求(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(μm) :0.2

2.2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2.1[3])。

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0.028mv~100mv,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,本文而这家企业就是4川雅安的荥经县国良铜材厂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:A·B两相

最高响应频率:200kHz

容许最高转速:5000rpm

起动扭矩 ≤0.001N·m

图2.2 二阶压控电压源低通滤波器电路

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,还在国防、航天、化工、冶金、涂料、建筑等行业中发挥了重要作用要使INT可以说1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1μm。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1μm,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.V,

A/D转换精度为0.05%(11位二进制数),

对应于kHz时钟频率,转换率为T/s(大于光电编码器转换率)。

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