滚动轴承内环圆度数字系统研究

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滚动轴承内环圆度数字系统研究
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。
- e/ R# k9 C9 v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。
' g0 N9 G1 V  L* M4 _# `
, H: [6 B- v0 j- ?5 _! x0 }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。

2 V4 g: S. M4 \2 U1 系统的总体设计
4 ?2 O( q6 y4 F( n  \. i
/ ~6 j* D1 {4 p) v2 `1 B, @- A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）。

/ E1 a- W" G' y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。
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2 检测部分
: `+ i, O) R) G  ^5 P& t
# U. R% I; n- @: k  @$ L( l2.1传感器的选用
# x+ N; m# E/ K4 ]+ h- ?# A
0 t9 u* [+ F  [# \* [  j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0.02μm[2]。
! W9 r& m3 X" d% \$ T, f
. R1 x) B4 D$ O6 @; p2 e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：
; L) r* a$ }( g0 p. y& f
" Z3 A: G1 O" o总行程（mm）： 3
测量范围（mm）： ±0.5
  f# k& `6 E/ m9 b0 V线性误差： ±0.5%
; v1 g/ t& {+ V1 V/ |: e重复性误差（μm） ：0.2
6 s0 O1 a8 @) H6 z/ r4 X. L
2.2差动变压器式位移传感器测量电路
- m* e5 [% X6 K7 B7 y2 H0 A, {
- L, A/ S; u3 ?4 X+ x; w) ^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
' o  H! p: R4 y" \* x, B! E
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
0 v* D* ]8 H$ u. M, b2 p

即信号放大电路采用增益K=50。
0 y. I$ l  Y$ B  J( e
2.4滤波电路
. H4 ~4 n+ W; N
% H& y$ X$ M& x, q- v! B% B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）。
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3 T3 V1 d! {! k" p6 E9 t! _2.5计数电路

- t3 |' o: X0 X" P2 f4 v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：
0 P, H! T, F8 g
: \# a7 [: e: R, }/ C项目: TRD-2E A
1 v% G; P& K6 ?分辨率:1024脉冲/转
输出信号形式:A·B两相
最高响应频率:200kHz
) g* x1 U0 }" I, b容许最高转速:5000rpm
起动扭矩 ≤0.001N·m
1 S2 i, ^# {/ r

) ]- w) h. X5 U! g  L- I! q) v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。

+ Z6 h5 i* i* a) O* p& t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。
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3. A/D转换器的选择
7 q; U3 i1 e, A# x1 K2 Z
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]：

0 U( |  J6 y7 Q9 y* V- M* f! R: d) E3.1.转换率的选择
5 ^3 H% {9 v, Q
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。
: O! s8 P6 ^  c/ ^3 x+ c( h  ?
+ \; x; ^- u& n6 Y& H3.2分辨率的选择
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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。

( h. g0 Z% ~7 w/ l+ B$ b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：
( k+ y* w  l3 G" {$ Z, O1 P
& N, T! E: g3 c5 v; b3（1/2）位双积分型ADC

& M9 k7 h+ j" D工作电压范围为：双电源4.5-8V,
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! c' S% \* K7 \& ?$ NA/D转换精度为0.05%（11位二进制数），
8 S. k: F- ?& Q. {. g% Y
6 f# ?- x0 V7 {% u! R1 u5 k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）。

9 g8 A4 r$ g2 _6 ^4.结论
+ W, {, }8 y* e' M4 A8 }7 s2 h
4 V$ O/ I! C) A& c: V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。