滚动轴承内环圆度数字系统研究
& a! H; K0 J7 P6 c5 N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。
+ j. O/ @ ]. D3 k5 |关键字:轴承检测;位移传感器;单片机;光电编码器:圆度仪 8 T8 i* S; Z+ _0 c: i
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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。 1 {$ V& g+ X5 W6 `: ^
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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 A1 g" C- I9 F7 T: J
. b) ?6 w& O$ L% T1 系统的总体设计 1 ^, L* U; P0 t/ N
4 ^3 h( J8 u" [3 J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)。
* T/ T1 @" F3 T- \( ~; Z! k图1 系统整体框图 & E' e* E ]. O3 V( z. L3 W% R/ K
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 
. D6 E& U" Q" n [- A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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; T6 q& r E+ v) q' U2 检测部分 : l$ `0 z$ I5 h* C, d P# g% x6 t! I5 F
/ V# ^& e; c1 q" k: P5 G2.1传感器的选用 # c; @! D7 R$ L& w
9 j: T L) I" e0 C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]。 / V9 l- l8 ^* h; j" O! G
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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。 ! D g9 ^* M/ x) u) t
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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: " |& f) ^/ q' k1 I. ^
3 c0 h b; O+ ~- ?3 c. v/ X) R总行程(mm): 3
2 o, V, f6 `+ U4 P2 H# A% E; `测量范围(mm): ±0.5 ; C, Y! H2 G! @9 ^
线性误差: ±0.5%
2 p+ `* C% X3 C* i9 P5 S重复性误差(μm) :0.2
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2.2差动变压器式位移传感器测量电路
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. ]# P: s, L# v+ X) v" u! Z( o9 Z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])。 0 t& Z; W! L5 T0 t. ?) |6 {
图2.1 全波差动整流电路图 2 B- ]' M7 Z9 `# j
2.3信号放大 : b5 Z# h& F, o: D# i7 ^" B
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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
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: i/ Y3 h* x# l* E1 m即信号放大电路采用增益K=50。
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: K M1 ]7 O1 M- e$ O9 i2.4滤波电路
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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)。 # `) ? `: |$ ]" @4 U% e
1 u- j3 b5 A) t2.5计数电路 & k* c& i3 F% S8 X" ], r6 A
, ~/ S1 H" Z6 G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。 , q1 k4 Y5 |3 ?" Z
/ n5 `- G+ c T7 G6 U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:
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项目: TRD-2E A * W# H/ K9 U0 {# ~9 Q$ N1 x' h
分辨率:1024脉冲/转
2 d% o9 f9 j) ?: h# M/ m输出信号形式:A·B两相 3 a$ ^. D! d5 ]2 m' X6 i- u P3 a
最高响应频率:200kHz 1 n# u* w3 a. D1 _ l S7 I& {
容许最高转速:5000rpm
# s9 ^8 ?8 Z) T0 P1 w/ ^- v; c起动扭矩 ≤0.001N·m
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4 N. ~# L* Q+ z$ K" ~7 B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
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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。 9 [8 O7 }& w3 [: h+ G9 H5 n! `
图2.3 计数电路接线图 - g% j0 a1 c! @" {5 v; p* ~
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。 % b+ R: h0 Z9 ]6 o& t
5 Q) P _6 H6 m2 n3. A/D转换器的选择
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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]: 8 C! |" @ K1 G* }
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3.1.转换率的选择 8 [( u1 D }0 J Z
) P& A+ V$ @7 V; j' N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。 % S8 d& t. i$ b( h3 @( Z, @
. g2 M" s6 Y- j f/ q. m3.2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 
5 ?( Y8 M4 c: j" v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。
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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: + p! \# E- w1 `* q' Q
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3(1/2)位双积分型ADC : n2 i3 n1 i" U9 u1 g, E
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工作电压范围为:双电源4.5-8V,
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A/D转换精度为0.05%(11位二进制数), , s. G5 U/ D- c9 D( \& [
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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)。
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1 k' K: [6 \5 u, |: ~1 G' r+ T3 S4.结论
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" u- {$ \6 ~& R6 q9 T5 r9 x; s& 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。 |