滾動軸承旋轉(zhuǎn)靈活性檢測系統(tǒng)設(shè)計

吳金河，何貞志，胡寧寧，李東旭

(江蘇師范大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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滾動軸承旋轉(zhuǎn)靈活性檢測系統(tǒng)設(shè)計

吳金河，何貞志，胡寧寧，李東旭

(江蘇師范大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

文中介紹了一種滾動軸承旋轉(zhuǎn)靈活性在線檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對旋轉(zhuǎn)齒盤轉(zhuǎn)速變化率的測量實現(xiàn)軸承旋轉(zhuǎn)靈活性的數(shù)字化檢測。機械結(jié)構(gòu)部分主要包括定心裝置、加載機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裝置、轉(zhuǎn)速測量機構(gòu)，可適用多種規(guī)格軸承。由PLC實現(xiàn)動作的控制，并開發(fā)了基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集處理程序，使用曲線擬合方法對轉(zhuǎn)速分析得到轉(zhuǎn)速變化率，作為旋轉(zhuǎn)靈活性的數(shù)字化檢測依據(jù)。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)測量精度可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)軸承靈活性無人在線檢測，滿足滾動軸承裝配線中旋轉(zhuǎn)靈活性自動化測量的要求。

滾動軸承； 旋轉(zhuǎn)靈活性； 在線檢測； LabVIEW

0 引言

滾動軸承是現(xiàn)代工業(yè)廣泛應(yīng)用的支撐部件，主要由內(nèi)圈、外圈、滾動體及保持架組成[1]。隨著工業(yè)的發(fā)展，對軸承性能提出了更高的要求。滾動軸承的旋轉(zhuǎn)靈活性是影響整個機械系統(tǒng)運轉(zhuǎn)性能的主要因素之一，因此對軸承的靈活性檢測變得尤為重要。一般而言，軸承靈活性的影響因素主要包括徑向游隙、內(nèi)外圈位置偏差、裝入的滾子直徑差、軸承磁性等因素[2]。

現(xiàn)有技術(shù)中，軸承旋轉(zhuǎn)靈活性主要包含兩種檢測方式[3]。一是采用人工檢測：工人一只手拿起軸承，緊握軸承內(nèi)圈，另一只手旋轉(zhuǎn)軸承外圈，通過手感、軸承外圈旋轉(zhuǎn)的時間，根據(jù)經(jīng)驗來判別軸承的旋轉(zhuǎn)靈活性，以判斷軸承的質(zhì)量好壞；或?qū)⒋郎y軸承放置于工作平臺上，僅使外圈接觸平臺，在軸承內(nèi)圈上放置一負(fù)荷塊，負(fù)荷塊的軸線與軸承軸線重合，且僅與內(nèi)圈接觸，人手轉(zhuǎn)動負(fù)荷塊，負(fù)荷塊帶動軸承旋轉(zhuǎn)，此時根據(jù)負(fù)荷塊的轉(zhuǎn)動情況，通過工人感官判斷軸承旋轉(zhuǎn)靈活性。這種軸承靈活性檢測方法由人工進(jìn)行檢測，勞動強度大，對工人的操作技能、經(jīng)驗等要求較高，且人工檢測效率較低，不利于自動化連續(xù)生產(chǎn)的需要。

二是采用靈活性測量裝置檢測[4]：一般方式為模擬人工檢測的過程，將軸承外圈放置在工作平臺上，內(nèi)圈上放置一負(fù)荷塊，使用電機或高壓空氣帶動負(fù)荷塊旋轉(zhuǎn)，到達(dá)一定轉(zhuǎn)速后，將動力和負(fù)荷塊脫離，使負(fù)荷塊帶動軸承自由旋轉(zhuǎn)，通過傳感器檢測一定時間內(nèi)負(fù)荷塊的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，實現(xiàn)軸承靈活性的檢測任務(wù)。該方式可以高效、準(zhǔn)確地檢測出軸承旋轉(zhuǎn)靈活性的好壞，不需人工操作，可用于自動化連續(xù)生產(chǎn)。然而現(xiàn)有靈活性檢測裝置存在以下問題：①判斷靈活性的標(biāo)準(zhǔn)均是以內(nèi)圈轉(zhuǎn)動圈數(shù)或齒輪轉(zhuǎn)過的齒數(shù)為依據(jù)，這對負(fù)荷塊的初始轉(zhuǎn)速要求較高，因此對電機或高壓空氣的要求較高。就同一軸承而言，初始轉(zhuǎn)速不同，相同時間內(nèi)內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)圈數(shù)也會不同。②由于在測量過程中負(fù)荷塊需要與動力源斷開，而現(xiàn)有結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，重心均較高，較難保證負(fù)荷塊旋轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定而對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)不足，降低成本和工人的勞動強度，將傳感器和計算機技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)一個機械結(jié)構(gòu)緊湊、易操作、可測多種規(guī)格型號、自動化程度高、檢測效率和準(zhǔn)確性高的軸承靈活性檢測系統(tǒng)。

1 檢測原理

同一種型號軸承在以相同方式旋轉(zhuǎn)時，靈活性差的軸承對應(yīng)較大轉(zhuǎn)動加速度。因此，可利用軸承轉(zhuǎn)動速度變化率來判斷軸承靈活性好壞，定義其為靈活率。由于軸承的轉(zhuǎn)動速度逐漸減慢，因此靈活率為負(fù)值，且靈活率數(shù)值越大表示該軸承靈活性越好。軸承旋轉(zhuǎn)靈活性的測量原理如圖1所示。

圖1 靈活性檢測原理

待測軸承隨負(fù)荷塊一起自由旋轉(zhuǎn)時，霍爾傳感器檢測隨軸承轉(zhuǎn)動的齒盤，當(dāng)齒頂正對傳感器時輸出高電平，齒槽正對傳感器時輸出低電平。由于軸承阻尼的存在，將得到一組時間間隔逐漸變大矩形波，如圖2所示。該矩形波的周期對應(yīng)齒盤轉(zhuǎn)過一個齒距角所需要的時間。

圖2 采樣信號

現(xiàn)取齒數(shù)為Z的齒盤作為旋轉(zhuǎn)齒盤，則齒距角θ 為：

(1)

設(shè)ti時刻齒盤轉(zhuǎn)過某個齒的時間為Ti，則轉(zhuǎn)過該齒的瞬時角速度為ωi=θ/Ti。

為了減小測量誤差，取轉(zhuǎn)過n個齒的時間為Tni，則ti時刻轉(zhuǎn)過該段齒的平均角速度為：

(2)

由此可得ti時刻轉(zhuǎn)動加速度，即靈活率ki為：

(3)

由于測量誤差的存在，測量得到的瞬時靈活率存在誤差。為了得到準(zhǔn)確的靈活率，在得到瞬時轉(zhuǎn)動角速度ω后，基于最小二乘直線擬合方法進(jìn)行擬合[5]。其中，任意一組速度ω 和時間t 之間的殘差：

ei=ωi-a-kti

(4)

根據(jù)最小二乘原理，可得誤差函數(shù)為：

(5)

則a,k 的最小二乘估計值應(yīng)該滿足式(5)達(dá)到最小，式(5)的極值條件為：

(6)

由式(6)所擬合得到的直線方程斜率即為靈活率k。

2 檢測系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

滾動軸承靈活性檢測系統(tǒng)包括定心裝置、加載機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裝置、轉(zhuǎn)速測量機構(gòu)等，其機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

定心裝置中定位底座上部設(shè)有定位內(nèi)孔，與待測軸承座圈配合，定位底座下部設(shè)有導(dǎo)向軸，與底座中定心孔配合，保證測量時軸承的可靠定位；加載機構(gòu)包含提升氣缸、負(fù)荷塊和負(fù)荷頭，提供軸承旋轉(zhuǎn)時的負(fù)荷；旋轉(zhuǎn)裝置包含電機、帶輪和摩擦動力軸，為軸承提供一定的轉(zhuǎn)動速度；轉(zhuǎn)速測量機構(gòu)由齒盤和霍爾傳感器組成，軸承轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器輸出脈沖信號，用以靈活性檢測。

1.提升氣缸 2.系統(tǒng)支架 3.齒輪 4.直線導(dǎo)軌 5.從動帶輪 6.電機架 7.負(fù)荷架 8.主動帶輪 9.電機 10.待測軸承 11.定位底座 12.系統(tǒng)平板 13.測速傳感器 14.軸承座 15.負(fù)荷塊 16.負(fù)荷頭

圖3 靈活性檢測機械結(jié)構(gòu)

具體測量過程如下：待測軸承在定心裝置的作用下進(jìn)入正確的測量位置；系統(tǒng)檢測到定位底座有待測件，提升汽缸帶動加載機構(gòu)為軸承提供測量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸向載荷；摩擦動力軸和從動帶輪的錐形摩擦面接觸(見圖1)，從動帶輪在電機帶動下旋轉(zhuǎn)，依靠錐形摩擦面的摩擦力帶動摩擦動力軸、負(fù)荷塊、齒輪等旋轉(zhuǎn)，為測量提供初始速度；負(fù)荷塊在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時提升氣缸推動負(fù)荷架下降，直到從動帶輪和摩擦動力軸脫離接觸，此時負(fù)荷塊在慣性下將帶動待測軸承自由旋轉(zhuǎn)；測速傳感器拾取齒頂和齒槽正對時的信號，并將這些信號輸送給工控機；當(dāng)測量完成后負(fù)荷塊在提升氣缸作用下，摩擦動力軸的錐形面摩擦面將與從動帶輪的錐形面再次接觸，在其帶動下負(fù)荷塊離開待測軸承完成一次測量過程。

該結(jié)構(gòu)的特點在于優(yōu)化了負(fù)荷機構(gòu)，降低了負(fù)荷機構(gòu)的重心，且負(fù)荷塊根據(jù)待測軸承的不同可靈活更換，同時使用定位底座對軸承定心，避免負(fù)荷傾斜和偏心對測量結(jié)果的影響，使得測量結(jié)果真實可靠。

3 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

靈活性檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由動作控制系統(tǒng)和靈活性測量系統(tǒng)兩大部分組成，如圖4所示。主要包括PLC、工控機、傳感器、氣缸、電機及信號變換電路。

圖4 靈活性檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

動作控制部分主要是通過PLC控制提升氣缸的運動，帶動加載機構(gòu)運動，實現(xiàn)待測軸承的加載和卸載[6-8]；控制電機的啟停，實現(xiàn)負(fù)荷機構(gòu)及待測軸承的旋轉(zhuǎn)。靈活性測量系統(tǒng)主要是利用霍爾傳感器檢測齒頂和齒槽經(jīng)過傳感器時輸出的電壓信號，并通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；工控機對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、存儲和顯示，并實現(xiàn)對軸承靈活性的判斷。

4 檢測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

檢測系統(tǒng)軟件分為動作控制和參數(shù)測量兩部分。動作控制部分主要由PLC、電機和加載氣缸組成，控制流程如圖5所示。

圖5 控制程序流程圖

待測軸承位于定位底座中時，電機旋轉(zhuǎn)帶動負(fù)荷塊旋轉(zhuǎn)，同時氣缸下降；當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的下限開關(guān)時，此時負(fù)荷塊將要接觸到待測軸承，計算機開始采集測速傳感器的信號，同時氣缸繼續(xù)下降，直到氣缸到達(dá)下限，此時負(fù)荷塊與從動帶輪脫離，負(fù)荷塊帶動待測軸承自由旋轉(zhuǎn)。等待0.5s后可停止電機。負(fù)荷塊自由旋轉(zhuǎn)2s后，系統(tǒng)完成軸承轉(zhuǎn)動信號的采集，提升氣缸上升，帶動負(fù)荷塊脫離待測軸承。同時，計算機根據(jù)采集的信號，經(jīng)過波形變換，計算瞬時轉(zhuǎn)速、加速度，根據(jù)設(shè)定的靈活率閾值判斷待測軸承的靈活性好壞。

參數(shù)測量部分主要基于LabVIEW開發(fā)的測量程序，對采樣信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和存儲[9-10]。首先，為了便于后續(xù)計算要將采集的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐氲木匦尾ㄐ盘枺赐ㄟ^設(shè)定采樣信號與閾值比較，高于該值為真，否則為假，輸出一系列0、1數(shù)字量信號。數(shù)據(jù)預(yù)處理程序如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)預(yù)處理程序

其次，針對輸出的矩形波信號和采樣頻率，計算瞬時脈沖周期，如圖7所示。通過計算檢測的數(shù)字量輸入的兩個相鄰上升沿索引差，根據(jù)采樣頻率得到對應(yīng)的周期。

圖7 信號分析程序

然后，根據(jù)得到的瞬時脈沖周期及齒盤的齒數(shù)，計算齒盤的瞬時轉(zhuǎn)速和瞬時靈活率。由于機械結(jié)構(gòu)誤差、采樣誤差、計算誤差等原因，直接計算得到的靈活率并非常量，不能直接用于判斷，因此對瞬時速度進(jìn)行基于最小二乘原理的直線擬合，其斜率即為轉(zhuǎn)速靈活率，據(jù)此作為判斷軸承旋轉(zhuǎn)靈活性好壞的標(biāo)準(zhǔn)。瞬時轉(zhuǎn)速及靈活率程序如圖8所示。

圖8 瞬時轉(zhuǎn)速及靈活率分析程序

最后，根據(jù)靈活率分析結(jié)果和設(shè)定的靈活率閾值之間的比較結(jié)果，若大于靈活率閾值，則判定該軸承的旋轉(zhuǎn)靈活性為合格，否則不合格。靈活性判斷程序如圖9所示。

圖9 靈活性判斷程序

5 實驗結(jié)果與分析

(1)實驗方法

為檢驗測量系統(tǒng)的可靠性，本實驗共選取三套規(guī)格、型號均相同的推力球軸承，將其分組并標(biāo)號為1、2、3。其中1號和3號推力球軸承的旋轉(zhuǎn)靈活性不合格，2號推力球軸承的旋轉(zhuǎn)靈活性合格。根據(jù)經(jīng)驗，設(shè)置合格軸承旋轉(zhuǎn)靈活率值為-90。測量系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 測量系統(tǒng)圖

(2)實驗過程

①設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)使所有機械部位回歸原位；

②將1號軸承送達(dá)定位底座；

③啟動檢測系統(tǒng)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、加載、信號采集及處理工作；

④重復(fù)測量20次；

⑤依次對2、3號軸承進(jìn)行相同靈活性檢測；

⑥分析每組采集的信號，判斷所測軸承旋轉(zhuǎn)靈活性合格與否。

(3)靈活性檢測結(jié)果

某次測量得到的原始波形數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的瞬時轉(zhuǎn)速及擬合結(jié)果如圖11所示。

圖11 測量結(jié)果

對提供檢測的3種軸承分別進(jìn)行了20次重復(fù)實驗。旋轉(zhuǎn)靈活率的測量結(jié)果如圖12所示。

圖12 旋轉(zhuǎn)靈活率測量結(jié)果

從實驗結(jié)果可以看出每組實驗結(jié)果波動較小，說明檢測穩(wěn)定可靠。

根據(jù)公式：

(7)

計算每組靈活率平均值，靈活性檢測結(jié)果如表1所示。

表1 靈活性檢測結(jié)果

由表1可知，2號推力球軸承的自然轉(zhuǎn)速下降速度最慢，1、3號推力球軸承的轉(zhuǎn)速下降較快且下降速率接近；設(shè)置的合格軸承轉(zhuǎn)速靈活率值為-90，據(jù)此可以判斷1號和3號軸承的k值小于閾值，軸承旋轉(zhuǎn)靈活性不合格，2號軸承的k值大于閾值，軸承旋轉(zhuǎn)靈活性合格。

6 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)有軸承滾動軸承靈活性檢測系統(tǒng)技術(shù)的不足，設(shè)計了一種用于定量分析軸承旋轉(zhuǎn)靈活率的系統(tǒng)，利用霍爾傳感器檢測隨負(fù)荷塊一起旋轉(zhuǎn)的齒盤轉(zhuǎn)動信號，利用曲線擬合方法獲取旋轉(zhuǎn)靈活率，從而判斷軸承靈活性的好壞。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和測量系統(tǒng)設(shè)計。最后通過3組待測軸承的重復(fù)性實驗驗證了系統(tǒng)的可靠性。結(jié)果表明所設(shè)計的軸承旋轉(zhuǎn)靈活性檢測系統(tǒng)能夠滿足測量要求，并可減少人為因素引起的錯誤檢測，同時可提高檢測效率。

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(編輯 李秀敏)

Design of Running Flexibility Detecting System of Rolling Bearing

WU Jin-he, HE Zhen-zhi, HU Ning-ning, LI Dong-xu

(School of Mechanical Engineering，Jiangsu Normal University, Xuzhou Jiangsu 221116,China)

This paper presents a kind of online measuring system for the running flexibility of rolling bearing. The system detects the running flexibility by measuring the changing ratio of the rotation speed of the gear and realizes digital detection. Mechanical structure of this system includes the centering device, the loading mechanism, the rotary device and the speed measuring mechanism. It also can measure a variety of bearings. The active control operation was accomplished by the PLC, while the acquisition and processing program was developed based on LabVIEW. The changing ratio of rotation speed was obtained by the curve fitting method which can be used for the basis of digital detection of running flexibility. The experimental results show that the measurement accuracy of the system is reliable and it can realize the unmanned online detection of bearing flexibility, also it meets the requirements of the automatic measurement of running flexibility in automatic assembly line of rolling bearing.

rolling bearing; running flexibility; online measurement; LabVIEW

1001-2265(2016)11-0064-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.018

2016-08-10

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

吳金河(1991—)，男，江蘇淮安人，江蘇師范大學(xué)研究生，研究方向為機械設(shè)計及理論，(E-mail)821762169@qq.com；通訊作者：何貞志(1982—)，男，江蘇徐州人，江蘇師范大學(xué)講師，博士，研究方向為軸承振動機理、信號分析，(E-mail)zzhezz@jsnu.edu.cn。

TH122；TG506

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