一種接觸式軸承套圈溝位置測量裝置

張慧,宋曉波,張瑜，章元軍

(1.洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039；2.西安交通大學(xué) 經(jīng)濟與金融學(xué)院，西安 710061)

對于深溝球軸承套圈溝位置的測量，目前軸承行業(yè)內(nèi)通常使用測長儀或接觸式輪廓儀，但其存在2個問題：

1)測長儀采用反轉(zhuǎn)法測量，通過比較溝底到雙端面的位置差以及總寬度實現(xiàn)套圈溝位置的測量，測量結(jié)果比較準(zhǔn)確，但測量過程較為繁瑣，不適用于生產(chǎn)廠家同種型號的批量檢測。

2)接觸式輪廓儀直接測量時，通常將套圈放置在旋轉(zhuǎn)工作臺上并傾斜一定角度，測針掃描部分端面以及溝道，通過最小二乘法求出端面到溝中心的距離，從而實現(xiàn)溝位置的測量。該方法測量原理正確，但由于端面與磨溝面為垂直狀態(tài)，采用直角坐標(biāo)接觸式測量輪廓的儀器，在測量評定時會帶來比較大的誤差，難以實現(xiàn)溝位置的高精度測量。

綜上所述，傳統(tǒng)的測量方法已經(jīng)無法滿足實際測量需要，因此，設(shè)計了一種針對軸承套圈溝位置測量的新測量方法及測量裝置。

1 測量原理

采用半徑為r的鋼球作為測量附件，如圖1所示，將被測套圈與鋼球安裝在一起。由輪廓儀測量分析得到鋼球的圓心O1與溝道的圓心O2在x方向的坐標(biāo)x1和x2，則鋼球圓心O1與溝道的圓心O2間的距離為[1]

b=|x2-x1|，

(1)

溝位置為

c=|b-r|=|x2-x1-r|。

(2)

圖1 測量原理示意圖

2 測量裝置

軸承套圈溝位置測量裝置由工作臺、V形槽臺面、溝位置測量支架、鎖緊螺釘、標(biāo)準(zhǔn)球和擋板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作臺放置在輪廓儀測量平臺上，上部安裝V形槽臺面，左側(cè)安裝中間開長槽的擋板；溝位置測量支架通過鎖緊螺釘固定在工作臺左側(cè)擋板中間開的長槽中，并可上、下調(diào)整位置，標(biāo)準(zhǔn)球固定在溝位測量支架的開口圓槽中，套圈放置在V形槽中，左側(cè)端面與標(biāo)準(zhǔn)球相切。工作臺可進行三維調(diào)整及水平、垂直等旋轉(zhuǎn)調(diào)整[2]。

圖2 測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 測量方法

3.1 基本方法

首先，在工作臺的V形槽中放置圓柱棒，通過校準(zhǔn)素線的方法校準(zhǔn)V形槽的位置；然后，在旋轉(zhuǎn)工作臺的左側(cè)擋板上固定已經(jīng)安裝標(biāo)準(zhǔn)球的溝位置測量支架，將套圈放置在V形槽中且確保任意一側(cè)的端面與標(biāo)準(zhǔn)球相切；最后，使用傳感器測針從標(biāo)準(zhǔn)球左側(cè)開始測量，掃描完整個標(biāo)準(zhǔn)球頂部輪廓和被測套圈頂部左側(cè)輪廓，直到套圈溝道測量完成[3]。

測量完成后，測量曲線經(jīng)校平放大，得到球中心到溝道中心的距離b1，進而得到該側(cè)的套圈溝位置為

c1=b1-r。

(3)

將套圈反轉(zhuǎn)，使另一端面與標(biāo)準(zhǔn)球相切，得到套圈另一側(cè)的溝位置，即

c2=b2-r。

(4)

在套圈寬度h(可通過測長儀測量)已知的情況下，可得到溝位置的修正值為

e=(c1+c2-h)/2，

(5)

則測同類套圈時，可直接得到溝位置為

c=c′-e，

(6)

式中：c′為實測溝位置。

3.2 誤差分析

測量誤差主要包含調(diào)整誤差和數(shù)據(jù)分析誤差兩部分。

調(diào)整誤差來自標(biāo)準(zhǔn)球的安裝誤差以及套圈位置的素線調(diào)整誤差，可通過調(diào)整輪廓儀三維工作臺的位置進行消除。首先通過素線校準(zhǔn)棒調(diào)整V形工作臺的素線位置，調(diào)整精度可精確到1 μm以內(nèi)；然后再調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球的位置，使其與被測軸承套圈端面完全相切，且標(biāo)準(zhǔn)球的最高點與被測軸承套圈素線重合；通過以上調(diào)整即可從機械位置的調(diào)整上消除誤差，達到高精度測量的需求。

數(shù)據(jù)分析誤差主要源自測量數(shù)據(jù)的分析方法，傳統(tǒng)分析方法是一次測量后利用輪廓儀進行分析，誤差較大；而利用反轉(zhuǎn)法分別測量2個端面的溝位置數(shù)據(jù)，并與測長儀獲得的軸承套圈寬度進行對比，通過減去套圈寬度誤差的方法消除分析誤差，實現(xiàn)了套圈溝位置的高精度測量。

4 應(yīng)用分析

每類套圈選取一件，測量寬度后作為標(biāo)準(zhǔn)件，通過反轉(zhuǎn)法得到此類套圈的修正值，并將寬度值和修正值自動存入測量程序的數(shù)據(jù)表中。此后，測量同類套圈時僅需一次測量就可得到實際的溝位置。具體過程分為校準(zhǔn)和測量2個步驟，操作界面如圖3所示[4]。

圖3 應(yīng)用分析界面

4.1 校準(zhǔn)

從測量球的左側(cè)開始，輸入合適的長度后(保證整個溝道測量完成)開始測量。測量結(jié)束后進入放大界面，點擊工具欄中的“溝位測量”按鈕，進入溝位分析界面(圖3)。

校準(zhǔn)過程為：1)選取曲線中的直線段，點擊“校平”按鈕對曲線進行校平；2)在圖3界面中輸入標(biāo)準(zhǔn)套圈的型號、套圈名義寬度和實測寬度偏差(軟件將自動相加)，也可在名義寬度中直接輸入實測寬度，偏差定為0；3)輸入完畢后觀察左下角表格中有無此類套圈，如果沒有則點擊“添加”按鈕；4)在測量曲線中對稱選取球曲線一段和溝道曲線的一段，點擊“標(biāo)準(zhǔn)件溝位1計算”按鈕，在左下角表格中的當(dāng)前行的“溝位1”框中顯示當(dāng)前測量結(jié)果；5)套圈翻轉(zhuǎn)，重復(fù)1～3步,點擊“標(biāo)準(zhǔn)件溝位2計算”按鈕，在左下角表格中的當(dāng)前行的“溝位2”框中顯示當(dāng)前測量結(jié)果，校準(zhǔn)完成。

4.2 測量

測量開始前需先選取合適的傳感器測針，由于本裝置借助接觸式輪廓儀實現(xiàn)測量，因此選取斧形測針，利用斧形測針的斜面保證測量過程中標(biāo)準(zhǔn)球與被測套圈之間平滑過渡。

測量過程為：首先，選取與標(biāo)準(zhǔn)套圈相同的套圈，從測量球的左側(cè)開始，輸入合適的長度后開始測量；然后，測量完成后進入溝位分析界面，對曲線中的直線段進行校平；最后，點擊“工件溝位計算”按鈕，即可得到當(dāng)前套圈的正確溝位。

4.3 實例分析

選取名義寬度20 mm的套圈，直徑4.763 mm的標(biāo)準(zhǔn)球為例，對上述方法進行驗證。首先，用測長儀測得套圈的實際寬度為19.750 mm，實測套圈兩端面溝位置尺寸分別為10.050 mm和10.066mm，代入(5)式計算得修正量為0.183 mm，代入(6)式可得實際的兩端面溝位置分別為9.867 mm和9.883 mm。測量過程中，標(biāo)準(zhǔn)球的尺寸通過輪廓儀測得，套圈寬度通過測長儀測得，測量誤差均可精確到微米級，故上述方法的測量精度可精確到微米級，重復(fù)精度不大于5 μm，可實現(xiàn)溝位置的高精度測量。

5 結(jié)束語

針對深溝球軸承套圈溝位置的測量，設(shè)計了一種高精度、高效率的測量裝置和測量方法，不僅提高了測量精度，還能夠滿足軸承套圈制造和裝配過程中對溝位置的批量快速檢測要求。