基于多超聲波傳感器的軸承形廓質(zhì)量檢測系統(tǒng)

朱小會，吳紫君

(1.鄭州科技學(xué)院，河南鄭州 450064;2.華北水利水電大學(xué),河南鄭州 450046)

0 引言

軸承內(nèi)外圈質(zhì)量直接影響軸承的穩(wěn)定性以及可靠性。保證軸承質(zhì)量是保證系統(tǒng)性能的前提。目前，國內(nèi)對軸承形廓質(zhì)量檢測方法以手工為主，部分工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)了半自動化，其檢測效率低且檢測誤差較大。結(jié)合現(xiàn)有軸承形廓檢測方法，對檢測設(shè)備的檢測方案進行研究，確定采用非接觸式超聲波測量技術(shù)實現(xiàn)軸承內(nèi)外圈形廓自動檢測[1]。

設(shè)計一種軸承形廓質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)。采用超聲波測距方案，以TMS320F28377D為核心搭建基于多超聲波傳感器的檢測設(shè)備，并通過伺服控制器實現(xiàn)工件的多點測量。通過對軸承形廓內(nèi)外徑、高度的檢測及誤差分析完成對檢測系統(tǒng)的驗證。

1 軸承檢測方法分析

1.1 形廓檢測原理

軸承形廓檢測主要為內(nèi)徑、外徑以及高度的檢測。根據(jù)超聲波時間差法測距原理完成軸承形廓的檢測[2]。其超聲波測距原理圖如圖1所示。

圖1 超聲波測距原理

圖1中發(fā)射端及接收端為超聲波傳感器的探頭，S為兩探頭之間的距離，L為超聲波傳感器至物體的距離，F(xiàn)為超聲波單程距離[3]。在使用超聲波測距過程中，因測距距離遠，因此常忽略兩探頭之間的距離S，即L=F，但在軸承形廓質(zhì)量檢測中，超聲波測距是為獲取精度較高的軸承形廓的內(nèi)徑、外徑以及高度，因此根據(jù)測量距離及精度要求考慮圖1中夾角φ。故有：

(1)

L=F·cosφ

(2)

式中：c為傳播速度，c=340 m/s；t為發(fā)射信號到接收信號過程所用時間；φ根據(jù)超聲波傳感器的安裝位置，可得其為常量。

1.2 形廓自動檢測方案設(shè)計

軸承形廓檢測通過測距完成，以軸承高度測量為例，其測量原理如圖2所示。

圖2 自動檢測框圖

圖2為對工件高度自動檢測原理圖，單點測高過程需要3個超聲波傳感器相互配合。TMS320F28377D芯片通過對時鐘信號控制來驅(qū)動超聲波信號，超聲波驅(qū)動信號經(jīng)信號放大電路放大后驅(qū)動換能器發(fā)射超聲波信號，其方向如圖2中虛線1所示。發(fā)射后的超聲波信號接觸到軸承工件后被反射，其被反射的回波信號被超聲波傳感器接收端接收，其方向如圖2中點虛線2所示，并經(jīng)過濾波放大后送至控制芯片TMS320F28377D處理，經(jīng)此完成一次測距過程[4]。通過測距可得L1、L2、L3的值。從而得到軸承工件的厚度h：

h=L1-L2-L3

(3)

其內(nèi)徑以及外徑檢測原理與之相同，根據(jù)傳感器安裝位置的不同獲取距離值，在經(jīng)計算獲取內(nèi)外徑尺寸。

傳感器位置的固定僅可完成單個位置點的測量，因此將工件放置于旋轉(zhuǎn)臺上，通過工件的旋轉(zhuǎn)完成同一工件、同一參數(shù)的多個位置點的測量，其旋轉(zhuǎn)通過TMS320F28377D對伺服電機控制實現(xiàn)。因軸承內(nèi)外圈不同，可通過HMI設(shè)備進行相應(yīng)測量模式的選擇，HMI設(shè)備選用工業(yè)觸摸屏(MCGS)，其可完成工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控，并可對現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及實時曲線等進行顯示。系統(tǒng)結(jié)合工業(yè)計算機完成傳感器所采集信息的管理工作。

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，可將檢測系統(tǒng)分為超聲波檢測模塊、HMI監(jiān)控模塊以及伺服電機旋轉(zhuǎn)模塊。對其進行硬件設(shè)計時可劃分數(shù)據(jù)采集模塊，用于超聲波傳感器信號的檢測；RS485通訊模塊，實現(xiàn)主控芯片與HMI設(shè)備的通信；電機控制模塊，用于主控芯片與電機的連接，用于控制工件的旋轉(zhuǎn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射模塊由BD62222HEP橋驅(qū)動芯片以及變壓器兩部分組成。BD62222HEP的FIN、RIN通過TXP40kHz及TXN40kHz與TMS320F28377D的PWM控制端連接，使BD62222HEP輸出端分別輸出占空比為50%和50%以及頻率為40 kHz的方波信號。電阻R03、R04與電容C01構(gòu)成低通濾波器，用于消除高頻噪聲信號。將具有一定功率的電信號送至T01變壓電路升壓，使產(chǎn)生的高壓激勵脈沖激勵換能器發(fā)射超聲波[5]。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路

2.1.2 超聲波接收電路

超聲波經(jīng)反射后，被探頭接收的電信號微弱，有時低至mA級，且摻雜干擾噪聲[6]。其接收電路由運算放大器AD620及MCP6002構(gòu)成。其接收原理圖如圖4所示。

圖4 接收電路

圖4中，C31、C32與R316、R315組成高通濾波電路，其可對信號中的低頻以及直流信號進行處理。R33可對AD620的增益進行配置，該系統(tǒng)中，將其配置為100。MCP6002內(nèi)部含有2個運算放大器，2個運算放大器獨立工作，與外圍電阻、電容構(gòu)成巴特沃斯濾波器，2個巴特沃斯濾波器呈串聯(lián)狀態(tài)，可減少噪聲信號的干擾。信號由VOUTB輸出，送至控制芯片處理。

2.2 RS485通信

兩路RS485通信模塊是完成控制芯片與上位機及HMI設(shè)備間信息交換的硬件平臺。NLSX4373輸入電平范圍為1.5～5 V，用于控制芯片與MAX485間電平轉(zhuǎn)換，可達到20 Mb/s的轉(zhuǎn)換速度。MAX3485工作電源為+5 V，額定電流為300 μA，用于完成TTL電平與RS485電平的轉(zhuǎn)換[7]。將差分輸入電壓UA-UB的值分為3個區(qū)間：大于等于200 mV、小于等于-200 mV以及其在±200 mV區(qū)間3種狀態(tài)，其分別對應(yīng)總線高電平輸入、低電平輸入以及狀態(tài)不確定的情況。在系統(tǒng)應(yīng)用中，為避免總線狀態(tài)不確定的情況出現(xiàn)，分別設(shè)置上拉電阻R41以及下拉電阻R43。其通信模塊原理如圖5所示。

圖5 RS485硬件電路原理圖

2.3 電機控制模塊

電機控制模塊完成控制芯片與伺服驅(qū)動器的連接，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的精確定位[8]，包括QEP電路以及運動控制部分。QEP模塊可對相應(yīng)引腳輸入正交編碼脈沖信號進行計數(shù)以及編譯，QEP模塊可對QEP1A/QEP1B以及QEP2A/QEP2B上正交編碼脈沖信號進行計數(shù)。采用高速光電耦合器6N137進行隔離，將脈沖信號送至QEP電路。6N137最高轉(zhuǎn)換速率可達到10 Mbit/s，可應(yīng)對25 MIPS的處理速度。其原理圖如圖6所示。

圖6 QEP電路

運動控制模塊完成伺服驅(qū)動器的控制工作。采用控制芯片PWM模塊實現(xiàn)脈沖的發(fā)送，其電路同樣使用高速光電隔離器6N137進行隔離，其電路可參考圖6。

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Modbus通信

檢測系統(tǒng)采用RS485模塊作為物理接口，采用Modbus-RTU數(shù)據(jù)傳輸模式[9]，用于實現(xiàn)HMI設(shè)備與TMS320F28377D的通信。選擇配置串口波特率為9 600 bps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，數(shù)據(jù)校驗方式選擇無校驗。上位機通訊參數(shù)配置如圖7所示。2個報文幀間隔時間不少于3.5個字節(jié)時間，定時器設(shè)定為5 ms，滿足間隔至少為3 ms的要求[10]。下位機接收發(fā)送過程如圖8所示。

圖7 上位機MCGS參數(shù)配置

圖8 下位機接收發(fā)送流程

3.2 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

數(shù)據(jù)采集及處理模塊將片上ADC模塊配置為16位模式，并完成同步采樣模式的配置。其完成16路通道的轉(zhuǎn)換時間為

T=17·Tadcclk+18·(1+ACQPS)·Tadcclk

(4)

式中：Tadcclk為時鐘周期；ACQPS為控制寄存器ACQ-PS[3-0]的4位比特域值。

同步采樣頻率為

(5)

當ADC時鐘一定的情況下，可根據(jù)實際情況選擇不同的采樣頻率，即通過改變ACQ-PS[3-0]位的值實現(xiàn)。軸承形廓質(zhì)量檢測系統(tǒng)中，通過Tadcclk及ACQPS得到轉(zhuǎn)換時間及采樣頻率。完成ADC模塊配置后，采集數(shù)據(jù)及處理。數(shù)據(jù)采集及處理模塊流程圖如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集及處理軟件流程

檢測系統(tǒng)完成系統(tǒng)初始化、ADC模塊的參數(shù)設(shè)置及初始化工作，控制端發(fā)送40 kHz脈沖信號，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換通過超聲波傳感器發(fā)射端發(fā)射信號，反射后，接收端接收40 kHz信號并觸發(fā)控制芯片ADC模塊準備工作，信號經(jīng)采樣窗口進行采樣，然后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。FIR數(shù)字濾波器進行濾波處理，將AD轉(zhuǎn)換后的信息送至FIR濾波器完成濾波工作。FIR數(shù)字濾波選用頻率采樣法，其幅頻特性為：在采樣點時與采樣樣本保持一致；在采樣點之間時與最小誤差二次方相逼近。該方法可提高形廓質(zhì)量檢測系統(tǒng)的準確度，減小測量誤差。濾波完成后將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)移存儲，以此循環(huán)。

3.3 電機運動控制模塊

檢測系統(tǒng)中，檢測平臺的檢測精度很大程度上取決于伺服電機運動的精度。運動控制模塊通過插補算法計算脈沖數(shù)量，通過PWM模塊和CAP模塊可實現(xiàn)脈沖的發(fā)送及實時脈沖數(shù)量的捕捉[11]。TMS320F28377D 為雙核處理器，電機控制形式為雙核的電機控制。電機運動控制模塊軟件流程圖如圖10所示。

圖10 運動控制軟件流程

CPU1和CPU2進入啟動狀態(tài)，在CPU1中完成控制程序的初始化工作，CPU2中完成片上外設(shè)PWM模塊以及CAP模塊的配置和初始化工作；CPU1用于完成軸承工件旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)位置規(guī)劃工作以及粗插補計算，將計算的脈沖數(shù)通過IPC總線傳送至CPU2中的PWM模塊，完成脈沖的發(fā)送；CAP捕捉模塊捕捉脈沖數(shù)量，控制單元計算脈沖偏差得出脈沖補償量，并通過IPC總線發(fā)送至CPU1中。為保證工作臺旋轉(zhuǎn)位置精度，將該補償量做為下次脈沖計算的補償量。

4 實驗與誤差分析

4.1 測量系統(tǒng)參數(shù)要求

軸承種類繁多，其內(nèi)外圈的結(jié)構(gòu)形式也不相同，導(dǎo)致檢測時參數(shù)存在差異。檢測系統(tǒng)研究時，選用軸承形廓質(zhì)量測量系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)表 mm

4.2 實驗誤差分析

試驗中以軸承外圈為檢測對象，軸承形廓質(zhì)量檢測設(shè)備檢測參數(shù)包括軸承外徑、內(nèi)徑以及高度。待測軸承外圈如圖11所示。

圖11 待測軸承實物圖

實驗過程：將高度、內(nèi)徑及外徑檢測的采樣點數(shù)設(shè)置為8，伺服電機帶動工作臺旋轉(zhuǎn)45°，完成單點的檢測，工作臺每旋轉(zhuǎn)一周完成8個采樣點檢測。將旋轉(zhuǎn)周數(shù)設(shè)置為200，即對同一位置點完成200次檢測。記錄MCGS顯示結(jié)果并與標準軸承的各參數(shù)進行比較，確定檢測設(shè)備的測量精度。其測量數(shù)據(jù)如表2～表4所示。

由表2～表4可知，軸承形廓理想值與實際檢測值存在偏差，系統(tǒng)所要求的誤差范圍0.01 mm，檢測數(shù)據(jù)最大誤差為0.008 mm，滿足檢測要求。測量結(jié)果表明，軸承形廓質(zhì)量檢測系統(tǒng)滿足檢測要求。

5 結(jié)束語

為檢測軸承形廓質(zhì)量，設(shè)計基于多超聲波傳感器的軸承形廓質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)。以軸承高度檢測為例對自動檢測系統(tǒng)進行說明，并根據(jù)自動檢測原理分別對檢測系統(tǒng)硬件以及軟件進行設(shè)計，選取內(nèi)徑121.80 mm、外徑160.60 mm、高度38.55 mm的軸承輪廓進行檢測及誤差分析。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的軸承形廓質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)可有效檢測軸承形廓質(zhì)量，自動檢測技術(shù)顯著提高了軸承形廓質(zhì)量檢測的效率。

表2 內(nèi)徑誤差測量結(jié)果 mm

表3 外徑誤差測量結(jié)果 mm

表4 高度誤差測量結(jié)果 mm