軸承套圈內(nèi)徑尺寸多參數(shù)檢測(cè)設(shè)備

蔣聰，郝大慶，李鴻亮，陳后清，鄭艷偉

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京 211106；2.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

內(nèi)(外)徑尺寸是軸承零件的重要指標(biāo)，也是軸承零件生產(chǎn)加工過(guò)程中的必檢項(xiàng)。目前，使用較多的尺寸檢測(cè)設(shè)備有D92系列檢測(cè)儀和非接觸氣動(dòng)測(cè)量?jī)x。D92系列檢測(cè)儀由扭簧表和相應(yīng)的測(cè)量臺(tái)架構(gòu)成，有2個(gè)支承點(diǎn)和1個(gè)測(cè)量點(diǎn)[1]，測(cè)量簡(jiǎn)便且效率高，但扭簧表存在一些固有缺陷[2]，且測(cè)力較大時(shí)導(dǎo)致的被測(cè)件變形也會(huì)引起測(cè)量誤差；非接觸氣動(dòng)測(cè)量?jī)x將尺寸的變化轉(zhuǎn)換為氣壓的變化，然后經(jīng)氣-電信號(hào)轉(zhuǎn)換器顯示最終的尺寸變化量[3]：上述檢測(cè)設(shè)備均需要檢測(cè)人員手動(dòng)操作，即旋轉(zhuǎn)被測(cè)件到一定角度后測(cè)量一個(gè)值，根據(jù)測(cè)量要求確定手動(dòng)操作次數(shù)，測(cè)量點(diǎn)數(shù)有限，長(zhǎng)時(shí)間工作不僅會(huì)造成人員勞動(dòng)量大，而且易產(chǎn)生測(cè)量誤差。

為解決上述問(wèn)題，研制了一種由計(jì)算機(jī)控制并自動(dòng)測(cè)量的軸承套圈內(nèi)徑尺寸多參數(shù)檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)人員只需手動(dòng)更換被測(cè)件即可測(cè)量平均內(nèi)徑變動(dòng)量Vdmp、單一平面內(nèi)徑變動(dòng)量Vdsp、單一平面平均內(nèi)徑偏差Δdmp和單一內(nèi)徑偏差Δds等參數(shù)。

1 測(cè)量原理

測(cè)量前先用環(huán)規(guī)對(duì)傳感器進(jìn)行尺寸校準(zhǔn)，測(cè)量過(guò)程中通過(guò)對(duì)比工件與環(huán)規(guī)的偏差獲得工件的內(nèi)徑尺寸。環(huán)規(guī)公稱尺寸與被測(cè)工件相同，校準(zhǔn)和測(cè)量時(shí)均用芯軸以套圈內(nèi)孔進(jìn)行定位。如圖1所示，2個(gè)位移傳感器安裝于同一直線導(dǎo)軌上，測(cè)量時(shí)測(cè)頭均朝向外側(cè)接觸工件表面，工件表面尺寸的變化引起傳感器測(cè)值的變化， 2個(gè)傳感器測(cè)值的代數(shù)和代入軟件參與計(jì)算，與校準(zhǔn)時(shí)傳感器測(cè)值之和進(jìn)行比較，從而得到某時(shí)刻測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際尺寸，工件旋轉(zhuǎn)1周，檢測(cè)設(shè)備可以測(cè)得上千個(gè)測(cè)量值。

圖1 傳感器布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所研制軸承套圈內(nèi)徑尺寸多參數(shù)檢測(cè)設(shè)備需滿足以下主要指標(biāo)：能夠測(cè)量套圈內(nèi)徑尺寸多項(xiàng)參數(shù)(Vdmp，Vdsp，Δdmp，Δds)；可以一次測(cè)量多個(gè)截面尺寸；最小測(cè)量高度間距為0.1 mm；測(cè)量精度為0.001 mm；尺寸測(cè)量范圍為φ55～φ200 mm；最大測(cè)量高度為80 mm。

2.2 主要結(jié)構(gòu)

軸承套圈內(nèi)徑尺寸多參數(shù)檢測(cè)設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由測(cè)量系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)軸系和立柱系統(tǒng)構(gòu)成。

1—主軸；2—大理石臺(tái)；3—工作盤；4—被測(cè)工件；5—測(cè)量桿；6—直線導(dǎo)軌滑塊；7—直線導(dǎo)軌；8—直線模組電動(dòng)機(jī)；9—直線模組；10—傳感器(2個(gè))；11—芯軸；12—柔性聯(lián)軸器；13—主軸電動(dòng)機(jī)。

測(cè)量系統(tǒng)整體安裝在立式直線模組上，通過(guò)移動(dòng)滑塊改變傳感器位置，可測(cè)量不同尺寸的工件。測(cè)量時(shí)工件水平放置于工作盤表面，傳感器固定不動(dòng)，工件隨工作盤同步旋轉(zhuǎn)。通過(guò)控制直線模組電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行上、下運(yùn)動(dòng)，每次測(cè)量時(shí)軟件控制直線模組運(yùn)動(dòng)到下限位，以此為測(cè)量起始位，當(dāng)測(cè)量多個(gè)截面尺寸參數(shù)時(shí)，直線模組按照要求的截面間距(測(cè)量前手動(dòng)參數(shù)輸入)帶動(dòng)傳感器向上移動(dòng)，到達(dá)規(guī)定高度后自動(dòng)開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量完要求的全部截面后通過(guò)軟件計(jì)算并將最終結(jié)果顯示到測(cè)量界面上。測(cè)量完成后需手動(dòng)更換下一個(gè)被測(cè)工件。

測(cè)量系統(tǒng)由傳感器、測(cè)量桿、直線導(dǎo)軌等組成。測(cè)量工件尺寸時(shí)，移動(dòng)直線導(dǎo)軌滑塊，帶動(dòng)測(cè)量桿進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)整固定于測(cè)量桿上的傳感器位置。測(cè)量工件不同高度截面尺寸時(shí)，整個(gè)測(cè)量機(jī)構(gòu)通過(guò)直線導(dǎo)軌固定于直線模組上，電動(dòng)機(jī)控制直線模組帶動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)上、下運(yùn)動(dòng)。傳感器采用Solartron Metrology DP/0.5/S型位移傳感器，其外形尺寸小，可以測(cè)量較小內(nèi)徑尺寸工件；傳感器測(cè)力較小，最大測(cè)力相比扭簧表減小了2/3，尤其在檢測(cè)薄壁系列軸承套圈時(shí)能夠減小工件的變形量，提高測(cè)量精度[4]。

主軸是整個(gè)檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量工作基準(zhǔn)，由精度等級(jí)P4的一對(duì)角接觸球軸承作為旋轉(zhuǎn)支承，工作盤固定于主軸上部并隨主軸一起旋轉(zhuǎn)。主軸下部通過(guò)柔性聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)相連，柔性聯(lián)軸器不僅可以消除主軸與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)不同心帶來(lái)的安裝誤差，還可以隔離電動(dòng)機(jī)帶來(lái)的振動(dòng)。經(jīng)過(guò)裝配調(diào)試，主軸旋轉(zhuǎn)精度優(yōu)于0.001 mm，軸向最大承載可達(dá)500 N。

立柱系統(tǒng)可以方便測(cè)量工件不同高度截面尺寸以及更換被測(cè)工件，該系統(tǒng)由直線模組(直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠)和直線模組電動(dòng)機(jī)組成。直線模組電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與其相連的滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)直線導(dǎo)軌滑塊進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)從而改變傳感器位置。直線導(dǎo)軌采用中度預(yù)緊，以便消除導(dǎo)軌間隙，從而提高直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度。

3 電氣及軟件設(shè)計(jì)

3.1 電氣設(shè)計(jì)

電氣硬件由電感式位移傳感器及信號(hào)調(diào)理電路，主軸電動(dòng)機(jī)和直線模組電動(dòng)機(jī)及其控制電路，I/O接口，多功能數(shù)據(jù)采集卡，限位及接口電路，運(yùn)動(dòng)控制卡和計(jì)算機(jī)組成。電氣控制原理如圖3所示，計(jì)算機(jī)采用性能可靠、軟件支持豐富的工控機(jī)；主軸電動(dòng)機(jī)選擇噪聲和振動(dòng)小，效率高，穩(wěn)定性好的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)并配有減速機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)1～50 r/min的無(wú)級(jí)調(diào)速。

圖3 電氣控制原理

3.2 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量軟件基于Lab Windows/CVI虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)[5]開(kāi)發(fā)，運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，能夠?qū)崿F(xiàn)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、分析，串口通信，命令發(fā)送及數(shù)據(jù)接收等功能。軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、控制模塊等組成，軟件操作流程如圖4所示。

圖4 軟件操作流程

4 測(cè)量誤差的影響因素

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量設(shè)備、方法、環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，使測(cè)量值與理論值存在一定的誤差，現(xiàn)對(duì)設(shè)備自身引起的測(cè)量誤差進(jìn)行分析。

4.1 定位配合間隙對(duì)測(cè)量誤差的影響

定位配合間隙包含：1)芯軸安裝到工作盤中心孔時(shí)的間隙，設(shè)計(jì)間隙為0.02～0.03 mm；2)芯軸與軸承內(nèi)圈之間的配合間隙，設(shè)計(jì)間隙為0.02～0.03 mm。由于這2個(gè)配合間隙的存在，軸承內(nèi)圈與工作盤的旋轉(zhuǎn)中心并不在同一條中心線上。

如圖5所示，理論測(cè)量尺寸應(yīng)為內(nèi)圈直徑，即過(guò)圓心O點(diǎn)的A1，A2點(diǎn)之間的線段，由于配合間隙的存在，實(shí)測(cè)尺寸為過(guò)B1，B2點(diǎn)的某一弦長(zhǎng)，當(dāng)2個(gè)配合間隙產(chǎn)生在一條直線上且垂直于2個(gè)傳感器測(cè)頭連線方向時(shí)測(cè)量誤差最大，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可得誤差值為

圖5 定位配合間隙測(cè)量誤差

(1)

式中：R為內(nèi)圈半徑；r為弦長(zhǎng)B1B2的一半；s為定位誤差。

2個(gè)配合間隙均按0.03 mm計(jì)算可得最大定位誤差s=0.03 mm/2+0.03 mm/2=0.03 mm。由(1)式可知，誤差值δ1取決于R與r的差值，由圖5可知，定位誤差s一定時(shí)，R越小，圓周曲率半徑越大，R與r的差值越大，誤差值δ1越大。尺寸測(cè)量范圍為φ55～φ200 mm，R取55/2 mm代入(1)式計(jì)算，可得最大誤差為0.032 μm。

4.2 主軸旋轉(zhuǎn)精度對(duì)測(cè)量誤差的影響

用校準(zhǔn)好的傳感器測(cè)量主軸徑向旋轉(zhuǎn)精度，結(jié)果為0.8 μm，分2種情況分析主軸旋轉(zhuǎn)精度對(duì)設(shè)備測(cè)量誤差的影響：

1)主軸徑向擺差方向與傳感器測(cè)量方向一致。由于2個(gè)傳感器布置在一條直線上且測(cè)量方向相反，當(dāng)主軸的徑向旋轉(zhuǎn)誤差導(dǎo)致A傳感器的測(cè)值誤差為+a時(shí)，則B傳感器的測(cè)值誤差為-a，參與計(jì)算的是2個(gè)傳感器的測(cè)值之和，則主軸旋轉(zhuǎn)誤差引起的傳感器測(cè)量誤差為零。

2)主軸徑向擺差方向與傳感器測(cè)量方向垂直。此時(shí)傳感器測(cè)量誤差與圖5所示狀態(tài)相似，傳感器測(cè)量尺寸為某一弦長(zhǎng)，其引起的誤差可通過(guò)(1)式計(jì)算，s取值同主軸徑向旋轉(zhuǎn)精度，即0.8 μm，則最大測(cè)量誤差為2.32×10-5μm。

綜上分析可知，主軸旋轉(zhuǎn)精度引起的測(cè)量誤差遠(yuǎn)小于設(shè)備要求的精度1 μm，可忽略不計(jì)。

4.3 工作盤軸向跳動(dòng)對(duì)測(cè)量誤差的影響

如圖6所示，傳感器測(cè)頭理論位置應(yīng)為與工作盤平行的2點(diǎn)(A1，A2處)，受工作盤軸向跳動(dòng)的影響，放置于工作盤上的套圈會(huì)產(chǎn)生一定的傾角，為便于計(jì)算極限誤差，假設(shè)其中一個(gè)傳感器測(cè)頭固定于位置A1處，另外一個(gè)傳感器測(cè)頭的實(shí)際測(cè)量點(diǎn)在位置A3處，則工作盤軸向跳動(dòng)造成的測(cè)量誤差為

圖6 工作盤軸向跳動(dòng)測(cè)量誤差

(2)

式中：L為實(shí)際測(cè)量尺寸；d為內(nèi)圈直徑；h為工作盤最大外徑位置處的軸向跳動(dòng)量。

工作盤裝配完成后，測(cè)得其最大外徑位置的軸向跳動(dòng)為0.1 mm。同δ1分析類似，軸向跳動(dòng)h一定時(shí)，d越小，誤差值δ2越大。尺寸測(cè)量范圍為φ55～φ200 mm，故d取55 mm代入(2)式計(jì)算，可得最大誤差為0.09 μm。

4.4 傳感器測(cè)頭偏心對(duì)測(cè)量誤差的影響

在對(duì)傳感器進(jìn)行裝配調(diào)試時(shí)，以標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)對(duì)傳感器位置進(jìn)行校正，保持一個(gè)測(cè)頭固定并調(diào)整另外一個(gè)測(cè)頭，當(dāng)2個(gè)傳感器測(cè)值之和最大時(shí)認(rèn)為該測(cè)量值為內(nèi)徑的真值。然而，實(shí)際上的傳感器測(cè)頭會(huì)存在一定的偏心，與定位配合間隙造成的測(cè)量誤差一樣，傳感器測(cè)頭偏心導(dǎo)致其測(cè)量尺寸也為某一弦長(zhǎng)。

傳感器顯示精度可達(dá)0.1 μm，造成的測(cè)量誤差遠(yuǎn)小于定位配合間隙測(cè)量誤差，為便于量化計(jì)算總測(cè)量誤差，假設(shè)傳感器偏心造成的測(cè)量誤差與定位配合間隙誤差相等，即0.032 μm。

4.5 小結(jié)

由上述測(cè)量誤差分析可知，檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量總誤差不大于0.2 μm，遠(yuǎn)小于測(cè)量精度1 μm的技術(shù)指標(biāo)要求。

5 測(cè)量結(jié)果分析

以精度等級(jí)P4，內(nèi)徑公稱尺寸φ110 mm的軸承內(nèi)圈為例對(duì)設(shè)備測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證，并與具備檢測(cè)資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)的鑒定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 φ110 mm的軸承內(nèi)圈內(nèi)徑尺寸測(cè)量結(jié)果

由測(cè)量誤差影響因素和測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析可知：設(shè)備自身導(dǎo)致的測(cè)量誤差不大于0.2 μm，設(shè)備測(cè)量值與機(jī)構(gòu)鑒定結(jié)果的誤差不大于0.3 μm，所設(shè)計(jì)的軸承套圈內(nèi)徑尺寸多參數(shù)檢測(cè)設(shè)備滿足測(cè)量精度1 μm的設(shè)計(jì)要求。