（机械制造及其自动化专业论文）微型轴承外圈参数测量仪的系统研制.pdf

浙江人学顾十论文 摘要 本文主要介绍了微型轴承外圈参数测鼙仪的研制开发l ：作，在总结以前l 作经验的基础 上，对轴承外圈参数测量系统进行重新设计。它是按照国家标准中规定的测量方法进行设计 的仪器它能够测量国家标准中规定的轴承外径参数。本论文从墨塑竺塑丝站、控制器的选 择、软件的实现到数据的误差分析都作了详细的介绍。 、- - _ _ _ 一 论文共分六章，各章的主要内容如下： 、第一章绪论。介绍了课题提出的背景，国内轴承外圈参数测量仪研制现状以及自动检 测技术方面的内容。是后对精密仪器现代设计方法的特征做了介绍。 第二章滚动轴承外圈的检查与测量。介绍了国家标准中规定的轴承外径公差的检测项 目以及检测方法，同时也介绍了轴承外圈圆度误差和楞面度的检测。最后是有关轴承抽样检 查的内容。 第三章轴承外圈参数测量仪的设计。本章主要介坌h 了机械部分设计和电气控制设计两 大部分的内容。在机械部分设计，我们尽量考虑到了如何实现轴承的准确定位和减小由机械 方面的误差给轴承检查带来的影响，与以前研制的测量仪相比，我们在定位机构、定位方式、 测量机构、轴圈转动方式等方面作了重大的修改。在电气控制部分设计，我们主要介绍了控 制器的选取和电气控制流程的设计。 第四章轴承测量仪的系统软件设计。本章首先介绍了测量系统控制软件的总体结构、 软件开发过程中的关键技术的实现以及系统软件开发的基本方法。最后介绍了轴承外圈参数 测量系统中的动态链接库技术。 第五章数据处理与误差分析。本章主要介纠了系统误差的分类、如何在- - n 量列中判 断某类误差的存在，然后对采集的数据进行误差分析，最后介绍了如何减小备类误差，提高 测量精度。 第六章总结与展望。对本测量仪与前两台测量工望进行了比较。回顾总结了系统的开发 工作，并对未来进一步的工作做了探讨。j 1 塑垩查兰堡! ：堡兰 a bs t r a c t t h et h e s is1sf o c u s e do nt h ed e v e lo p m e n to fa 1o s t c o s t i t i m l t l 一d ar a n l e t e rr r l e a $ 1 j r i n gd e v ic ef o rt h eo n l lr em e a $ u r e m e n t o ft h eb e a r i n g w er e d e s j g n e dt h em e a s t l r e m e r l ts y s t e mo nt h e b a s eo ft h ef o t - n l e re x p er i e r l c e t h ise q u i p m e n tc a nm e a s u r et h e d i i t m e t e rp a r a m e t e rb a s e do nt h en a t i o n a s t a n d a r d s t nt h e d e v e l o p m e n l ：o ft h ed e v i c e 。d e s ig no ft h em e c h a n ic a s y s t e m ， h ar d w a r e a n dc o n tr 0 1s o f t w a r ej sa c c o m p s h e d t h ist h e s 5s15 c o m p o s e do f s 5 x c h a p t e r s a st = o - 1 1 0 w s ： i nc h a p t er1 t h e $ 0 1 1r c ea n dt h eb a c k gr o u n do ft h er e s e a r c h t a s ka r ep r e s e n t e d a n dt h ea u l ：o m a t i ci l l e a s u r i n gt e c h n o l o g y 1s1n t r o d u c e d a t1 a s t ，t h ec h a r a c t e ro fm o d er nd e s l g nw a y s o n p r e c i s ee q u 5 p r n e n t jsi n t r o d u c e db r i e f l y i nc h a p t e r2 t h en a t i o n a ls t a n d a r d so nt h eb e a r 5 n gd i a l l l e l e e ! r t 0 1 er i t r l t1si n t r o d u c e d a n dt h em e a s ；l i r in gr i l e t h o d sf o r t h e s y s t e m 1sa ls o g i v e r l t h ec h a p t e r31sf o c u s e do nt h es y s t e md e s la n t h lsc h a p t e r 1n c u d e st w op a r t s ：t h er n e c h a n lc a l s y s t e md e s la n a n dt h e c o n t r o ls y s t e md e s 5 9 n w ec o n s i d e rm u c ha b o u tt h ew a y1 ：0f i x t h eb e a r i n gw e l la n dt r u y a sw e l l a sh o wt or e d u c e1n f ll l e n c o ft h em e c h a n ic a le rr o r w ejn t r o d u c et h em e c h a n lc a q s y s t e m a n dt h es e l e c t i 0 1 3o ft h ec o r l t r o p a r t sj 1 3d e t a i ls 。a t a s t t h ew o r k in gf l o wf o rt h ew h o l es y s t e m1sg i v e n t h e c h a p t e r 41sf o c u s e do nt h es o f t w a r ed e s a n t h e s t r u c t u r eo ft h es o f t w a r ejs g i v e r l s e l e c t i o r lo ft h e d e v e lo p i n gp l a t f o r r f la n dd a t a b a s e sd is c l i s s e d 。a n ds o f t w a r e d e s l a n1s1n t r o d u c e da t1 a s t t h e c h a p t e r 5 a n a l y z e s t h e $ o t lr c eo ft h ee rr o r 1t s c h a r a c l ：e r is t ic ，a n dm e t h o d s c or e d u c eo rr e m o v em a n yt y p e s o fe rr o r s a c c o r d i n at 0e rr o r t h e o r y ，m e t h o d s c or e d u c ea 1 k in d so fe rr o r st oe n h a n c et h ei t l e a $ 1 j r in g p r e c i s io na r e n t r o d u c e d i n c h a p t e r6 w ec o m p a r e t h ef o r r n e r s y s t e m w l t hc mrr e r l t s y s t e mb c ie f y w o r kj1 3 t h ed e v e l o p m e n tjss u m m a r iz e da n dt h e f u t ur er e s e a r c hw o r k1s1 0 0 k e da h e a d 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或导师已经发表或撰写的作品成果。对本论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的学术责任和法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：黄嫣谩 日期：2 0 0 2 2 22 浙江大学硕士论文 第一章绪论 本章主要介绍了课题提出的背景以及国内轴承参微测量仪器研制现状然后介绍了精密 测量技术的意义与发展、自动检测技术的发展方向以及精密仪器现代设计方法：计算机辅助 设计，优化设计和可靠性设计等 1 1 课题提出的背景及现状 1 1 1 背景【0 l j 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，在机械结构中几乎是不可缺少的部件。作为重要的机械基础件，滚动轴承 是各种机械中传递运动和承受载荷的重要支承零件。 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，取决于设计、制造和检测。检测是提高轴承性能的重要一环。 1 9 9 9 年，我国轴承出口数量为1 0 8 7 亿套，占国内轴承产量的一半，占世界轴承总 产量( 约i i 0 亿套) 的9 8 8 ，出口金额达5 1 9 亿美元，占世界轴承出口总额( 1 7 0 亿 美元) 的3 0 5 。从出口数量看，我国已步入轴承生产大国行列，并形成了以大型企业自 营出口、外商投资企业返销出口和大型专业外贸公司出口为主的外贸营销网络。其中，外商 投资企业返销出口金额约1 亿美元1 0 2 7 。 从加入w - f o 后的形势分析看，我国的轴承出口总体上应是稳中有升。一方面，我们的 轴承产品质量在稳步提高，销售渠道也在逐步拓宽；另一方面，我们的产品价格较为低廉， 有较强竞争力。经营中国轴承，外商可获得比较丰厚的利润。再者，通用轴承在国际市场上 还有很大的需求，随着国际分工的不断调整，通用中低档产品将进一步向发展中国家转移。 无论从哪方面看，我国轴承出口的环境都逐渐宽松。 加入w t o 后，由于进口渠道的进一步放宽，关税的逐步下调和非关税保护等因素的减 弱，轴承进口的趋势势必会有增无减，预计今明年进口量将会有更加明显地增长，对国内轴 承市场合产生较大的影响。对部分轴承特别是高精度小型密封球轴承的国内轴承市场造成较 大冲击。 在这种情况下宁波市慈兴集团与我们生产工程研究所成立了“宁波市微小型轴承工程 技术中心浙江大学示范培训基地”。慈兴集团是一个具有两干多职工、年产微型轴承几千万 套的大型轴承生产企业。由于该厂起点低，工厂的现代化水平还不高，特别是在轴承检测方 面，基本上还是处于半自动化与手工相结合的阶段，需要大量人力参与，轴承的检测质量也 难以保证。目前，加入w f o 后，我国正由卖方市场转为买方市场，各企业问竞争异常激烈， 如何提高产品质量成了企业在竞争中取胜的关键因素。与我们合作的企业目前经营形式良 好，其微型轴承在国内的市场占有较大份额。但它们并不满足现状，在扩大国内市场的同时 准各开拓欧荚市场。欧美市场的轴承售价远高于国内，同时对轴承的质量要求也更加严格。 产品要打入欧美市场，首先轴承的质量必须有大幅度的提高。提高轴承质量，最重要的是改 浙江大学硕士论文 进轴承的生产条件，采用更加精密的机床进行轴承加工，这需要投入大量的资金对设备进行 改造。在生产条件一定的前提下，通过对轴承进行检测，将轴承区分为合格品、次品、废品 等不同的质量等级，也是一种提高轴承精度经济有效的方法。为了将产品打入欧美市场，企 业决心在几年内按照国家标准建立起整套的轴承检测体系，以确保轴承的质量。 1 1 2 国内轴承检测仪器的现状 目前，我国关于生产轴承测量仪器的厂家并不多，主要有烟台轴承仪器厂、洛阳轴承研 究所以及河南三门峡市中原精密有限公司等几家单位。烟台轴承仪器厂生产的主要是采用两 点法测量的手动量仪。洛阳轴承研究所生产的设备有z d 0 9 0 3 成品球轴承内外径自动检验 机( 如图1 - 1 所示) ，中原精密有限公司生产的是h 3 n 系列的轴承内外圈机后自动检验机。 图l 一1z d 0 9 0 3 成品球轴承内外径自动检验机 ( 1 ) z d 0 9 0 3 成品球轴承内外径自动检验机 本机是按g b 3 0 7 2 - 8 4 标准中规定的测量方法设计的用于成品球轴承内外径检测的自 动机，本机采用双工位测量，机、电、气一体，自动化程度高 工件自动上下料，精确定位， 匀速旋转，双测头浮动测量；微机自动运算，处理显示，给出g b 3 0 7 1 8 4 标准中规定的 两大类1 2 个参数；可根据预置基准值，对被测工件内外径是否合格作出判断，并自动导入 不同的料仓。整个系统采用p l c 计算机控制，保护功能齐全、稳定、可靠。 主要技术指标 测量范围：内径巧1 5 3 5 r a m 外径毋2 6 8 0 r a m 示值误差 o 5 e m 示值稳定性 o 5 g n 8 测量参数：内径 d s 、a d m p 、v d p 、v d m p 外径z b 、a d m p 、v d p 、v d m p 测量截面数：2 测量周期：5 s 测量方式：手动、单步、自动 分组数：合格品、内径废品、外径废品 4 浙江大学硕士论文 ( 2 ) z q l 0 0 1 系列轴承外圆参数测量仪器 z q l 0 0 1 系列轴承外圆参数测量仪是我们生产f ：程研究所为宁波磁兴集团所开发的一 种轴圈参数测量仪器。图i 一2 所示的分别为z q l 0 0 1 - 1 轴承外圆参数激光自动测量仪和 z q l 0 0 1 2 轴承外圆参数涡流自动测量仪。z q l 0 0 1 - 1 采用激光传感器测量，机械位置检 测采用光电开关、接近开关和磁性开关，控制部件采用p l c 。该设备机、电、气一体，能 够完成手动和自动测量。z q l 0 0 1 2 与z q l 0 0 1 1 的控制动作过程基本相同，主要区别是 它的测量部件为涡流传感器。这两台仪器虽然能够完成自动和手动测量，但由于定位装置随 检测过程运动，造成比较大的定位误差，所以自动检测精度很难取得理想的效果。为了解决 这个问题，我们做了大量的试验工作，对以上两台仪器进行重新设计，这也正是本论文的主 要内容。 图1 2z q l 0 0 1 系列轴承外圆参数测量仪器 ( 左：z q l 0 0 1 1 激光式；右：z q l 0 0 1 2 涡流式) 1 2 精密测量的意义与发展1 0 3 】 精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件，这已被生产发展的历史所确认。从生 产发展的历史看，机械加工精度的提高总是与测量技术的发展水平紧密相关的。由于有了千 分尺类量具，使加工精度达到了0 0 1 m m ；有了测微比较仪，使加工精度达到1um 左右； 有了圆度仪，使加工精度达到0 1u m ，有了激光干涉仪可使加工精度达到o 0 1 u m 。目 前，国际上机床的加工水平已能稳定地达到1u m 的精度，正在向着稳定精度为o 1 o 0 1 um 的加工水平发展。对于科学技术来说，测量与控制是使其发展的促进因素，测量的精度 和效率在一定程度上决定着科学技术发展的水平。 目前在基础工业的某些领域方面，在电子工业部门，精密测量技术也被提到从未有的 高度。例如制造超大规模集成电路，要求在l m m 2 面积上集成1 0 0 0 个以上的晶体管，线条 宽度仅为1um 左右，形状位置误差为0 1pm ；在l o o m m 2 的基片上制造掩模原版的图形 发生器，其定位精度达到0 1pm 。所以要研制这类集成电路的装备，必须有高精度测量用 的稳频激光系统和定位系统。此外，在高纯度单晶硅的品格参数测颦中，以及对生物细胞、 浙江大学硕士论文 空气污染微粒、石棉纤维等基础研究中，无不需要精密测量技术。 近几年来，精密测量技术发展很快，主要表现在以f 几个方面： 1 不断应用新的物理原理及新的技术成就。如电子显微镜，超声显微镜，光电技术，激光 干涉技术，计算机图像分析等。 2 采用电子计算机技术和数据程序的现代方法去检验或控制过程，用电子计算机处理综合 测量信息。如圆度仪，三坐标测景仪及齿轮全误著测晕仪。 3j _ j 电子技术改进量仪的瞄准、读数及定位系统的精度。数字显示技术不仅崩于台式量仪， 而且也广泛用于通用量具，如数显卡尺、电子干分尺、干分表等。 4 利用光电摄象技术和计算机技术测量复杂的零件。 5 利用光导纤维传输照明光，避免热辐射对计量结果的影响。 由线外测量逐渐过渡为线内测量。在加工机床上装上数显测量装置，可大大提高生产效 率，并减少了废品率，从而降低了加工成本。将测量和加：i 组成统的：f ：艺系统整体，测量 不仅可以纠正加工方法，而且还能对一些工艺参数的变化进行连续的感测，使这些参数通过 在不同阶段的反馈与预报等方法使之保持在预定的最佳范围内。 1 3 自动检测技术 0 4 1 3 1 自动检测技术概述 自动检测技术是随着计算机的发展而发展起来的- - i 新兴学科。自动检测使技术要求极 高、难度极大、耗时极长的检测工作，可在分、秒级甚至毫秒级的时间内完成。自动检测技 术被广泛应用于设备出厂前的性能测试、维修中的定期测试以及使用过程中的连续监测，它 还可用于设备的故障检测和故障定位。自动检测技术作为可靠性工程的一个重要分支，日益 受到人们的重视。自动检测技术是- - f l 跨学科的技术，凡是需要进行性能测试和故障诊断的 系统、设备、部件，均可采用自动检测技术。它既可适用于电系统也适用于非电系统。它 在军事和民用方面部得到了广泛的应用。其基本任务主要是进行性能测试和故障诊断。 1 3 2 自动检测技术的分类 按检测对象分，自动检测系统可分为：有电系统的自动检测和非电系统的自动检测。在 电系统的自动检测中，又可按照信号形式分为数字检测和模拟检测：按检测系统与被测系统 的相互关系分：有主动检测和被动检测：联机检测和脱机检测；原位检测和离位检测。所谓 主动检测，是指检测系统向被测系统注入一定的测试信号，以便观察和分析它对测试信号的 响应；而被动检测时，不注入测试信号，而是从被测系统的关键检验点上测量所需的信号， 然后进行分析和判断。联机测试又称为在线检测，测试时不中断系统的正常工作；脱机检测 又称为离线检测，在测试时需中断系统的正常运行。原位检测中不对被测系统进行拆卸和分 解，而离位检测需对被测系统进行拆卸和分解。 6 浙江大学硕士论文 1 3 3 自动检测系统发展方向 自动检测技术主要经历了第一代、第二代的发展历程，正在向第三代过渡。 第一代自动检测技术的主要特征是计算机作为系统的控制器，对设备或系统进行测试 和故障诊断。它存在的主要问题是：计算机和被测机件之间、计算机与测试仪器之间以及测 试仪器之间的接口没有标准化，成为组建通用或专用自动检测系统的主要障碍： 与第一代相比，第二代自动检测系统的主要特征是采用标准化接口系统，使自动检测 系统的设计与构成大大简化，把自动检测系统的结构特征变成了积木式结构，可根据被测对 象的特定要求，灵活、方便地设计与构成相应的自动检测系统。但是无论是第一代还是第二 代自动检测系统，计算机只是作为控制器使刚，其任务是“控制”系统备部件协调一【作和进 行数据处理，而测试系统所需的信号源及测量仪器本身则由相应的仪器进行，显然计算机的 巨大潜力并未能充分发挥。 随着计算机技术的不断发展，发展中的第三代自动检测系统将充分开发和利用计算机 的资源，采用特定的软件算法和技术，进行信号的分析、测量和激励信号的形成，从而能在 硬件显著减少的条件下，极大地提高测试功能，使自动检测系统的控制器不仅仅只是控制系 统的协调工作，而且能直接参与信号的产生，完成被测系统性能参数的测量等任务，充分发 挥计算机的巨大潜力。 自动检测技术的另一个发展方向就是人工智能原理在故障诊断系统中的应用。它能根据 各类专家所提供的特殊领域的知识、经验进行推理和判断，来排除需要专家们才能解决的特 殊问题。随着人工智能计算机的开发和应用，定能使第三代自动检测系统产生一个大飞跃。 1 4 精密仪器现代设计方法的特征【0 5 】 现代设计和分析方法( 简称现代设计方法) 是研究设计领域内现代科学方法的一门科学。 它涉及到设计全过程，从原始数据的取得，经过整个系统的设计，一直到对设计质量进行评 价的各种现代方法。 传统的设计方法是经验的、感性的和手工化过程，而现代设计方法则是以此为基础，结 合现代科学技术，经过不断的改进和发展而形成的，它是一个科学的、理性的、动态的和计 算机化的过程。因此现代设计方法胜过传统的设计方法，并迅速得到最佳的设计结果。 随着电子计算机的出现、发展和普及而形成的现代设计方法，根据近儿年的探讨研究， 其中某些方法，如：计算机辅助设计( 或分析) 、优化设计和可靠性设计等也适用于一般精 密仪器设计，此外还有三次设计方法也开始在精密仪器设计中得到应用。 1 4 1 计算机辅助设计 在精密仪器设计中，计算机辅助设计方法目前主要川丁仪器的机构和检测、控制系统方 面。计算机不仅可以用于作为种计算工具代替繁杂的手工计算，而且可以用于系统的模拟 分析，这种计算过程大致如下： ( 1 ) 建立数学模型在用计算机求解一个设计问题时，要求建立一个能代表实际物体 系统的数学模型，即用数学方程式表示各个参数之间的关系式。在建立方程式时，常常要对 7 浙江大学硕j 。论文 物理模型作一些必要的简化和假设，对于复杂的结构，则可用离散的子结构模型来代替。 ( 2 ) 计算即求解所建立的数学方程式，以得到该方程式所代表的系统在给定条件下 的性能结果。 ( 3 ) 检查计算结果将计算机的计算结果与给定值进行比较，并根据需要进一步修改 物理系统的某些原始数据。 ( 4 ) 重复过程( 2 ) 、( 3 ) ，直到得到满意的结果为止。 利用计算机进行系统的模拟分析，不仅可以节省大量的计算时间，而且可以在样机制造 以前进行系统的模拟研究，预先排除设计制造中可能的故障和缺陷：另一方面，对于已有的 机器或仪器进行模拟分析，可以发现问题，进一步改造设计。对于复杂的结构，模拟分析更 是重要的方法。 1 4 2 优化设计方法 这种方法始于5 0 年代末，随着电子计算机的发展而应用于7 0 年代。优化设计方法基 本上是将优化技术应用于设计过程中，最终获得较理想的设计参数。这种方法也称为最优化 方法。 精密仪器优化设计过程大体上包含以下几个步骤： ( 1 ) 建立数学模型将精密仪器( 或系统) 的设计问题转化为数学规划问题，选取设 计变量，建立目标函数，确定约束条件： ( 2 ) 选择最优化计算方法： ( 3 ) 按算法编写迭代程序： ( 4 ) 利用计算机选出最优化设计方案( 结构参数) ； ( 5 ) 对优选出的最佳设计方案( 结构参数) 进行分析判断，审查其是否符合设计要求 和工程实际。 1 4 3 可靠性设计方法 随着科学技术和工业生产的发展，仪器设计时必需考虑到它应具有必要的工作能力，即 可靠性问题。对于仪器的可靠性，目前已从定性要求发展成为可以用数值量度的定量指标。 仪器的实际使用可靠，在颇大程度上取决于设计，可以认为，设计是保证仪器质量的最 主要的因素。通过设计可以认为已经确定了仪器的固有的可靠性，而从设计图纸转化为实物 时，则会使它的实际可靠性低于固有可靠性的水平。因此，为了正确地估计仪器的可靠性， 首先必须对其设计特性( 可以确定为可靠性的上限) 进行研究，然后采用生产、使用与维修、 退化等一系列的系数进行修正。一般可以认为：可靠性设计取决于仪器的可靠性基础，制造 过程中的质量管理则是可靠性实现的保证，良好训练的操作人员和严格的维修规程是保持可 靠性水平的必备条件。在这里，可靠性设计引起的作用是显而易见的。可靠性设计方法包括 安全系数与降额使用的选择、冗余设计、漂移设计等。可靠性设计是一种新的设计方法，它 的应用已越来越广泛。反复地进行可靠性计算，就可能得到可靠耐用的最佳结构，所以从某 种意义上讲，它也是优化设计的个主要细成部分。 8 浙江大学顺1 。论文 1 4 4 三次设计方法 产品设计要求达到高质量和低成本。利用低级的元器件( 低成本) 而得到质量好、性 能稳定的仪器是人们追求的目的这是一个对生产具有重要意义的问题。近年来，以正交试 验法为基础发展形成的“三次设计技术”，这种设计方法又称三段设计能够较好的解决上 述问题。 三次设计技术是由三个设计阶段组成： 第一阶段叫做系统设计，也称第一次设计。在这一设计阶段中，设计人员根据自己掌 握的专业知识对产品进行整个系统( 总体) 设计，确定各元器件的公称值及其误差等级范围 等。 第二阶段叫做参数设计，也称第二次设计。这一设计阶段的目的就是从庞大的绢台关 系中找出撮佳的参数搭配关系，使仪器质量最为稳定可靠。通常可以利用非线性优化技术， 适当改变第一次设计的公称值，从而使仪器质量在精度和稳定性上获得很大的提高。 第三阶段叫做容许差设计，又称为第三次设计。找出对产品质量影响最为显著的环节， 然后对其进行经济效益分析和计算。最后，订出高质量低成本的产品设计方案。 三次设计技术是一项要运用专业知识、现代数学知识，以及计算方法和算法语言等知 识密集和交差的新领域。对于质簧指标和仪器各部利( 或元器件) 之间的相互关系可以表示 为解析函数关系的产品，是三次设计技术的主要应用领域；对于函数关系未知的某些产品， 则可以用回归分析等方法，去建立数学模型而获得应用；对于部分关系可用函数关系表述、 部分关系难以表述的产品，也可以采用适当的方法解决。 总之，三次设计这新技术必将在精密仪器开发研制中得到广泛的应用。 9 浙江大学硕士论文 第二章滚动轴承外圈的检查与测量 轴承外圈的检测内容和检测方法，国家标准中都作了相应的规定。因此在系统设计之前 有必要知道国家标准对轴承检测的有关检测项目、检测条件的规定本章首先介绍了有关轴 承的基本概念，然后介绍了国家标准中对轴承外径公差检测的相关规定以及检测方法，最后 还介绍了有关轴承外径圆度的检测 2 1 滚动轴承的基本结构和类型删 2 1 1 滚动轴承的基本结构 滚动轴承的基本结构是由内圈、外圈、一组滚动体( 钢球或滚子) 和保持架四大件组成。 此外，各种不同类型的轴承还有其他相应的零件，如：铆钉、支销、防尘盖、密封圈、止动 垫圈和紧定套圈等。 内圈( 又叫内套或内环) 套在轴上与轴紧配。大多数内圈与轴一起旋转。 外圈( 又叫外套或外环) 通常【匍定在轴承座或机械的零、部件上，起支承滚动体的作用。 有些轴承是外圈旋转的，轴和内圈不转动，仅起支承作用，例如：车轮轮毂轴承等。 滚动体是承受负荷的元件。它在内外圈之间滚动。它的大小和多少决定轴承的承载能力。 保持架( 又叫保持器或隔离圈) 把轴承中的一组钢球或滚子均匀地相互间隔开来，使每 个钢球或滚子在滚道间正常地滚动运转。 但是，有些轴承转速低，就不用保持架。还有一些滚动轴承没有内圈和外圈，只有一绢 滚动体和保持架，它直接与主机相应部位配台。 2 1 2 滚动轴承的类型 在我国g b 2 7 1 8 7 滚动轴承分类标准中，主要按轴承所能承受的负荷作用力方向 和公称接触角以及滚动体的形状进行分类，如图2 1 所示。 ( 1 )向心轴承主要用来承受径向负荷，但也承受不大的轴向负荷，其公称接触 角为0 。4 5 0 1 ) 径向接触轴承：公称接触角为0 。 2 ) 向心角接触轴承：公称接触角大于0 。4 5 0 ( 2 )推力轴承仅用来承受轴向负荷，其公称接触角大于45 09 0 0 称接触角又可分为： 1 ) 推力角接触轴承：公称接触角人丁4 5 09 0 0 2 ) 轴向接触轴承：公称接触角为9 0 0 1 0 浙江大学硕士论文 图2 - i 滚动轴承基本类型分类 2 2 滚动轴承的公差【0 7 】 2 2 1 滚动轴承公差标准 采用统一的滚动轴承公差标准是轴承工业实现互换性生产的一个必须具备的基本条件。 国际标准化组织自1 9 7 9 年起相继颁布了三项正式标准： 1 ) i s 0 1 9 9 1 9 7 9 滚动轴承推力球轴承公差； 2 ) i s 0 1 1 3 2 1 9 8 0 滚动轴承公差定义； 3 ) i s 0 4 9 2 1 9 8 1 滚动轴承向心轴承公差。 这三项标准主要特点是：公差定义严密、科学，为设计轴承专用测试设备及统一测量方 法创造了有利条件；规定了尺寸公差、旋转精度等项目的专用符号，为简化技术文件及统一 形位公差标注提供了方便条件；统一了公差等级代号，规定了五种公差等级( 0 、6 、5 、4 、 2 级) 。对轴承的内孔、外圆柱面和宽( 高) 度的尺寸公差及形位公差的各项指标作了明确 的规定，要求也更严格，为保证配合特性打下了良好的基础。 我国制定的国家标准是g b 3 0 7 8 4 ，我国在标准修订时考虑到便于轴承厂和用户的使 用，将原标准修订、编辑成相对独立的三项标准。 1 ) g b 3 0 7 1 8 4 滚动轴承公差； 2 ) g b 3 0 7 2 8 4 滚动轴承公差的测量方法： 3 ) g b 3 0 7 3 8 4 滚动轴承一般技术要求。 2 2 2 滚动轴承外圈外径的公差 1 公称外径( d ) ：包容理论外表面的倒牲体的直径为公称外径。滚动车m 承的公称外径 一般是作为实际外表面偏差的基准值( 即基准直径) 。 2 规定的公差项目： i i 浙江大学侦l 论文 ( 1 ) 单一平面平均外径偏差( d 。) ：单一平面平均外径与公称外径之差。它用来限 定轴承外径的最大与最小实际尺寸算术平均值变动的公差带。这一公差项目是决定轴承配合 的基准，并以此为计算过盈配合或间隙配合的基础，是摄重要的尺寸公著项目。它的计算公 式如f ： d 。= d 。一d ( 2 ) 单一径向平面外径变动量( 阳) ：在单一径向平面内的晟大与最小单一外径之 差，它限定轴承外径实际尺寸的变动范围。用以控制外径的圆度误差( 主要是控制外径的椭 圆度) 。它的计算公式如下： 阳。= 阳。一阳。 ( 3 ) 平均外径变动量( 阳。) ：单个套网的最大与最小单一平面平均外径之差。它是 在轴承内外圈的有效宽度内，限定擐大与最小平均外径的变动范围。用以控制外径的圆柱度 误差( 主要是控制内、外径的锥度) 。它的计算公式如下： 助w = d m p m “一d 。，p m m ( 4 ) 单一外径偏差( d ) ：单一外径与公称外径之差。这一偏差项目是专为b 、c 级公差轴承添加的项目。它规定单一外径实际尺寸必须在平均外径变动量( d ) 公差带 范围内，并规定单一径向平面内的外径变动餐( d 。) 与单一平面平均外径偏差( 。) 的变动范围也必须控制在单一平面平均外径偏差( d 。) 公差带内，用以确保c 、b 级公 差轴承的配合特性。它的计算公式如下： d 。= d 一d g b 3 0 7 1 - 8 4 轴承公差标准对g 、e 、d 级公差轴承的外径规定了三项公差d 。、 阳，、。，对c 、b 级公差轴承另增加了一项公差d ，。 对各级公差轴承的外径进行加工时，必须分别按三项或四项公差项目在规定的限值范 围内从严进行质量控制。检验轴承外径时，任何一项公差超过规定的限值，那么则判断该轴 承为不合格品。 2 3 滚动轴承的外圈参数检查 2 3 1 滚动轴承检查概述 1 轴承检验与测量的目的 对轴承成品检验与测量的目的是为了保证出厂的轴承质量符合国家标准规定和满足用 户的使用要求，并以满足用户要求为最终目标。 2 轴承检验与测量的依据 对轴承成品质量进行检验与测量的主要依据有三条： 1 ) 滚动轴承国家标准，这是轴承成品检验与测量塌主要的依据。如g b 3 0 7 1 - 8 4 滚 动轴承公差、g b 3 0 7 2 - 8 4 滚动轴承公差的测奄方法、g b 3 0 7 3 - 8 4 滚动轴承一 般技术要求等。 2 ) 部标准、专用标准和统一企业标准。如 b 1 25 5 8 1 滚铬钢滚动轴承零件热处理 质量标准、 b c q l 3 8 7 球轴承及其零件补充技术要求、 b c q l 4 8 8 滚子轴承及其 浙江大学硕士论文 零件补充技术要求等。 3 ) 对轴承质量的特殊要求。 4 轴承成品检验与测量的项目 轴承成品检验与测量的项目很多，主要分主要项目和次要项目两大部分。 主要项目：内径、外径、内圈基准端面对内径的跳动、内圈径向跳动、内圈基准端面对 沟( 滚) 道的跳动、外圈径向跳动、外圈基准端面对沟( 滚) 道的跳动、径向游隙( 装配高) 、 振动、残磁、工作表面锈蚀以及其它严重缺陷如工作表面黑皮等共有1 2 项。 次要项目：宽度偏差及宽度变动量、互换性、保持架靠套、装配倒角等。 主项和次项总和为全项。轴承行业规定，将主项、全项、工作表面烧伤、工件表面粗糙度、 硬度和金相组织作为考核品种合格率的内容。主项合格率达9 5 ，全项合格率达到9 0 以 及工作表面无烧伤，表面粗糙度、硬度、金相组织为合格的品种为台格品种。 2 3 2 滚动轴承外径的检查 1 技术要求 各公差等级向心轴承、圆锥滚子轴承和推力轴承的单一平面平均外径偏差d 。、单一 平面外径变动量肋。及单套轴承平均外径变动量v d m p 不应超过g b 3 0 7 1 - 8 4 规定的数 值。 2 外径公差的检测 0 8 按照国家标准规定，检查轴承外径d 是用两点法测量：在不同的径向角位置测量，可得 出单一径向平面内最大与最小的单一外径，从而求出单一平面的平均外径偏差厶d 。和单一 平面外径变动量v d 。对若干径向平面进行测量，可得出单套轴承平均外径变动量v d ，。 检查轴承成品外径时，是以两个固定点来支承轴承的外径，将轴承的端面靠在仪器工作台上 进行测量的，工作台可以是水平的( 如图2 - 2 所示) ，也可以是倾斜的( 如图2 3 所示) 。 图2 2 水平工作台情况 1 3 一i 二 止 浙江大学硕士论文 貉一j 图2 3 工作台倾斜放置的情况 用d 9 1 3 、d 9 1 3 b 、d 9 1 4 仪器，与外径尺寸标准件比较，在规定的测量区域内测量。 注意事项 0 7 ： 1 ) 测量时，应在离开套圈端面最大倒角的区域内进行。调整仪器时，测点与支点应处 在同一高度，并与外径尺寸标准件上的标注高度相一致。 2 ) 测点与相对应支点的连线必须通过套圈外径的几何中心。 3 ) 测量单一径向平面内的外径变动量m 。时，被测套圈必须旋转一周以上读数。 4 ) 测量单个套圈平均外径变动量吼，。时，必须至少测量两个径向平面，取每个径向 平面的平均外径，两者之差就是阳。一般都是两面测量。 对一般轴承的外径，虽允许立起来测量( 如图2 4 所示) ，但这种方法应尽量避免使用， 特别是薄壁轴承，因当它立起时，沿直径方向的变形量较大。在测量中，如果两种放置方法 所测得结果不同，则应以水平位置测得的结果为准。 对微型、小型轴承的外径测量，由于其外径小，使用一般仪器操作不方便，目前多把 d 0 5 2 仪器改装后使用( 如图2 5 所示) 。图中( 1 ) 为长表失，( 2 ) 为可更换的工作台， 它是根据不同的轴承外径设计的，它的外径和轴承的外径相等。 对精密轴承外径的检查，除采用高精度的指示仪表外，目前己逐步使用摩擦轮带动套圈 达到自动或半自动回转的检查方式，以减少由于人工回转不均丽造成的误差。 对于特殊结构和特殊用途的轴承，例如对薄壁轴承外径的检查，如果使用一般的机械测 头，将使轴承套圈产生变形致使测量结果不正确。此时，可用气动量仪，以多喷嘴气动环 规来测量它的外径平均值。 。，7 一 一、 f 1 。71 l 。一一一一i - 一 图2 4 垂直测量 1 4 、土， 、7上j 。jj7r 浙江大学硕士论文 弋_ 一甜 、。“扩 t ，l 、 一 图2 6 外径对端面倾斜度的检查 图2 7 外径对端面倾斜度的理想测量 由图2 7 可以看出，两倍垂直度2 q 值的大小与测点到支点的距离h 有关。h 值越大， 仪表上反映的2 q 的值就越大；反之，h 越小，2 q 值就越小。通常，技术条件规定的2 q 值 为h 等于l o m m 时的数值，而实际测量中，h 值往往不等于l o m m ，则允许的2 q 值应通过 计算得到。计算可按下式进行： 1 5 tl、 l ： 二 t 浙江大学硕士论文 2 d ，：丝 t ， l o 式中2 q ：当 = 纠时，允许的两倍垂直度数值( m m ) ： 2 q ：当 = 1 0 m m 时，技术条件规定的两倍垂直度数值( m m ) ； ：测量时，测点至支点的实际距离( m m ) 。 注意事项： 1 ) 测量时，应以基准端面和外径表面母线上的一个支点为定位基准，测点和定位支点 必须在被测外径表面的同一母线上。 2 ) 被测套圈必须旋转一周以上读数。 3 ) 与仪器平台相接触的套圈支承端面，不应有毛刺或垫入脏物。 4 锥度的检测 将图2 2 或2 3 的轴承反过来再测量一次，在同一纵截面上两次测量的数值差就是锥 度。 2 3 3 滚动轴承外径检测仪1 0 1 对轴承外径检测主要是使用d 9 1 3 系列仪器，如图2 8 所示。 1 测量项目：轴承外圈的单一平面的平均外径偏差a d 。、单一平面外径变动量。、 单套轴承平均外径变动量助，。、锥度、外圈对端面的垂直度误差。 2 测量范围：外径d = 1 2 0 2 1 5 毫米。 3 仪器的主要结构：仪器底座由铸件制成，底座倾斜45 。，斜面上固定块硬度较高， 表面光滑的工作台，其上装有两个支点，座底后侧面装有固定比较仪的表架。 4 仪器的使用： 1 ) 把轴承外圈( 1 ) 放在工作台上，用涂色法逐渐把支点( 2 ) 、测点( s ) 和支点( 3 ) 调成9 0 。，使之在同一平面上。测点( 5 ) 的高低是靠滑动表架( 4 ) 来调整。检查轴承外 圈的单一平面的平均外径偏差d 。、单一平面外径变动量助。、单套轴承平均外径变动量 图2 8 轴承外径测量仪结构图 阳，。时，测点( 5 ) 、支点( 2 ) 、( 3 ) 至端面的距离应相等，并应等于或大于倒角公称尺寸 的两倍。 1 6 _ 、 ： ，t 一，_一。一 塑翌查兰堡主堡塞 2 ) 使轴承外圈在支点( 2 ) 和测点( 5 ) 之间并横向移动，当测量头指针处在最大点时， 再把辅助定位支点( 3 ) 调至与轴承外圈外径表面接触后固紧，然后根据轴承外圈尺寸对好 表，即可开始测量。 3 ) 测锥度，只要将轴承外圈反过来再测量一次，在同一纵截面上两次测量的数值差， 就是该轴承外圈的锥度。 4 ) 测外圈对端面的垂直度误差，此时要将支点( 2 ) 升高，使其与测点( s ) 在轴向保 持一定距离“h ”。 5 ) 如果要测量轴承外圈的棱面度，则需要把支点( 2 ) 、( 3 ) 去掉，换上尺寸合适的v 形块即可。 2 3 4 滚动轴承外圈棱面度的检测0 6 】 滚动轴承棱面度定义为套圈表面的等径多边形在横截面上其外接圆与内切圆半径之差， 如图2 - 9 所示，其棱面度e = 一，2 。通过v 形块测量后，其数值改变了，不同角度的v 形块，改变的情况不相同，见表2 1 图2 1 0 为测量棱面度示意图。当测量表尖通过v 形块的分界线时，只能测量某些棱数的棱面度。为了扩大v 形块的使用范围，可将测量表 失倾斜一个角度，如图2 1 1 所示，此时，测量数值的改变情况见表2 2 。 ，1j 卜7 1 t i 一一十一一? 十 、 、一。 图2 - 9 轴承套圈的棱面度 图2 1 0 测量棱面度示意图 17 浙江大学硕士论文 图2 1 1 将表尖倾斜放置测棱面度 表2 1 测量表尖通过v 形块夹角平分线时，v 形块夹角和棱面度放大倍数的关系 v 形块夹角工件棱数适于测量 = 1 8 0 0 一2 a五 七九 的棱数 6 0 033三、九 9 0 0122= 、血 1 0 8 01 3 81 3 82 2 41 3 8 1 2 0 01 5 8122 1五、七 表2 - 2 将测量表尖倾斜放置时，棱面度的放大倍数 装置参数工一咩棱数备注 五七九 v 形块夹角= 6 0 。 = 6 0 01 4 12222 见图2 一i i ( a ) v 形块夹角= 1 2 0 。= 3 0 。2 3 82222 见图2 1 1 ( b ) 2 3 5 滚动轴承外圈圆度误差的检测0 7 j 滚动轴承外圈圆度误差是指外圈同一正截砸上实际被测轮廓对其理想圆的变动量，理想 圆的位置应符合最小条件。 圆度误差的测量主要有两种方法，一种是在圆度仪上进行测量( 称为半径法或半径差法、 轴心基准法) ，另一种是在v 形块上测量。用圆度仪测量圆度误差，是把仪器高精度旋转的 主轴当作一个几何圆与被测圆进行比较的过程，它能连续反映被测零件横剖面除表面粗糙度 外的几何形状误差，并连续记录，误差情况能够完全反映出来，它还能按最小条件进行误差 评定，测量结果自动处理。故用圆度仪检测圆度误差是最理想的方法。但圆度仪价格高，对 使用环境要求严格，故不适应在车间条件下使用。v 形块法是用v 形块和相应精度的读数指 示装置，在平板上完成零件圆度误差的检测。这是一种简单易行的检测方法。但是它只能反 映奇数棱的形状误差，而不能反映出偶数棱的形状误差，故可用两点法测量来弥补这一不足。 1 圆度