（机械制造及其自动化专业论文）轴承振动自动检测仪的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 轴承是旋转机械中最为关键的基础零件之一，轴承的质量直接关系到工作母机的工 作性能，据可靠数据显示旋转机械中3 0 的故障与轴承有关。因此，为了保证轴承质量 必须对其进行严格的出厂检测。目前在轴承质量检测项目中，轴承振动值的大小又是反 映轴承质量的重要指标之一。国内现有的轴承振动检测仪一般多为国内几大轴承研究所 的产品，具有检测精度高、机构简单、操作方便等特点，但是现有的轴承振动检测仪一 般只能进行单个轴承检测，检测效率很低。这必然不能满足轴承厂家对轴承全产品检测 的要求，故国内目前轴承出厂检测多为抽检的方式，这种方式也必然给轴承的质量留下 了安全隐患。因此，为了满足轴承全产品检测的要求，研制一种检测效率高、基本实现 自动化的轴承振动检测仪显得越来越重要。 轴承振动自动检测仪是来自于轴承企业应用课题，要求在保证轴承检测精度的基础 上研制出一台检测效率高、自动化程度高的轴承振动检测仪。因此，本文重点以提高检 测效率和自动化程度为主，具体研制工作内容如下： 1 ) 查阅国内外轴承振动检测设备发展情况，研究了国内外目前使用的轴承振动检 测仪的机构特点，对其结构进行了详细的分析； 2 ) 在测量工艺方面，改进传统测量方式，提出了一种三测头同时测量的检测方法， 并具体设计出了检测机构上传感器的布置方式及动作方式，即在测量面上相隔1 2 0 。放 置三个传感器测头，测头的压紧与松开由一气缸带动； 3 ) 基于厂家要求及自动化结构设计思想，确定了基于双面三点同时测量的检测方 法，并在整个检测设备上设计了四个工位：入料、a 面检测、b 面检测及分拣工位。为 实现不同型号轴承在各个工位上快速准确的移动及分拣，还设计了一套轴承横移升降装 置和分拣机构； 4 ) 对设备运行环境中振源形式进行分析，根据设备结构特点研究设备具体减振隔 振工艺，降低设备基础振动，保证设备检测精度，并给出设备具体使用环境要求。 本文所提出并设计的三点同时测量机构及自动化机构，为轴承检测效率的提高提供 了可靠的保证。 关键词：轴承；振动；检测仪；自动化 轴承振动自动检测仪的研制 d e s i g no fa u t o - m e a s u r e m e n te q u i p m e n to fv i b r a t i o no fb e a r i n g 。一 。一 一1 a b s t r a c t b e a r i n g sa r eo n eo fm o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h er o t a t i n gm e c h a n i s m s ，w h i c hq u a l i t i e s d i r e c t l yi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c e so fm a c h i n et o o l s a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，t h e r ea r e3 0p e r c e n to f f a c u l t i e si nt h er o t a t i n gm e c h a n i s mt ob er e l a t i v et ob e a r i n g s s ow em u s ts t r i c t l yc h e c kt h eq u a l i t i e so f b e a r i n g sb e f o r et h e ya r es o l d r e c e n t l y , t h ev a l u eo fb e a r i n g sv i b r a t i o ni so n eo fi m p o r t a n ti n d e x e si nt h e c h e c k i n gi t e m so fb e a r i n g s b e s i d e sm e a s u r e m e n te q u i p m e n t su s e di nt h ei n t e r n a la r em o s t l ym a n u f a c t u r e d b ys e v e r a lf a m o u sb e a r i n g sa e a d e m e s , w h i c hh a v em a n ye x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sp e r f e c t m e a s u r e m e n tp r e c i s i o n , s i m p l i f i e dm e c h a n i s m ，e a s i l ym a n i p u l a t i n ga n ds oo n b u tt h e s em e a s u r e m e n t e q u i p m e n t su s u a l l yc a no n l yc h e c kas i n g l eb e a r i n g ，h e n c et h e ya r el o we f f i c i e n ti nt h em e a s u r e m e n to f b e a r i n g s s oi t i si m p o s s i b l et om e e tt h en e e do fm e a s u r e m e n to ft o t a lb e a r i n gp r o d u c t sb e f o r ed e l i v e r y , w h i c ht h ep r o d u c e r sw i s h t h i sr e s u l tl e a d st ot h es i t u a t i o nt h a ta l m o s tp r o d u c e r sc a l lo n l yc h e c kr a n d o m l y b e a r i n g s t h i sm e t h o dt ob eu s e di ss u r et ol e a v et h ep o t e n t i a ls a f e t yh a z a r d h e n c e ，i no r d e rt om e e tt h e n e e do fm e a s u r e m e n to ft o t a lb e a r i n gp r o d u c t s ，t h ed e s i g no fa u t o - m e a s u r e m e n te q u i p m e n to fv i b r a t i o no f b e a r i n gw i t hh i g he f f i c i e n c yo fm e a s u r e m e n tb e c o m em o r ea n dm o r es i g n i f i c a n t a u t o m e a s u r e m e n to fb e a r i n gv i b r a t i o ni sp r a c t i c a lt a s kf r o mb e a r i n gi n d u s t r y , w h i c h w o r ki st od e s i g nt h em e a s u r e m e n te q u i p m e n to fb e a r i n gv i b r a t i o nw i t hh i l g he f f i c i e n c ya n d i n t e l l i g e n c eo nt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e i n gt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o no fb e a r i n g s t h e r e f o r e ， t h ee m p h a s e so ft h ea r t i c l e l a yo nh o wt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm e a s u r e m e n ta n d a u t o m a t i o n n l em a i nw o r ko ft h i sa r t i c l ea sf o l l o w i n g ： 1 ) r e f e r r i n gt ot h ed e v e l o p m e n to ft h em e a s u r e m e n te q u i p m e n to fv i b r a t i o no fb e a r i n gi n t h ei n t e m a la n di n t e m a t i o n a l r e s e a r c h i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em e a s u r e m e n t e q u i p m e n t su s e di ni n t e m a la n di n t e m a t i o n a l i nq u i c ks u c c e s s i o n ，t h e r ei st h es p e c i f i c a n a l y s i so nt h es t r u c t u r eo ft h em e a s u r e m e n te q u i p m e n t 2 ) i nt l l ea s p e c to fm e a s u r e m e n tt e c h n i c s ，t h ea r t i c l eo f f e r san e wm e t h o dt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fm e a s u r e m e n ti n s t e a do ft r a d i t i o n a lm e t h o d ，w h i c hm e a n st ou s et h r e es e n s o r st o m e a s u r ea ts a m et i m e b e s i d e st h i sa r t i c l ed e s i g n st h ei n s t a l l a t i o nw a y sa n dm o t i o ni nt h e m e a s u r e m e n tm e c h a n i s m w h i c hi st h a tt h e r ea r et h r e es e n s o r si nt h em e a s u r e m e n ts u r f a c e w i t h12 0 。e a c ho t h e ra n dt h ec y l i n d e r sa c h i e v et h er e l a x a t i o na n dc o m p a c t i o n 3 ) b a s e do nt h en e e do fp r o d u c e r sa n dt h ec o n c e p to ft h ed e s i g no fa u t o m a t i o n m e c h a n i s m ，t h i sa r t i c l ed e t e r m i n e st h em e a s u r e m e n tm e t h o do ft w o f a c e sa n dt h r e ep o i n t s w h a ti sm o r e ，t h ee q u i p m e n to fv i b r a t i o no fb e a r i n gh a sf o u rw o r k i n gp o s i t i o n s ：f e e d i n g i i 大连理工大学硕士学位论文 - _ - _ _ - - - - - _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ - - - - - _ 一_ - _ - ，- _ _ _ _ _ - 一 p o s i t i o n ，m e a s u r e m e n to nas i d e ，m e a s u r e m e n to nbs i d ea n du n l o a d i n gp o s i t i o n a tl a s t , t h e a r t i c l ed e s i g n sas e to fe l e v a t o rm e c h a n i s ma n ds o r t i n gm e c h a n i s mf o rd i f f e r e n tb e a t i n g s 4 ) a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lf e a t u r e so ft h ee q u i p m e n t , i s o l a t i o nt e c h n o l o g yi ss t u d i e dt o r e d u c ef o u n d a t i o nv i b r a t i o na n dg u a r a n t e et h ep r e c i s i o no ft h e e q u i p m e n t l a s t ，u s e r e q u i r e m e n t so f t h ee q u i p m e n ta l ep r o v i d e d t h i sa r t i c l ep r o p o s e sa n dd e s i g n st h em e a s u r e m e n tm e c h a n i s mo ft h r e ep o i n t sa n d a u t o m a t i o nm e c h a n i s m t h e s em e c h a n i s m sm a k eac r e d i b l e g u a r a n t e e f o r b e a t i n g m e a s u r e m e n t k e y w o r d s ：b e a r i n g ；v i b r a t i o n ；m e a s u r e m e n te q u i p m e n t ；a u t o m a t i o n i l l 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 主壶基多整边型边丝翌l 篮鱼勾羔! l 作者签名：查显1 日期： 2 2 1 仝年旦月j 竺日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 圣壶基王丕鱼笪垄捡塑l 垒塞丝塑盘虫 作者签名： 童，亟1 日期： 兰! ! 仝年j 三月丝日 导师签名：鹊绝铥 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 轴承是旋转机械中广泛应用的基础零件之一，广泛用于汽车、飞机、航天、轮船、 家电等领域，可以说在制造业大发展的环境下轴承的使用无处不在。但是轴承也是最容 易损坏的零件之一，据统计，旋转机械中大约有3 0 的故障与轴承有关，轴承的质量与 设备的正常运行有着紧密的联系u 2 】。为了保证轴承的出厂质量，我国轴承行业对轴承成 品也采用极为严格的检测工艺，主要依据有国家标准、行业标准、企业标准。检测项目 从重要性上分为三项：关键项目、主要项目及次要项目，其中主要项目中的振动检测是 目前我国轴承行业技术弱项。另外，据可靠数据统计，在机械制造行业中大约有8 0 的 事故和设备损坏与振动有关【3 】。因此，提高检测轴承质量的技术尤其是对轴承振动检测 技术显得尤为重要。 轴承振动测量最初是凭借经验丰富的技术工人通过人手感觉来判断轴承质量，这样 得到的结果往往与技术工人经验丰富程度有关，测量结果参差不齐，而且浪费了大量的 人力，检测效率低下。随着科学技术的发展，电子技术逐步运用的轴承检测设备上，使 得轴承的各项检测指标能够以数字的形式显示到仪器仪表上，降低了对检测工人技术经 验的要求，从一定程度上缓解了工人劳动强度。国内轴承检测设备生产厂家主要有洛阳 轴承研究所、杭州轴承试验研究中心、宁波中策仪器及大连轴承仪器厂，洛阳轴承研究 所的s 0 9 5 1 型轴承振动测量仪，杭州轴承试验研究中心的b v t - 5 速度型测振仪，大连轴 承仪器厂的s 0 9 1 0 型加速度测振仪【4 j ，在检测精度、准确度上都处在国内领先，国际先 进的水平。但是这些设备主要应用新型轴承性能的检测上，投入到实际轴承成品检测的 比例相当之低。另外，这些设备大多结构简单，自动化程度较低，需要人力的辅助。因 此，这种设备的检测效率对于轴承生产厂家轴承生产效率来说，想要对每个轴承都进行 检测显然是不可能的。 产品质量是一个企业生存的根本，在全球经济一体化，行业竞争白炽化的环境下， 产品的质量尤为重要。在国外轴承产品的冲击下，国内轴承企业求生存求发展的根本也 就是高要求地保证轴承质量。因此，对轴承成品进行全产品检测的要求越发显得重要， 但是目前国内的轴承振动检测仪器检测效率较低，满足不了轴承全产品检测的要求。国 内三大轴承生产厂家洛阳轴承厂、大连瓦房店轴承厂及哈尔滨轴承厂所采用的轴承测振 仪绝大多说来自于国内轴承研究所，轴承检测多采用抽样检测【5 l 。因此，轴承振动自动 检测仪的研制对提高我国企业轴承检测效率，保证轴承成品出厂质量具有十分重大的意 义。 轴承振动自动检测仪的研制 1 2 国内外轴承振动检测仪发展现状及趋势 1 2 1 轴承振动检测技术 早在2 0 世纪初人们就开始使用各种手段对轴承的振动情况进行检测，按照检测方 式不同可以分为：人手感觉检测、扩音器听声检测、传统的电子仪器仪表检测及近代的 基于p c 机的虚拟仪器检测1 6 j 。 早期在检测技术落后，检测手段匮乏的情况下，轴承振动情况的测量是凭借着工人 师傅们长期的实践经验进行的。这种测量方式的基本原理为：在简易的旋转装置上，由 电机通过带轮或其他传动方式带动轴承转动，然后由经验丰富的技术工人用手轻轻扶着 轴承的外圈，用感觉来感知轴承旋转过程中是否有间歇性或者周期性的异常振动，依此 为标准来评定轴承的优劣，其基本检测原理如图1 1 。这种方法的缺点是显而易见的： 测量的结果受人为因素影响很大，如技术工人的身体状态、精神状态等，导致测量结果 往往相差很大，而且上料、下料时间长，大约单个轴承检测时间为3 0 s ，效率很低、劳 动强度也很大。 1 ) 转动芯轴2 ) 被测轴承3 ) 人手扶持位置4 ) 驱动电机 图1 1 轴承柔和度检测原理图 f i g 1 1 t h ep r i n c i p l eo fm e a s u r e m e n to fb e a r i n gs o f t n e s s 轴承在旋转过程中，除了轴承自身零件的固有振动及由于功能要求所产生的振动以 外，其他一切偏离理想位置的运动所产生的振动，都称为轴承的振动。当轴承的振动传 播到辐射表面，振动能量就转换为压力波，然后经空气介质传播出去，其中频率在2 0 - - 2 0 0 0 0 h z 的部分能被入耳听到，即为噪声5 1 。轴承的振动与噪声是轴承的两个重要技术 特性，两者有紧密的关系，两者之间相互呼应。 2 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 轴承振动与噪声的对应关系 f i g 1 2 t h er e l a t i o no fv i b r a t i o na n dn o i s eo fb e a r i n g 轴承振动与噪声的对应关系【7 j 如图1 2 ，因此，通过轴承噪声的不同特性的研究，来 定性的判断轴承缺陷所在，也成为目前轴承行业检测的一种手段，其测量方式的基本原 理简图如下图1 3 。但是噪声的测量应该在具有特殊消音功能的房间内进行，因为消音 室内环境背景噪音低，可以把轴承噪声和环境噪声区分开来1 8 ，j 。因此，这种设备不适合 在加工工厂进行现场测试。这样就很大程度上降低了轴承产品检测效率，而且增加了检 测成本，这些都是轴承厂商不想要的结果。 1 ) 载荷2 ) 载荷3 ) 传声器 图1 3 噪声测量原理简图 f i g 1 3 t h ep r i n c i p l eo fm e a s u r e m e n to fn o i s e 轴承振动自动检测仪的研制 随着传感器技术的广泛应用和电子技术的发展，国内普遍使用一种采用电测法检测 轴承振动的设备。该设备的测试系统一般由两部分组成：拾振器和测振仪。拾振器就是 传感器，测振仪是与不同拾振器匹配使用的调理电路与积分、微分电路，测得的振动量 的时域参数可以在测振面板上直接读出。这类仪器的电气系统大多数使用模拟信号处理 技术，使用电子仪器或仪表给出某些振动信号的幅值域参数如：有效值、峰值等。目前， 这种轴承检测设备在轴承生产行业中仍占有较大比重【1 0 1 ，该设备的测量原理简图如下图 1 4 。 1 ) 电子测量放大器2 ) 传感器3 ) 被测轴承4 ) 芯轴5 ) 主轴 图1 4 轴承振动测量示意图 f i g 1 4 t h es k e t c ho fv i b r a t i o no fb e a r i n g 近年来随着p c 计算机的广泛应用，为数据的处理提供强大的硬件支持。轴承检测 行业也将p c 机应用到检测技术中，首先主要是利用p c 机的自动控制功能，使检测仪 器能够实现较为复杂的动作。而在1 9 8 6 年在美国n i 公司提出了虚拟仪器的概念后，引 发了仪器和自动化工业的一场革命。虚拟仪器的提出和发展完全打破了传统仪器的概 念，充分使计算机技术和测量技术紧密的结合起来，也代表了未来仪器产业的发展方向 【l l 】。虚拟仪器顾名思义就是不是实际意义上真实的仪器，它是利用计算机软件功能编写 的能够实现某种功能的测试系统。相比传统意义上的轴承检测设备而言，它没有数据处 理电路，这部分完全由测试软件来实现。另外，它还具备了传统轴承检测设备无法实现 的功能，例如可以实现测量数据的软件滤波、存储、打印、波形回放、远程监控等1 1 2 , 1 3 j 。 可以说虚拟仪器的出现，从检测精度上使轴承检测技术迈上了新的高峰，但是由于p c 机仅是取代了传统振动检测设备的测振仪，所以设备的检测效率并未因虚拟机的运用而 提高。 4 大连理工大学硕士学位论文 1 2 1 轴承振动检测仪国内外发展现状 国内外轴承检测设备都在蓬勃的的发展，许多厂家和轴承试验研究所都在研究改进 新产品，以适应轴承振动状态检测或故障诊断。国内检测轴承振动噪声的仪器，一般统 称为轴承振动测量仪。从计量单位上分为两类：一种是用轴承振动加速度的有效值来评 价轴承质量的好坏，例如：大连轴承仪器厂的s 0 9 1 0 2 a 型轴承振动检测仪( 简称加速 度型轴承振动检测仪) 。另一种是用安德鲁( a ) 或速度( 删s ) 值来评价轴承质量的 好坏。例如：s 0 7 9 0 7 v - 2 c 或s 0 7 9 0 7 2 a 型轴承振动检测仪( 简称安德鲁型或速度型轴 承振动检测仪) 1 4 , 1 5 】。目前国内轴承检测设备无论是加速度型轴承振动检测仪还是速度 型轴承振动检测仪，大多采用的是单一因素检测，不论是部级还是轴承厂家都是采用轴 承振动值的大小来判断轴承质量的优劣。而国外的轴承振动检测一般是采用分频多参数 多角度判断的优劣，不仅控制轴承的振动值，还控制峰值与有效值的比值，即p r 值和 峰值个数，同时使用耳机和示波器监听轴承异音及观察振动波形。国际上权威的美国 b e n d i x 公司的b 1 0 1 0 型轴承振动检测仪就是此类设备中较为先进的一种【l6 j 。 近年来，国内轴承检测行业发展很快，轴承生产厂家和轴承仪器研究所的合作更加 紧密化。目前国内影响较大、技术先进的轴承试验研究所杭州轴承试验研究中心、洛阳 轴承研究所、大连轴承仪器厂等厂家加快了技术革新步伐【1 7 】，自主研制了很多新型轴承 振动检测设备缩小我国轴承检测技术与世晁先进技术的差距。 2 0 0 6 年，杭州奥普拓新技术有限公司林丹、刘彤等人i l 剐发明了双面轴承检测装置 及轴承多点检测的上料装置的专利技术，其基本结构原理如图1 5 、1 6 所示。这两项专 利主要从机械结构方面革新了以往轴承振动检测仪传统结构，其全新的双面检测装置中 的轴承换面旋转装置及多点上料装置中的气动推动装置在一定程度上提高了轴承振动 检测的效率。但是从整体结构来说，它们还是在传统设备上进行的结构改进，使用了一 定了气动装置，减少了工人一定的工作量，但是对于实现轴承振动自动化检测要求还是 有一定的差距。 轴承振动自动检测仪的研制 图15 烈面轴承检测装置结构图 f i 9 15 t h es t r u c t u r eo f d o u b l e s i d e d m e a s u r e m e n to f b e a r i n g 吲16 轴承多点检测上料装置结构图 f i g1 6t h ee q u i p m e n t o f m u l t i s i t e m e 越u r e m e n t o f b e a r i n g 在国内，杭州轴承试验研究中心的b v t 系列轴承振动检测仪及洛阳轴承研究所s 0 9 系列轴承振动检测仪当属国内轴承行业应用摄多的产品。杭州轴承试验研究中心的 b v t - 5 轴承振动速度检测仪是其性能最完善的个型号，在结构上主要由传感器、测量 放大器、驱动丰轴和加载器等部件组成，设备结构外形如图l7 中a 图所示。设备电箱 表头同时显示三个频带的均方根值，还带有高质量扬声器可对轴承噪声进行监听，同时 可外接示波器，对轴承异常波形进行监视。洛阳轴承研究所s 0 9 系列的型轴承振动检测 仪包括s 0 9 1 0 、$ 3 9 1 0 、$ 9 9 1 2 等型号轴承振动测量仪。在显示通频轴承振动加速度值的 同时，还分低、中、高三个频段同步显示轴承振动加速度值，同时还可以显示轴承振动 信号的单峰值另外扬声器可同步输出轴承旋转时产生的“异音”状况。s 0 9 系列设备 结构外形如图17 中b 图所下； 大连理工大学硕士学位论文 圆 i 1 、 ab v t 一5 轴承振动检测仪外形bs 0 9 系列轴承振动检测仪外形 蹦17 国内轴承振动检测仪外形 f i 9 17 t h ep r o f i l e o f m e a s u r e m e n te q u i p m e n to f b e a f i n g v i b r a t i o n 2 0 0 7 年，由洛阳轴承研究所朱孔敏、任利珍等人研制的智能型轴承振动分析仪。该 分析披采用了先进的虚拟仪器技术，充分运用了计算机软硬件资源，采用信号处理与分 析技术，采用多功能、多参数综合评定被测轴承质量其中包括：有效值、峰值、峰值 因子、峭度、声音、实时波形、峰值频率、功率谱、倒频谱、包络谱等多种测试分析， 并具备有轴承故障自动诊断功能。另外，该设备还具有三级减振系统，极大的降低了环 境及电机对测试仪器精度的影响；高精度的静压主轴系统，减少了主轴的径向、轴向跳 动量，旋转精度达到了精密测试仪器的要求l l q 。可以说是目前国内轴承振动检测仪功能 最为齐全、精度最高的设备。 美国s h e f f i e d 公司研制的轴承振动测量仪如下图1 8 ，其结构特征与国内同类产品 相似，传感器电箱部分同样采用5 个表头，在显示通频轴承振动加速度值的同时，还分 别显示低、中、高频段的加速度振动值，同时还可以显示轴承信号的单峰值，在主轴回 转精度、基础振动性能方面高于国内同类产品口，但是就轴承的检测效率来说，与国内 同类产品相当。 轴承振动自动检测仪的研制 ，r 口 r 口口 田 撩黔耀i 图i8 美国s h e f f i e d 公司轴承振动测量仪 f i g i8 t h ee q u i p m e n t & b e a r i n gv i b r a t i o n o f s h e f l i e dc o m p a n y 由上述产品功能结构可知，国内外轴承振动检测仪目前研究的重点是从硬件和软件 方面增加轴承检测的功能及提高准确度，这些产品都可以说是一项非常成功的科研产 品，但在轴承产品出厂检验这个环节中应用效果并不好。同样，2 0 0 1 年第1 8 卷第6 期， 由王卓等在机电工程杂志上发表了滚动轴承的振动监测与故障诊断系统研究，该技 术的特点为：采用压电式加速度计进行振动测试，利用微机进行数据处理分析。这种系 统适合于滚动轴承试验机与大型关键设备滚动轴承的状态监测和诊断，诊断功能单一， 不适合轴承厂家对出厂轴承振动质量的精密监控与分析口“。2 0 0 3 年第6 期，由王家亮 等人在轴承杂志e 发表的轴承振动及异常声的检测，其技术特点为：采用单片微处 理器对检测数据进行计算处理，得出振动值、峰值因数和脉冲数参数。由于这种方式采 用的是单片微处理嚣，指令的功能和运算速度有限测量仪器整体钡6 试功能扩展有限。 由杭州轴承试验研究中心方正全主任团队研制的a b v - i 型智能化数字型全自动轴 承振动速度测量仪，是集电气液一体的产品，自动化程度高。它在保证了测振仪高旋转 精度，低基础振动的同时，大大提高了生产效率，与传统半自动化的检测仅相比效率提 高2 倍以上。可以况是目前国内轴承振动检钡嫩中自动化程度最高的一种型号，该设备 使用提升气缸连续补充新的被测轴承，送料器及送料气缸负责把被测轴承送到各工位， 轴向加载气缸及打料器负责给被测轴承轴向加载并在测量完成时推出被钡4 轴承，从而实 现轴承的连续测量，设各的轴承检测效率为5 2 1 0 s 件时间可调田】。但是该仪器是随 机的对轴承的两面各一点进行振动测量，井以测得的振动值确定轴承等级这就要求所 测轴承的振动离散性要小，因此该设备只应用于轴承工艺水平较高的场合，很大程度上 降低了该自动化设备应用的范围。 大连理工大学硕士学位论文 此外，目前市场上大量涌现出便携式或微型轴承振动分析仪，它们具有同传统大型 的振动分析仪相同的功能，只是在体积上有所差别。当然体积小，携带方便是这类轴承 振动分析仪最大的特点，但是这也间接决定了这类轴承振动分析仪的应用范围。例如在 日本，它们是专为公司车间、工厂产品检查员设计的智能型巡检仪，对轴承产品出厂检 验并无实际意义1 2 引。 综上所述，目前国内外轴承振动检测设备的研制重点还聚焦在检测参数的选择应用 及如何提高检测精度方面，相应的开发出来的轴承检测仪也是向着智能化、小性能化发 展，还主要应用在高精密轴承的振动检测、单件小批量检测领域。而且在技术上还并未 研究出适应大批量轴承振动检测的技术。因此，目前国内外轴承检测设备普遍存在检测 效率及自动化程度较低的问题。国内轴承厂家也只能根据这些设备制定符合实际情况的 轴承检测工艺，即轴承的抽样检验。从更长远有效的检测方式来说，轴承作为设备的关 键部件应该实现全产品检测，因此研制出轴承振动自动检测仪对于轴承生产厂家来说， 不仅保证产品质量，而且对提高企业形象有着不可估量的重要作用。 1 3 论文的研究内容 本课题应大连瓦房店轴承厂要求以提高轴承振动检测效率为主要任务目标，对现有 的轴承振动测振仪进行自动化改造。本文从测量工艺及自动化方面进行设计研究，采用 三点同时测量工艺，设计出了辅助测量的自动化机构，较大的提高了轴承检测效率。本 文研究内容包括以下几点： ( 1 ) 对现有轴承振动检测设备结构特点进行分析，根据用户需求规划出所研制的 轴承振动自动检测仪的总体功能要求，采用基于功能的设计方法对各功能组件进行分 析，完成设备动作方案、总体布局及外形设计。 ( 2 ) 针对设备的关键机构进行详细设计，按其功能要求选择相应的执行元件和驱 动元件，并对机构中关键部件进行设计计算及校核，保证设备工作安全可靠。最后完成 设备气路系统设计。 ( 3 ) 针对提高振动稳定性问题，对设备支撑机架制造工艺进行分析，确定合理制 造工艺。 ( 4 ) 对设备运行环境中振源形式进行分析，根据设备结构特点研究设备具体减振 隔振工艺，降低设备基础振动，保证设备检测精度，并给出设备具体使用环境要求。 9 轴承振动自动检测仪的研制 2 轴承振动自动检测仪的工作原理及总体方案设计 2 1 轴承振动自动检测仪的工作原理 2 1 1 轴承测振原理 测振传感器的拾振杆轻压在振动物体上，随着振动物体一起振动，拾振质量相对于 传感器壳体作相对运动。系统的输入是壳体运动引起的惯性力，系统的输出则是质量的 相对位移【2 4 , 2 5 】。为了真实的测得轴承的振动情况，必须模拟轴承的实际运转情况。首先 使用轴承推力装置将被测轴承推送到主轴系统的芯轴上，并以一定的轴向压紧力压紧被 测轴承的外圈。随后，加速度传感器轻压在被测轴承外圈上，主轴传动系统带动被测轴 承转动。传感器将采集到的振动信号转化为电信号，再经过信号调理电路处理后，由数 据采集卡的a d 模块转化为数字信号，最后将数字信号传送给计算机进行数据处理得出 测量结果。整个测量流程如图2 1 。 ，广1 数 被 据计 测 振动信号 加速信号 轴 度传 模拟信号放大、滤波 采 数字信号 算 调理 承 感器 电路 集 机 卡 、lj 图2 1 轴承振动测量过程 f i g 2 1 t h ep r o c e s so fm e a s u r e m e n to fb e a r i n gv i b r a t i o n 2 1 2 自动检测仪的工作原理 轴承振动自动检测仪机械结构由振动测量机构、轴承横移升降机构及分拣机构三大 机构组成。信号分析处理模块由p c 机和l a b v i e w 软件编写的信号处理程序共同组成。 为了实现连续测量、提高自动化程度，设备在各执行部件中大量使用了气动元件，另外 还使用接近开关检测各工位上轴承的状态，避免了无用行程动作，提高了设备的智能化 程度。 轴承振动自动检测仪的工作原理【2 6 】如下：在入料位置处的接近开关获得轴承信号 后，入料气缸动作将被测轴承轻推到横移装置的v 型定位块上，然后横移装置上端的压 紧气缸将轴承压紧，同时工作台下的横移气缸缓缓将轴承拖送至a 面检测位置，a 面处 l o 大连理工大学硕士学位论文 的接近开关得到信号后，轴向推力装置将轴承推到主轴系统前端的芯轴上，推力装置的 三只橡胶爪以一定的轴向负荷施加在被测轴承外圈端面中心并互成1 2 0 。，使其外圈固 定，。随后测量装置上的三个传感器测头在气缸的推动下，使传感器以一定的压力紧贴 在被测轴承外圈上，然后主轴电机转动，带动被测轴承内圈以固定的转速旋转，其轴承 外圈的振动通过拾振杆传递给传感器并转换成相应的模拟电信号，传感器测得的模拟信 号经信号调理电路进行放大、滤波或隔离等预处理后，经由数据采集卡送到计算机中进 行数据处理。在a 面测量结束后，传感器测头抬起、主轴停转、测量装置两侧的出料气 缸将轴承再送至横移装置的v 型定位块上，由横移气缸将被测轴承送往b 面检测位置， 之后设备动作与前面叙述的相同。当轴承在检测工位上测量时，横移气缸复位去接送入 料工位上新来的轴承。当轴承在b 面检测位置测量结束后，由横移气缸拖送至分拣工位， 此时计算机根据轴承振动信号分析结果，发信号给p l c 逻辑控制器，由p l c 控制分拣 装置进行轴承的优、返修后合格、次品分类。图2 2 为本设备原理简图。 1 ) 测振机构2 ) 分拣机构3 ) 轴承横移升降机构 4 ) 入料工位5 ) a 面检测6 ) b 面检测7 ) 分拣工位 图2 2 轴承振动自动检测仪原理图 f i g2 2 t h ep r i n c i p l eo fa u t o - m e a s u r e m e n te q u i p m e n to fb e a r i n gv i b r a t i o n 2 2 轴承振动自动检测仪总体方案设计 本课题研制的轴承振动自动检测仪是自动化程度较高的机电一体化产品，应以提高 检测效率、缩短产品生产周期、降低成本为主要目标。根据客户需求，实际设计经验， 采用基于功能的设计方法【2 7 郐l ，建立了轴承振动自动检测仪的功能模型。本节从整体上 轴承振动自动检测仪的研制 对设备进行方案设计，以指导以下章节进行详细设计。 2 2 1 用户需求分析 本课题研制的轴承振动自动检测仪是应大连瓦房店轴承厂的要求设计的，主要目的 是提高轴承振动的检测效率及设备的自动化程度。基于功能考虑该设备应具备：轴承振 动检测功能、自动调整功能及产品分类功能。厂家招标书中对设备具体要求如表2 1 ： 表2 1 产品相关要求 f i g2 1 p r o d u c t - r e l a t e dr e q u i r e s 项目 要求 检测对象 轴承外径范围 轴承宽度范围 检测效率 轴承分类 其他 深沟球轴承、角接触球轴承 8 0 r n l t l 2 4 0 m m l5 m m - - 一5 0 m m 平均检测效率约为1 0 s 套 优质品、经返修合格品及次品 可稍作改动连接到轴承自动装配生产线上 对轴承进行双面测量 连续工作1 2 小时 在实际设计工作中，设备整体除了包括厂家的具体要求以外，还应该根据设备实际 功能要求、性能要求及使用环境要求等方面进行设计。本课题研制的轴承检测设备属精 密检测设备，因此对各个零部件尺寸精度、形位公差、表面粗糙度有较高的要求，另外 设备整体的隔振性能要好，基础振动要低。 2 2 2 测振仪总体功能划分 根据上述对轴承振动自动检测仪工作原理及用户需求分析，依据机械工艺动作过程 的分解方法1 2 9 1 ，对设备总体功能进行了功能划分，最后归纳总结出轴承振动自动检测仪 应具备的三大功能：轴承测振功能、轴承移动及位置调整功能及轴承产品的分拣功能， 并细化了各大功能所包含的分功能，这样便于分块设计，缩短产品生命周期。具体划分 方式如图2 3 所示。 本文针对轴承振动自动检测仪三大功能，设计出了与之相对于的三大机构，即轴承 测振机构，轴承横移及升降机构和产品分拣机构。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 图2 3 产品功能划分 f i g 2 3 t h ee x p l o d e dv i e wo fp r o d u c tf u n c t i o n 2 2 3 测振仪各功能分析 ( 1 ) 轴承测振机构 测振机构的测量原理是基于双面的三点测量。测量装置上有一个入料工位，两个测 量工位，轴承在各工位间的移动靠工作台下的横移气缸来实现，根据被测轴承的最大外 径尺寸，选用横移气缸的移动量为4 0 0 m m 。在入料装置将轴承推送到入料工位以后， 设备的轴承横移机构上端横梁上的压紧气缸动作，将轴承压紧在v 型块上，防止在移动 过程中轴承转动或倾倒。在轴承到达测量工位时，轴向推力装置把轴承推送到测量芯轴 上并压紧轴承外圈，随后传感器测头压在轴承外圈上进行测振。在测量的同时，横拉气 缸退回原位，接送下一个轴承，从而实现轴承的连续测量。在测量结束后，由测量机构 上的两个出料气缸带动尼龙推力盘将轴承卸下并推送至横移机构的v 型块上。 根据产品的功能划分及厂家具体要求，测量机构中包括轴承入料、轴承出料、传感 器布置、双面检测、轴向加载和主轴驱动功能。因此必须有功能相对应的具体机构：入 料机构、出料机构、传感器布置调整机构、主轴驱动系统布置及轴向加载机构。下面对 各个机构结构及功能进行分析设计： 轴承入料机构 轴承送料机构功能类似于传统轴承推力装置，但只负责将被测轴承推送到轴承水平 移动机构上的v 型定位块上，其结构如图2 4 。推力圆盘材料尼龙板，与推力气缸采用 螺纹连接，便于推力盘的更换。 轴承振动自动检测仪的研制 1 ) 推力气缸2 ) 推力圆盘 图2 4 入料机构原理图 f i g2 4 t h es k e t c ho ff e e d i n gm e c h a n i s m 主轴驱动系统布置 由于轴承厂家要求轴承进行双面测量，考虑到国内目前传统的轴承振动检测仪一般 是单面测量而不具备此项功能1 3 0 , 3 1 】。本文创造性的设想是否能采用两套单面测量的主轴 测振系统来实现双面测量，实践证明该设计构想是可行的，其设计原理图如下图2 5 。 日 l 、 3 r 厂 u _ 卜 r - - - j 衙 毕犁 。1uf 一 j 、 二 广 1 一 1 ) 、2 ) 主轴测振系统3 ) 被测轴承 图2 5 双面测量方案原理图 f i g 2 5 t h es k e t c ho fd o u b l e - s i d e dm e a s u r e m e n te q u i p m e n t 传感器布