（机械电子工程专业论文）轴承内径在线检测系统的研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 轴承是机械行业中应用最广泛的机械零件，其精度的高低直接影响到整个设 备性能的好坏。而目前轴承行业多采用离线检测，存在着效率低、精度差、废品 率高的问题。针对这一现状，本文研究设计了一种轴承内径在线检测系统。该系 统可实时显示加工工件的直径与加工余量，并与数控磨床相连，完成对工件粗磨、 精磨、光磨以及磨削停止的控制，可大幅地提高轴承的加工精度及企业的生产效 率。 本文综合论述了研究轴承检测技术的意义、轴承检测技术的现状及目前国内 外的发展动态。在分析比较了各种常用测量方法的基础上，结合轴承磨削过程中 的特点和工作环境，确定了轴承内径在线检测系统的最佳测量方法及算法，设计 了轴承内径在线检测的测量机构并对其进行了误差分析。 本文设计的轴承内径在线检测系统是基于m c s - 5 1 系列单片机的机电检测系 统，它利用气动位移传感器采集工件内径的变化，由单片机系统c p u a t 8 9 c 5 1 对 采集到的数据进行处理，送8 2 7 9 键盘显示器进行显示，并可以响应键盘输入。硬 件简单，电路简洁，体积小，显示清晰，稳定性高。 软件系统的设计利用k e i lc 5 1 语言进行编程，采用模块化设计，各个功能模 块的实现以子程序的形式出现，主程序调用各模块，完成系统的功能。本软件系 统充分发挥k e i lc 5 1 的优势，很好地利用了它的结构性和模块化，编写的程序容 易理解和维护，有很好的移植性，算法清晰，程序简洁。 最后，将本系统应用于滚动轴承内径检测试验。在对大量实验数据进行分析 的基础上，验证了本系统的正确性和实用性。 关键词：轴承内径；在线检测：误差分析：单片机 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb e a r i n gi st h em o s te x t e n s i v em a c h i n ec o m p o n e n t si nt h em e c h a n i c a li n d u s t r y , t h el e v e lo fi t sp r e c i s i o ni n f l u e n c e sp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ee q u i p m e r i td i r e c t l y h o w e v e r , t h em e a s u r em e t h o do fb e a r i n gi so f f - l i n em o r ea tp r e s e n t ，a n dt h ep r o b l e mo f t h i si sl o we f f i c i e n c y , b a dp r e c i s i o n ，h i g hr e j e c t i o nr a t e t ot h i sc u r r e n ts i t u a t i o n , t h i s p a p e rh a ss t u d i e da n dd e s i g n e dt h eo n l i n ed e t e c t i o ns y s t e mo fi n t e m a ld i a m e t e ro f b e a r i n g t h i ss y s t e mc a l ls h o wt h ed i a m e t e ro fp r o c e s s i n gi nt i m ea n dp r o c e s st h e s u r p l u s ，a n dl i n kw i t hn u m e r i c a lc o n t r o lg r i n d i n gm a c h i n e ，f i n i s hr o u g h l yg r i n d ，f i n i s h e s g r i n dt ot h ew o r kp i e c e ，o n l yr u b sa n dr u b st h ec o n t r o lt h a ti sp a r e da n ds t o p p e d ， i m p r o v et h em a c h i n i n ga c c u r a c yo f t h eb e a r i n ga n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f e n t e r p r i s e s t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h em e a n i n g ，c u r r e n ts i t u a t i o na n dp r e s e n td o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n tt r e n d so ft h ed e t e c t i o nt e c h n i q u eo ft h eb e a r i n go fd e t e c t i o n o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n dc o m p a r i n gv a r i o u sk i n d so ft h a tm e a s u r e st h em e t h o d d a i l i l y , c o m b i n et h eb e a r i n ga n dr u ba n dp a r et h ec h a r a c t e r i s t i ci nt h ec o u r s ea n d w o r k i n ge n v i r o n m e n t ，h a v ec o n t i n u e dt h eb e s tm e a s u r e m e n tm e t h o da n da l g o r i t h mo f t h eo n l i n ed e t e c t i o ns y s t e mo fi n t e r n a ld i a m e t e ro ft h eb e a t i n g , h a v ed e s i g n e dt h e m e a s u r e m e n tm e c h a n i s mt h a tt h ei n t e r n a ld i a m e t e ro ft h eb e a r i n gm e a s u r e do n l i n ea n d c a r r i e do ne r r o ra n a l y s i st oi t t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h eo n - l i n em e a s u r i n gs y s t e mo fi n t e m a id i a m e t e ro f b e a r i n g i sa ne l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ，t h a tb a s e d o nm c s - 51 s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r , i tu s et h ep n e u m a t i cd i s p l a c e m e n ts e n s o rt og a t h e rw o r k p i e c ei n s i d e d i a m e t e rc h a n g e a t 8 9 c 51 ，c p uo fm i c r o c o m p u t e rs y s t e m ，h a n d l e sar e a s o nt o c o l l e c t i n gt h ed a t aa r r i v i n ga tb e i n gi np r o g r e s s ，g i v e s8 2 7 9k e y b o a r d d i s p l a y st h e k e y i nc a r r y i n go u td i s p l a y , a n db e i n ga b l et or e s p o n dt o t h eh a r d w a r eo ft h e m e a s u r i n gs y s t e mi sv e r yc o n c i s i o n ，t h ec i r c u i ti ss u c c i n c ta n dt h ep c bi ss m a l l t h e d i s p l a yo ft h i ss y s t e mi sd i s t i n c ta n dt h es t a b i l i t yi sv e r yh i g h t h ed e s i g no ft h es o f t w a r es y s t e mu t i l i z e sk e i lc 51 l a n g u a g et oc a r r yo n p r o g r a m m i n g ，a d o p tt h em o d u l et od e s i g n ，t h er e a l i z a t i o no fe a c hf u n c t i o nm o d u l e a p p e a r si nt h ef o r mo fs u b p r o g r a m ，t h em a i np r o g r a mi st r a n s f e r e de v e r ym o d u l e ，f i n i s h 沈阳理工大学硕士学位论文 t h es y s t e m a t i cf u n c t i o n t h i ss o f t w a r es y s t e mg i v e sf u l lp l a yt ot h ea d v a n t a g eo fk e i l c 51 ，h a v i n gw e l lu t i l i z e di t ss t r u c t u r a la n dm o d u l e ，t h ep r o c e d u r ew r i t t e ni se a s yt o u n d e r s t a n da n dm a i n t a i n ，t h e r ei sv e r yg o o dt r a n s p l a n t a t i o n ，t h ea l g o r i t h mi sc l e a r , t h e p r o c e d u r ei ss u c c i n c t f i n a l l y , h a v et e s t e dt h ei n t e r n a ld i a m e t e ro ft h er o l l i n gb e a r i n gu s i n gt h i ss y s t e m o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a , i th a se x a c t n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h i ss y s t e m k e y w o r d ：i n t e r n a ld i a m e t e ro ft h eb e a t i n g ；o n - l i n em e a s u r i n g ；e r r o ra n a l y s i s ； s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者。：o 蚌 日 期矽年乡月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将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、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：c 2 留牵 日 期：i 誓导教师签煮：二矽坠y 螺 日 期：训一 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 轴承是机械行业中广泛应用的一种重要部件，其质量好坏在一定程度上影响 整个机械系统的性能。轴承产品精度的高低与性能的好坏是靠仪器、设备来检测 和判断的。因此，轴承检测技术自身是否先进，将直接影响到轴承产品检测的准 确性和可靠性。随着轴承工业生产的日益发展和“十一五 市场前景预测，轴承 仪器制造业已显得跟不上形势的发展，因此开发高新仪器势在必行，开发轴承高 新检测仪器大有市场。 目前，我国轴承企业广泛应用了自动化程度比较高的加工机床，生产效率和 产品质量得到了很大的提高，然而，轴承的检测却处于半自动化与手工检测相结 合的静态测量阶段。静态测量是在加工过程完成后进行的，只能反映加工后已形 成的几何参数，不能反映在加工过程中参数的动态变化状况。传统的轴承检测方 法是在轴承工件被加工后送去计量室检测，若未达到尺寸要求，还要重新安装工 件进行加工，这样多次装夹，由于装夹误差和温度等原因造成的精度降低在所难 免，因此产品的合格率较低，并且大大降低了生产效率，增加了工人的工作量， 提高了生产成本。 由于轴承的离线检测，无法控制轴承的加工质量，因此影响加工质量和生产 效率。现代化生产要求自动控制生产流程、高质量和高效率，随着科学技术的发 展和生产的需要，在线检测技术为实现降低或消灭废次率的目标提供了技术保证。 我国的在线检测技术，虽然起步较晚，但是随着光机电算一体化仪器和装置 及光电技术、计算机技术的发展，在线检测技术已获得重大进展。采用微电子技 术装备及改造新、老机床设备是当今科学技术发展的趋势，是用新技术改造传统 工业的主攻方向，也是符合我国国情的一种方式。 随着国内轴承产品需求的不断加大，产品品种的不断增多，出口产品和高、 精、尖产品越来越多，因此要全面贯彻国际标准，要促使轴承工业高速发展，就 不能忽视轴承检测仪器的开发和改造。针对国内轴承检测仪的现状和实际要求， 1 沈阳理工大学硕士学位论文 一些精度高、测速快且又经济实惠的自动化在线检测仪应尽快研制出来，以满足 飞速发展的轴承工业生产的需求。 轴承在线自动检测具有以下的优点： 1 采用自动检测系统后，提高了产品的测量精度，提高产品的合格率，有效 地保证产品质量，并降低了成本。 2 可以实现加工过程中的自动测量，大大减少测量时间，同时也可以避免由 多次装夹所引起的误差。 3 可与自动化程度较高的生产线相结合，提高产品生产的自动化程度，使得 劳动生产率得以极大的提高，并大大降低操作人员的劳动强度。 1 2国内外研究的动态和趋势 由于在应用技术领域和国外存在的差距，以及行业内较多的企业对产品质量 和检测、控制方面认识不够，目前国内的轴承检测仪器和试验设备仍然采用手动 检测或半自动检测方式，与国外的同类先进企业存在着较大的差距。而国际轴承 检测仪器已向综合化、智能化的方向发展，进入了测量、加工、反馈、补偿、 统计一体化的时代。目前，国内外轴承检测的先进技术主要有： 1 、纳米测量技术 高速发展的技术经济对机械制造的要求越来越高，特别是计算机技术的飞速 进步有力地促进了机械科技的进步。目前机械加工业已突破了0 0 1 u m 的进给技术， 0 o l u m 圆度的加工技术和纳米级的粗糙度加工技术。纳米级的加工技术必然对产 品检测提出更高的要求，已有的仪器检测精度已经不能满足制造业对产品检测的 需求。产品精度的纵向延伸同时也将给国内的仪器制造业带来较大的冲击，从而 迫使轴承仪器的生产企业加大研发力度，紧紧跟踪世界先进技术，将测量技术也 提升到与纳米加工相适应的纳米测量。纳米级测量技术中最引人注目的是进行圆 度等微小形状的测量。 2 、网络仪器的开发应用 c a q n ( c o m p u t e ra u t oq u a l i t yn e t ) 是运用计算机技术、网络技术、精密检测 技术组建的崭新的质量自动化网络，是信息时代的质量管理与质量控制体系，能 够实现质量数据的自动采集和传递，实现网络化质量监督和管理，实现以预防为 主的统计过程控制( s p c ) 。网络轴承检测仪器是最新的数字网络系统和精密检测技 2 第1 苹绪论 术的有机结合，仪器可以对轴承的多参数进行测量、工艺能力分析、质量统计分 析，达到控制轴承产品质量的目的，完善企业的现代化质量管理。 洛阳轴承研究所和洛阳汇智测控技术有限公司在1 9 9 9 年研制开发了网络化轴 承多参数检测仪器及质量管理系统c a q n ，已经在轴承行业投入应用。轴承行业现 有的传统仪器可以通过改造由计算机对其进行管理，实现仪器的网络化功能。 一般c a q n 的体系结构分为三级：现场测量级、集中监控级、质量信息管理级。 它包括两层网络形式：基于智能化多参数测量仪、面向检测的r s 4 8 5 工业通信网 和基于客户机服务器、面向管理的计算机局域网。其主要由智能轴承多参数测量 仪、工作站( 监控计算机) 、管理站( 管理计算机) 、网络数据库服务器组成。 现场测量仪是智能化的高精度轴承多参数测量仪，完成轴承零件各种参数的 检测，建立临时数据库，存储测量结果，并能够以通信的方式将数据汇送到监控 计算机。工作站( 监控计算机) 定时读取各现场测量仪的测量结果，将数据传送到 数据库中，实时监控生产全过程的质量状况，实时分析质量变化原因。管理站( 管 理计算机) 通过数据库读取数据来实现实时监控、质量分析、数据查询、打印等， 实现质量信息电子化管理。服务器计算机与多台监控计算机和管理计算机相连， 控制数据库管理，负责存储数据、操纵数据并为用户检索数据。 3 、虚拟仪器与智能仪器 现代化技术的进步以计算机、信息技术的进步为代表，不断革新的计算机技 术从各个层面上影响着、引导着各行各业的技术革新。基于计算机技术的虚拟仪 器系统技术正以不可逆转的力量推动着测试技术的革命。虚拟仪器系统的概念不 仅推进了以仪器为基础的测试系统的改造，同时也影响了以数据采集为主的测试 系统的传统构造方式的进化。虚拟仪器系统的概念汇集了各种分散的测试领域， 并正在逐步取代传统的测试方法，成为一种标准的技术规范。 虚拟仪器技术的出现是计算机技术发展的结果，也是用户对仪器品种、功能、 精度、测试速度、实时性、友好性、复杂运算、可存储性等苛求的结果，是测试 技术领域的一大突破。 虚拟仪器因其无比的优越性迅速占领了市场，测试功能设计方面的可自由扩 充性、兼容性以及低廉的成本大大缩短了开发周期。从虚拟仪器概念的提出到产 品大量而快速的普及也仅仅是短短十几年时间，而测试功能的多样性、准确度却 3 沈阳理工大学硕士学位论文 达到了前所未有的程度，从而节约了大量的人力和物力去进行更深层次的研发。 虚拟仪器就是在通用计算机上加一组实现特定功能的软硬件，从而达到甚至 超过几台传统仪器应有的效果和功能，避免了传统仪器不能很好相互兼容的缺点。 智能轴承仪器属于虚拟仪器的范畴，是利用了传统计算机硬件固有的高速运 算和存储能力，以及能进行复杂运算的特征，并利用已有的高效的程序设计平台， 结合需要开发的特定领域，开发出一系列实现特定功能的软硬件和接口。这种特 定的软硬件系统联上传统的计算机软硬件平台，就可完成一套完善的智能测试仪 器。国内轴承行业已经开始涉足虚拟和智能测试领域。2 0 世纪9 0 年代初期，我国 成功开发出智能化圆度测量仪、沟曲率测量仪、旋转精度测量仪、智能轴承多参 数测量仪、摩擦力矩测量仪、数字振动测量仪、形状仪、轮廓仪、机外检测机、 模拟试验机等。 1 3 课题研究目标及系统总体方案 本课题来源于鞍山轴承厂，主要是针对直径为3 0 0 r a m 以上的g b 2 7 6 - - 8 2 型及 g b 2 7 7 8 2 型滚动轴承内、外圈内径磨削加工过程的在线检测。 1 3 1 课题研究的目标 课题目标在于：研究设计一种轴承内径在线检测仪，能对轴承内径进行在线 检测，将测量结果送给数控磨床来完成对工件加工过程的控制，以提高轴承加工 的精度和生产效率。通过键盘和显示器能实现良好的人机交互。通过测量仪面板 上的声光报警完成对轴承加工的监测。 1 3 2 系统总体方案 轴承内径在线检测系统由传感器测头、调理电路、单片机系统所组成，如图 1 1 所示。在图1 1 中，传感器拾取被测轴承直径变化的信号，用适当的调理电路 转换为电压信号，并经过放大、滤波等处理后送a d 转化成数字信号，单片机系 统负责对a d 送过来的数据进行处理、显示，并根据设定值发出粗磨、精磨、光 磨、磨削结束等控制信号来控制机床动作，同时要求能够响应键盘的输入。 1 4 课题研究的主要内容 1 、轴承内径在线检测技术测量方法的探讨及测量原理的确定 通过对各种检测方法的分析比较，确定了轴承内径在线检测的最佳测量方法， 4 第1 章绪论 ， - 一键盘 传e 习厂_单 感 ! 兰卜。 a dl 斗 穴 一显示 器 电路l转换i 机 一与n c 通信 图1 i 轴承内径在线检测系统原理图 并在此基础上确定了本系统的测量原理。 2 、轴承内径在线检测系统测量机构设计 根据确定的测量原理设计轴承内径在线检测的测量机构，以实现测头的准确 定位，保证工件的测量精度。 3 、误差分析 对测量方法与测量机构进行了误差分析。此为课题研究的重点之一。 4 、轴承内径在线检测仪硬件系统设计 轴承内径在线检测仪的硬件设计主要是以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心的数据采集 系统。通过传感器和a d 转换器将待测物理量送入a t 8 9 c 5 1 ，数据处理后送l e d 实 时显示，经串口将数据信息送入机床数控系统，实现对工件加工的控制。通过键 盘实现人机交互。 5 、轴承内径在线检测仪软件系统设计 轴承内径在线检测仪软件系统的设计采用了模块化设计思想，利用k e ilc x 5 1 语言进行了编程，给出了各模块的流程图及测量程序。采用了单片机仿真软件 u v i s i o n 2 对源程序进行了编译。 轴承内径在线检测仪的软硬件设计和调试是本课题的主要内容，无论是硬件 还是软件，反复调试是必不可少的。 5 一 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章轴承内径在线检测系统的测量原理 2 1测量方法的研究 测量方法是指完成测量任务所用的方法、量具或仪器，以及测量条件的总和。 基本的测量方法有：直接测量和间接测量，绝对测量和相对测量，接触测量和非 接触测量，单项测量和综合测量，手动测量和自动测量，工序测量和终结测量， 以及主动测量( 在线测量) 和被动测量( 离线测量) 等盯1 。 2 1 1 测量方法的分类 1 、根据被测量类型与要求，测量方法可分为直接测量与间接测量。 ( 1 ) 直接测量：从测量器具的读数装置上得到要测之量的整个数值或其相对 于标准量的偏差。 直接测量以可分为绝对测量与相对测量( 比较测量) 。若从读数装置上得到的 是要测之量的整个数值，则这种量法为绝对测量；若从读数装置上得到的仅仅是 要测之量相对于标准量的偏差值，则这种量法为相对测量。由于标准量是已知的， 因此要测之量的整个数值即为读数装置所指示的偏差值与标准量的代数和。 ( 2 ) 间接测量：测量有关量，并通过一定的数学关系式，求得要测之量的数 值。 2 、按零件上同时测得被测参数的多少，测量方法可分为综合测量与单项测量。 ( 1 ) 综合测量：同时测量零件几个相关参数的综合效应或综合参数。 ( 2 ) 单项测量：分别测量零件的各个参数。 3 、按被测工件表面与量仪之间是否有机械作用的测量力，测量方法可分为接 触测量与非接触测量。 ( 1 ) 接触测量：仪器的测量头与被测零件表面直接接触，并有机械作用的测 量力存在。接触形式有点接触( 如用球形测头测平面) ，线接触( 如用平面测头测 外圆柱体直径) 及面接触( 如用平面测头测平面) 。 ( 2 ) 非接触测量：仪器的测量头与被测零件之间没有机械作用的测量力。 接触测量对零件表面油污、切削液及微小振动不甚敏感。但由于有测量力， 6 第2 章轴承内径在线检测系统的测量原理 会引起零件表面、测量头和量仪传动系统的弹性变形，量头的磨损以及划伤零件 表面等问题。 4 、按技术测量在机械制造工艺过程中所起的作用，测量方法可分为被动测量 与主动测量。 ( 1 ) 被动测量：零件加工完成后进行的测量。此时测量结果主要用于发现并 剔出废品。 ( 2 ) 主动测量：零件加工过程中进行的测量。此时，直接用测量结果来控制 零件的加工过程，决定是否需要继续加工或调整机床，故能及时有效地防止废品 的产生。 2 1 。2 内径测量方法的研究 一、根据测量中使用的传感器不同，内径测量可分为： 1 、气动测量法 它的原理是把被测尺寸的变化转换为气室中压力的变化， 或管路中流速或流量的变化，多用于内径的检测，前提条件是加工质量要较高， 不会出现异常形状。 2 、超声波测量法利用超声波的穿透性，在直径方向设置两个换能器，超 声波会在工件的两个表面发生反射，测出时间差，再考虑波在不同材质中的传播 速度，利用关系式就可以计算出直径值，这种方法易受环境的影响，不适合在工 厂等现场使用。 3 、光学测量法包括激光光束扫描法、双频激光干涉测量法、c c d 成像法、 光栅测量法等。这也属于非接触测量的范畴，测量精度较高，测量速度快，是目 前比较流行的测量方法。 4 、电子式用电感、电容、电涡流等传感器进行工件内径的测量，多用于 间接测量，且受周围磁场电场的影响比较大。 二、根据测量原理的不同，内径测量可分为： 1 、三角法 三角法测量原理如图2 1 所示。 首先把测头置于孔内任一点d ，根据位移传感器来确定测头到孔径的距离d a ， 然后水平移动测头到m 、n 处，记录移动距离e 1 和e 1 ，同样确定m b 、n c 的长度， 根据e 1 、e 2 、d a 、m b 、n c 可求出d b 、d c 、b1 、1 32 ，公式如下： 7 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 1 三角法测量原理图 d b = , m b 2 + 彳 ( 2 1 ) d c = ( q + p 2 ) 2 + c 2 ( 2 2 ) p l = a r c t a n ( e l d a ) ( 2 3 ) p 2 = a r c t a n ( m b e 1 ) - a r c t a n n c ( e l + p 2 ) 】 ( 2 4 ) 所以圆内任意一点d 到圆上三点a 、b 、c 的距离d a 、d b 、d c 及其角度1 3 。、p ：、 p ，( p ，= 2 一3 , - p ：) 可知，由三角法便可求出该圆的内径d ，被测内径为： d ：兰兰兰羔：一 ( 2 5 ) 2 ( 葺置+ 曰l ；+ 置三，2 广弋l 1 4 + e + e ) 式中： 厶= 彳b = , z , a 2 + d 曰2 2 d 4 d 口c o s f l l 三2 = b c = d 曰2 + d c 2 2 d b d c c o s p 2 l 3 = a c = 删2 + d c 2 2 d a d c c o s p 3 2 、标记法 标记法的测量原理是用一个“小尺子 ( 尺长为1 0 0 m m ) 作为基准尺，对被测工 件进行在线的无接触测量，利用在工件上贴标记，通过间接测量、计算得到工件直 径。测量原理如图2 2 所示。 图中圆假设为被测工件的切面，a 、b 两点处为光纤探头。由图可见，a 7 b 点 与被测工件轴心0 点构成一等腰三角形，o c 与a 7 b7 垂直，鲋o c 构成一个直角 三角形，由图中几何关系可知： 8 第2 章轴承内径在线检测系统的测量原理 所以 图2 2 标记法测量原理图 a q 3 = a b = l a c ，：b c ，：一l 2 o a ，：o b ，：旦 2 l s 1 n o t = 一 d ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 式中l 为已知值，即基准尺的长度，d 为被测工件的直径，则被测工件直径为： d ：三 ( 2 1 0 ) s i n g t 在被测工件的被测表面任意处贴一标记( 黑色条状胶带) 。在加工现场测量时， 由于黑色标记对光的反射强度与工件加工面对光的反射强度有很大的差距，通过 a 、b 两处的光纤传感器探头就可以测出标记是否从探头处通过。通过a 、b 两处的 光纤传感器和计数电路，就可以测出标记由a7 转到b7 所用的时间t 。和由a7 转 回到a7 所用的时间t 从。在车床转速均匀的条件下，标记运动所用的时间与通过的 角度成正比。所以可以得到： 丝：堑 ( 2 1 1 ) 一= 一 i 一i - j 2 7 c 乙 故 弘净(2-12)1 0 【2 。兀 j 9 沈阳理工大学硕士学位论文 所以，被测工件的内径为： 肚毒 防1 3 ) s i n 【7 c 】 从测量原理可以看出，采用这种测量方法对工件内径进行测量时，需要停车 单点式比较测量法的测量原理如图2 3 所示： 图2 3 轴承内径在线检测测量原理图 图中：d 标一一测量时用于标定的标准件的内径 d 测被测件的内径 厶传感器与标准件间的距离 厶传感器与被测件间的距离 标准件与被测件在直径方向上偏差 从图2 3 中可得出如下关系： 2 厶一2 ( 2 1 4 ) 2d 标一2 = d 标一2 ( 厶一厶) ( 2 一1 5 ) 2 2 轴承内径在线检测系统测量方法的确定 本系统研究的是轴承内径的在线检测，属于主动测量。由于接触测量时测头 与工件之间需要有一定的预压力，增加了机构的复杂程度，同时测量头的磨损增 大了测量误差，且容易划伤零件表面，为保证测量精度及零件内表面的表面质量， 1 0 第2 章轴承内径在线检测系统的测量原理 本系统采用了非接触测量，对被测量采用直接测量，测其相对于标准量的偏差。 本系统研究的主要是针对轴承内径在磨削加工时的在线检测。轴承零件在磨 削加工中，工件内径表面充满了冷却液及磨屑，不利于光学测量与电子式测量； 而工件进行磨削加工之前，一般都进行了精车或半精车加工，工件内表面的加工 质量较好，出现异常形状的工件较少，这非常适合于气动测量法，因此选用气动 测量法作为轴承内径在线检测的测量方法。 内径的在线检测，由于测量空间有限，不适合多点测量，因此本系统选用单 点式比较测量法对轴承内径进行在线检测。 式( 2 - 1 5 ) 即为本系统的数学模型。测量时先用耐磨、温度变化小的型材制 成的标准件置于测试平台，调整传感器进入其线性量程内，锁定传感器，测出厶。 将被测工件装上后，测出厶，进而求得工件在此位置上( 方向上) 相对于标准件 的变动量，则被测工件的直径为标准件直径与变动量的差值。 2 3 轴承内径在线检测系统精度的确定 对于测量仪器，首要的是精度( 不确定度) 。仪器精度的确定应该根据实际中 被测对象的精度要求来确定，一般可按零件公差来选择乜。3 1 。 当已知零件公差万时，可根据公差万和精度因数k 算出测量仪器的极限误差 a l c h l 。- - k s ( 2 1 6 ) 式中艿一工件公差( 朋) k 一精度因数 。一测量仪器的极限误差( o n ) 精度因数k 是选用的计量器具测量极限误差与被测工件公差之比，是个经验 值，一般取1 3 1 1 0 ，对高精度工件，k 取1 3 ，对低精度工件，k 取1 1 0 ，一般 工件k 取1 5 1 4 ，特高精度工件k 取1 2 。常用测量精度因数k 值与工件精度等 级间的关系如表2 1 所示。 轴承是一种高精度工件，因此轴承内径在线检测系统的精度因数k 取1 3 ，本 系统所检测的工件尺寸为：3 0 0 5 0 0 m m ，公差为1 0 朋。因此测量仪器的极限误差 为： 沈阳理工大学硕士学位论文 表2 1 测量精度因数k 值 工件 轴 i t 5i t 6i t 7 8r r 9i t l oi t l li t l 2 1 3i t l 4 新 精度孔 i t 6i t 7 i t 8r r 9r r l ol t l li t l 2 1 3i t l 4 等级 旧12345678 k0 3 2 50 30 2 7 50 2 50 2 00 1 5 o 1 a i , = k d r 2 1 0 x1 3 = 3 3 3 z m ( 2 1 7 ) 综上所述，本系统所设计的轴承内径在线检测仪的精度确定为3 l a n 。 2 4 气动位移传感器的工作原理 根据测量方法选择气动式位移传感器，常用气动传感器有气压计式，带环状 敏感元件的气压计式，同轴射流气压计式，流阻式位移传感器，气阻气桥式以及 差动式位移传感器。差动式气动位移传感器吸取了其它各种气动传感器的长处， 精度和灵敏度都有了很大的提高，是现在精密测量中常用的传感器。本系统所选 用的就是这种差动式气动位移传感器。其结构原理图如图2 4 所示： 副节流孔参考气室 主节流孔 工作室敏感元件喷嘴 图2 4 差动式气动位移传感器结构原理图 它由主气路和参考气路两部分组成。主气路包括主节流孔、工作气室和喷嘴， 它的作用是形成背压和给喷嘴提供气源形成射源。参考气路包括副节流孔、参考 气室和泄流孔，它的作用是给气桥提供平衡条件，提高抗共模干扰能力和灵敏度。 在主气室和参考气室之间安装了一个压力敏感元件一硅杯，硅杯产生的应变与气 桥差压成正比。用硅杯来测量工作气室与参考气室的压差，泄流孔的压力及参考 气室的压力是固定的，这样硅杯感受的压力仅随x 的变化而变化，其关系，把气 体当作不可压缩的理想气体及x d 。 0 3 2 范围时，满足下式： 第2 章轴承内径在线检测系统的测量原理 ! ：一! 堑壁二垡一一 ( 2 1 8 ) 一= = 一 厶 只1 + 1 6 1 1 + ( d 。d o ) 4 ( x d 。) 2 式中：d 。节流孔直径，( r n m ) d 。一喷嘴直径，( 删) 只稳压气源压力，( p 。) p 工作气室压力，( p o ) 其特性曲线如图2 5 所示： 0 x 厂正 图2 5 差动气动位移传感器特性曲线 从图中看出，d 。a 。愈大，p 值变化增大，灵敏度愈高，则其线性范围愈小， 反之d 。a 。越小，灵敏度也小，线性范围增大，一般取d 。a 。= 1 5 - 3 5 ，综合指标 较好。 1 3 ；克剐理】：人学硕l 学位论文 第3 章轴承内径在线检测测量机构设计与误差分析 31 轴承内径在线检测测量机构的设计 轴承内径在线检测测挝机构是指将测量仪台理的都咒在磨床上，以实现测头 的准确定仲，保证工件的测量精度，完成自动检测的机构。 311 轴承内径在线检测测量机构的工作原理 根槲第2 章已经确定的测量方法和数学模型，设计了如图3l 、32 和33 所 4 i 的测量机构： 圈32 测最机构结构局部艘_ 凡黼 第3 章轴承内径在线检测测量机构设计与误差分析 图3 3 测量机构局部放大图i i 1 - - - - 气缸 2 一限位开关3 下导轨4 一测量滑块5 一手柄6 一限位开关 一7 一工件8 一测量头9 测量臂 1 0 一上导轨l l 控制箱 为了提高整个加工、测试过程中的自动化水平，提高测量的定位精度，选用 气动式定心夹盘。测量时，首先将标准件装于定心夹盘上，通过气缸l 和手柄5 调整测量装置使测量头进入线性量程内，锁紧测量臂9 。然后对测量系统进行标定， 标定完成后，由气缸l 将测量滑块4 拉到原位，取下标准件，将待测件安装于定 心夹盘，按下仪表盘上的自动测量按钮，系统进入自动测量。自动测量过程中， 气缸1 推动测量滑块4 沿着燕尾导轨3 向前运动，当与测量头安装在一起的限位 开关6 进入轴承内表面的时，气缸l 停止运动，测量头开始工作，对系统进行测 量。测量结束后，气缸1 拉动测量滑块到限位开关2 处时停止。 在整个测量过程中，为提高测量头的运动平稳性，以减少动态误差，提高测 量精度，测量臂沿着三角形与平行导轨相结合的复合导轨进行运动，而测量滑块 采用的是燕尾形的直线导轨。 3 1 2 测量机构气动回路的设计与分析 轴承内径在线检测测量机构的气动原理如图3 4 所示。气源经单向阀1 流入贮 气罐，与溢流阀5 配合可以为气动回路提供稳定、可靠的初始气压。一次过滤器6 可对气源进行过滤处理，为系统提供干燥清洁的空气。通过调节减压阀7 可为整 1 5 沈阳理工大学硕士学位论文 1 6 1 4 图3 4 测量机构气动回路原理图 1 - - - 气源 2 、9 、1 3 、1 7 一单向阀3 、8 、1 1 、2 0 一压力表4 贮气罐5 一溢流阀 6 一次过滤器7 、l o 、1 9 减压阀 1 卜油雾器1 4 一三位五通电磁阀1 5 一调速阀 1 6 气缸 lg 一= 次过滤器 2 l 气动位移传感器 个气动系统分配一个合适的系统压力。气流经压力表8 后分为两条气动支路，一 条用来控制气缸的往复运动，一条输出给气动位移传感器，为了防止支路间的相 互干扰，在每条支路里面加了一个单向阀，即图中的9 和1 7 。 在气缸控制回路里，气流经减压阀1 0 进行二次调压后，流向一个三位五通电 磁阀，通过对电磁阀1 4 的控制实现气缸的进给和返回。调速阀1 5 可以调节气缸 运动的速度，从而使测量机构得到一个平稳的运动速度。油雾器1 2 可使润滑油雾 化后，随空气进入需要润滑的部件，达到润滑的目的。 气动位移传感器对气源的要求比较高，因此，在回路中增加了一个二次过滤 器。通过对减压阀1 9 的调节来控制气动位移传感器的输入气压值。 3 2 轴承内径在线检测系统的误差分析 轴承内径在线检测系统的误差主要有测量装置误差、测量方法误差、环境误 差和电路误差等。其中，测量装置误差是本系统最主要的误差。 测量装置误差主要是包括安装测量机构时产生的定位误差、测量过程中测量 臂不稳定引起的误差等。 1 6 第3 章轴承内径在线检测测量机构设计与误差分析 3 2 1 安装测量机构时产生的误差 如图3 5 所示，安装测量机构时产生的误差主要是指安装测量机构时测量臂9 上的测量头8 ( 传感器) 不能与气动卡盘的轴心线在同一个高度，使测量头在进行 标定和测量时不能瞄准直径而产生的误差。 图3 5 对这种定位误差进行了分析。 l 1 图3 5 安装测量机构时产生的定位误差分析 图中： 厶理想位置传感器与标准件间的距离 厶理想位置传感器与被测件间的距离 理想位置标准件与被测件在直径方向上的偏差 6 测量头对圆心的偏移量 厶偏移后传感器与标准件间的距离 厶偏移后传感器与被测件间的距离 s 偏移后标准件与被测件在测量方向上的偏差 尺标准件半径 ，被测件半径 a 测量头与圆心间的水平距离 d 标测量时用于标定的标准件的内径 一1 7 沈阳理工大学硕士学位论文 偏移后被测件直径 a d i 安装机构时测量臂不能对准直径产生的误差 由图3 5 中的几何关系可知： z li = 小_ - i 一伍。 = 尺l l - 鲁) j 一口 ( 1 一鲁) j 的泰勒展开式为： ( 一詈) j 1 = 二三( 簧) 一言( 鲁) 2 + 由于要 3 0 5 0 8 0 l o o 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 5 0 名称 3 0- 5 08 0一1 0 01 2 0一1 5 01 8 02 5 03 1 5 初磨 0 1 20 1 40 1 80 2 20 2 50 3 0o 3 50 4 5 o 3 5 内圆 - 4 ) 1 4 - - 0 1 8旬2 2 旬2 5 - 4 ) 3 0- 4 ) 3 5棚4 5旬5 终磨 o 0 60 0 70 0 8 0 0 8 旬1 00 1 0 - - 0 1 5o 1 5 旬2 0 内圆 本系统所检测的轴承内径是3 0 0 5 0 0 m m ，由表3 1 可知，加工余量为0 5 m m 左右，根据式3 8 计算此测量误差如表3 2 所示。 由式3 8 及表3 2 中的计算误差可知，所测的轴径越大，产生的误差越小， 因此主要观察内径为3 0 0 r a m 的误差即可，如果它符合系统误差要求，则在整个测 量范围内都符合系统要求。 1 9 沈阳理工大学硕士学位论文 表3 2 安装机构时测量臂不能对准直径产生的误差计算 标定件实测件 6 a d , ( 咖) r ( 唧) d 测( 咖) 厂( r a m ) ( m m )( m ) 0 5 0 0 0 5 6 10 0 2 2 3 3 0 01 5 02 9 91 4 9 5 1 5- 0 0 5 0 2 20 0 8 9 2 o 50 0 0 4 1 1- 0 0 1 6 4 3 5 0 1 7 5 3 4