（机械电子工程专业论文）轴承沟道自动检测系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前，研制一种能够在工厂普遍使用的高精度自动化轴承沟道检测设备，是我国轴 承沟道检测领域急需解决的问题。滚动轴承是机械行业最常见的通用部件之一，9 0 以 上的回转机械都要用到滚动轴承。较普通轴承而言，四点接触球轴承以其可承受径向负 荷和任何一方向的轴向负荷或轴、径向联合负荷，承载能力强的特点在工业生产中得到 了广泛地应用。我国对这种轴承的检测手段还很落后，检测手段的发展不能适应设计加 工手段的发展速度，而国外的相关检测仪器往往价格昂贵，所以开发高效、高精度、低 成本的自动化轴承参数检测仪器，正是符合生产实际的需要。 本文在对目前的曲面测量方法以及轴承沟道检测方法进行全面了解的基础上，以实 现检测过程自动化和提高轴承沟道的检测精度为目标，提出一套高精度低成本的自动化 轴承沟道检测方案：以轴承外圈几何中心为极点建立极坐标系，用步进电动机通过同步 齿形带传动，带动与主轴同轴的工件转动，用光栅位移传感器和光电角度编码器分别采 集线位移和角位移，用单片机对数据进行处理，作出拟合曲线并输出参数值，从而检测 出四点接触球轴承双弧半径r 和中心距e 。 本系统把现代传感技术与单片机技术结合起来，通过对仪器的各个关键部件及系统 的精度进行了详细的分析，从理论分析的角度证明了系统切实可行，并将本系统测量试 件的结果与三坐标测量机的测量结果进行对比，从实践角度证明本系统的实用性和可靠 性。 关键词：轴承；检测；传感器；精度 轴承沟道自动检测系统研究 r e s e a r c ho ft h ea u t o m a t i c t e s ts y s t e mo nb e a r i n gg r o o v e s a b s t r a c t t o d a y , t h ed e v e l o p m e n to f t e s t i n gb e a r i n gg r o o v ei su r g e n ts o l v e dp r o b l e mi no u rc o l m t r y , a n dt h e r ei ss om e m o dt oc h e e kt h eg r o o v eo ff o u r - p o i n tt o u c h i n gb e a r i n g s b a l lb e a r i n g sa r e t h eg e n e r , d - p u r p o s ep a r t s w h i c ha 偿m o s tf r e q u e n t l yu s e di nt h em c i h a n i c a le n g i n e c r i n g b a l l b e a r i n g sa r ef o u n da p p l i c a t i o n si na b o u t9 0p e r c e n tr o t a t i n gm e c h a n i s m c o m p a r i n gw i t h c o m m o nb a l lb e a r i n g s ，t h ef o u r - p o i n tt o u c h i n gb e a r i n gh a st h ec a p a b i l i t i e so fb e a r i n ga x i a l l o a do rc o m p o u n dl o a do fa n yd i r e c t i o n , w h i c ha l ef o u n dw i d ea p p l i c a t i o n si ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n 皿es a m ef a c i l i t i e sm a d ei no t h e rp o l l t l t l i e sa r ev e r ye x p e n s i v ea n dm o s to ft h e f a c t o r i e si no u rc o u n t r yc a nn o tb e a rt h e m s ow em u s tm a k eah i g h l ya c c u r a t ea n d i n e x p e n s i v ei n s t r u m e n tf o rt e s t i n gb e a r i n gg r o o v e s f o ra c h i e v i n gb e a r i n p m e a s u d n ga u t o m a t i o na n de n h a n c i n gm e a s u r i n gp r e c i s i o no f b e a r i n g g r o o v e s ，t h i sp a p e ra n a l y z e sc u r v e ds u r f a c e st e s t i n gt e c h n o l o g ya n db e a r i n gg r o o v e sm e t h o d ， p u t sf o r w a r dah i g i l l ya c c u r a t ea n di n e x p e n s i v eb e a r i n gg r o o v e sm e a s u r i n gm e t h o d ，w h i c hi s b yp u t t i n gg e o m e t r y c e n t e ro fb e a r i n go u t s i d el a n e 嬲p o l e , w i t i l s y n c h r o n o u sb e l t t r a n s m i s s i o nu s i n gt h es t e p p i n gm o t o r 幻r o t a t ew o r k p i e c ew h i c hi sc o f l c c n 硒cw i t ht h e p r i n c i p l es h a l lu s i n gg r a t i n gs e n s o ra n dp h o t oa n l , m l a re n c o d e rt op i c ku pt h el i n e a ra n d a n g u l a rd i s p l a c e m e n t 1 1 1 ec o m p u t e rp r o c e s s e sd a t ad r a w st h ef i t t i n gc b r v e , o u t p u t st h e p a r a m e t e ri n c l u d i n gt h er a d i u so ft w oa r c ( r ) a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt w oc e n t e r s ( e ) o f f o u r - p o i n tt o u c h i n gb e a r i n g t h es y s t e mc o m b i n e st h et e c h n o l o g yo fm o d e ms e n s o rw i t hc o m p u t e r t h r o u g ha c c u r a c y a n a l y s i s o ft h ek e yp a r ta n dc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n tw i t hc o m p u t e r i z e dm a i n t e n a n c e m a n a g e m e n ts y s t e m ( c m m s ) ，i ti sp r o v e dt h a tt h et e s t i n gr e s u l to ft h es y s t e mi st r u ea n d t e l i a b l e k e y w o r d s ：b e a r i n g ；s e n s o r ；t e s t ；a c c u r a c y 一 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 作者签名：壶l 玄么日期：竺2 ：五。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：盘 导师签名 且m j _ 月f h 大连理工大学硕士学位论文 1 概述 1 1 检测技术的历史与发展 人类在自身的社会发展中创造并发展了检测技术，随着测量工具、技术和理论的 发展，不断提高产品质量，反过来又促进了生产和科技的发展。检测技术主要经历了 以下几个发展阶段： ( 1 ) 人工测试( p e r s o n a lt e s t ) 由人用测量工具、测量仪器所完成的测试。人的动作器官、感觉器官、思维器官参 与了测试过程。由于人的主观能动性，人工测试具有较好的灵活性和适应性，且物质 投资小。但由于人的生理限制和主观影响，使测试的质量和经济性受到了一定的限制， 尤其不适于高速度、高精度的测试要求。 ( 2 ) 自动测试( a u t o m a t i ct e s t ) 人的动作器官和感觉器官被测量装置所取代而进行的测试。在自动调节装置或程序 控制装置的控制下，由传感器将被测量转换为电量，并进行自动显示和记录。自动测 试提高了测试的准确性、可靠性和效率。自动测试装置中的硬逻辑只能作较简单的运 算，通用性也较差，适用于大量重复性的测试工作。 ( 3 ) 计算机辅助测试( c o m p u t e ra i d e dt e s t ，简称ca t ) 用计算机及其外部设备取代人的动作、感觉功能和思维功能所进行的测试。把计算 机应用于测试与控制领域的水平已成为衡量一个国家工业现代化水平高低的重要标 志。在当今测试仪器设备市场上，几乎任何一种先进的设备都配备有计算机以实现测 试的数据化、图形化和自动化。cat 技术之所以得到工程界的关注，主要由于它有 以下几个特点： 可以实现数据自动获取； 适于进行高精度测试； 易于实现测试结果的存贮与再现； 易于实现曲线的自动绘制及测试过程的自动控制【l l 。 cat 是机电一体化技术的产物。由于采用电子技术实现自动检测和控制补偿，校 正因各种干扰因素造成的动态误差，从而达到单纯机械设备所不能实现的工作精度。 如采用微型计算机分离技术的电子化圆度仪，其测量精度可由原来的0 0 2 5 p r o 提高到 0 0 1 p r o 。这是在机械电子技术深度结合的现代工业基础上，综合运用机械技术、传感 轴承沟道自动检测系统研究 测试技术、电力电子技术、自动控制技术、信息技术、接口技术、信号变换技术以及 软件编程技术等群体技术的高技术的产物。 1 2 现代曲面测量方法简述 曲面测量在现代几何量检测是一项最引人注目、最具有挑战性的研究课题。目前， 曲面测量主要有以下几种方法： ( 1 ) 三坐标机测量法( t h r e ec o o r d i n a t em e a s u r e m e n tm e t h o d ) 测头机架分别沿x ，y ，z 三个坐标方向依次移动，用触头接触被测表面来测定一个 点的三维坐标，一次测量即可测出曲面上一系列点的三维坐标。非接触式的坐标测量 机是以c c d 摄像机加上计算机数控系统，将三坐标测量机进行改进，即加上可带动被测 体旋转的装置，可得到新一代测量中心。三坐标测量机和测量中心是测量仪器发展的 主流。这种仪器的缺点是测量速度慢，不能测量比仪器本身大的曲面。 ( 2 ) 摄影测量法( p h o t o g r a p h ym e a s u r e m e n tm e t h o d ) 这种方法首先拍摄像片，以测得被测物体外形数据，然后对像片进行处理。其优点 是测量范围很大，但测量程序复杂，测量精度差。 ( 3 ) 电子经纬仪交绘测量法( e l e c t r i ct h e o d o l i t em e a s u r e m e n tm e t h o d ) 当两台电子经纬仪同时对作有标记的被测点瞄准时，若已知两台经纬仪的中心距， 根据经纬仪测得的水平角度和竖直角度，即可求出空间点p 相对于系统坐标系的三维 坐标值。这种方法的缺点是测速慢，必须逐点瞄准，工作量大。当被测件很多时，测 量相当困难。它的优点是可以测量很大的工件嘲。 ( 4 ) 光栅测量法( o p t i c a lg r a t i n gm e a s u r e m e n tm e t h o d ) 当光源经过透镜，光栅投射到水平面上，得到平行直线条纹；若投射到曲面上，能 得到曲线条纹。条纹越弯，条纹曲率越大。通过变形光栅像，根据三维重建原理，可 以求该点在物理空间的三维坐标值。这种方法测量速度快，但精度不高。 ( 5 ) 激光干涉法( l a s e ri n t e r f e r e n c em e t h o d ) 这种方法利用全息干涉法获取测量信息。其测量精度高，但测量范围小，不适合测 量凸凹变化大的复杂曲面。 ( 6 ) 激光衍射法( l a s e rd i f f r a c tm e t h o d ) 用激光对零件表面进行照射，在与物体成一定距离的平面上，由衍射所决定的光强 分布与描述物体表面光强分布的二维傅立叶函数相对应，通过对衍射图纹的分析，可 确定被测零件的表面形状和尺寸。这种方法可靠性好，但不适用于表面起伏大的被测 物。 大连理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 激光三角测量法( l a s e rt r i a n g l em e a s u r e m e n t t e t h o d ) 激光照射到曲面的被测点上，根据三角测量原理，利用光电二极管阵列接收漫射光 成像点，从而可以计算出被测点的三维坐标。这种方法的优点是制成的仪器小巧，计 算机控制测量系统并处理数据，速度快，精度高，尤其适用于非接触测量。 ( 8 ) 工业计算机断层扫描( i n d u s t r i a lc o m p u t e rt o m o g r a p h ) 利用计算机对强穿透能力的射线进行控制来扫描物体断层。是最先进的非接触式检 测物体内部形状，尤其是内部构造的方法。但它存在空间分辨率低，获取数据时间长， 重建图像计算量大的不足o ，。 综上所述，曲面测量的发展趋势是把现代光电技术、传感技术与计算机技术相结合， 以便实现全自动自适应快速测量。本文所研究的课题轴承曲面轮廓精密自动检测 系统来说，主要检测四点接触球轴承外圈内滚道的双弧半径及中心距，通过扩展软件 功能，可以测量其它类型的外圈内滚道的几何尺寸。由于测量的是内表面，沟道形状 比较复杂，且测量面较小，选取用非接触测量，系统结构比较复杂，且难以实现较高 的测量精度。因此，选用接触式测量方法。而如何确定仪器的机械结构，设计功能强 大的软件，以实现对轴承曲面轮廓的测量，是研究的主要问题。 1 3 轴承曲亟轮廓检测的发展现状及存在的问题 轴承是机械行业重要的基础件之一，广泛应用于机床、汽车以及各种机械设备中。 轴承产品性能的优劣，直接对以其为基础件的机械设备产生重要的影响。而轴承内外 圈滚道的加工质量是影响轴承装配质量的重要因素之一。经计算，一般情况下，滚道 直径每改变误差0 0 1 蛳，对装配影响增加0 0 2 p r o 。 从轴承曲面轮廓检测方面来看，现在工厂普遍使用的是涂色刮板法，这仍属于检测 的初级阶段。这种检测方法存在着较大缺陷：一方面，这种方法的测理误差大、重复 性差、工作效率低；另一方面，对于某些检测项目，如轴承沟道曲率半径，线轮廓度 误差，三、四点接触式球轴承双弧沟道的中心距等，无法作定量分析。 当前，轴承检测早已引起了许多研究单位及轴承生产厂家的重视，他们纷纷开发自 己的产品，如哈尔滨轴承研究所研制的四点接触球轴承不等沟曲率半径偏沟位置测量 仪“1 、长治轴承厂在卧式测长仪上安装专用测头测量圆锥滚子轴承外圈滚道直径、湖北 宜都中南光学仪器厂嘲、重庆市国营双溪机械厂嘲、山东烟台轴承仪器厂等单位研制的 仪器也有报道。这些仪器在一定程度上提高了测试的准确性和可靠性，但由于采用传 感器和微机技术方面不够完善通用性差，运算能力有限。如哈尔滨量具刃具厂生产的 2 2 2 3 型轴承沟道表面粗糙度测量仪，由于硬件不够完善以及软件功能还需进一步开发， - 3 一 轴承沟道自动检测系统研究 测量精度较低，只能达到0 0 3 m m 。另外，从对哈尔滨、洛阳、瓦房店三大国内主要轴 承生产厂家及白山轴承厂等中小型轴承厂的调研和查阅文献的情况看，国内对于将c a t 技术与传感器技术相结合，运用于轴承检测行业，尚处于初级阶段。 国外对轴承的测量采取了一些比较先进的技术。英国t a l y l a rh o b s o n 公司生产的 t a l y s u r fs u r f a c em e a s u r i n gs y s t e m ，并带r o t a r y - t a l y s u r f ，可用于测量沟道型面 和曲率半径。美国生产的c h e f f i e l d 电子曲率仪能够自动摆动，用于测量沟道型面”1 。 日本东京精密公司生产的s u r f c o m 7 9 0 a 型表面粗糙度和轮廓度测量机，它集 s u r f c o m 5 9 0 a 的粗糙度测量功能和c o m t o u r e c o r d6 0 0 c 的轮廓度测量功能于一体，可 以在大型液晶显示屏上快速显示参数值、粗糙度曲线和轮廓度曲线，并可将数据与测 量条件，演示程序存储于记忆磁卡上，以便重复测试和进行再分析。但进口检测仪器 价格在2 0 0 万元人民币以上，难以在国内轴承生产企业大面积引进。 由此可见，轴承检测技术在国内的发展水平亟待提高，即使在国际上也存在着技术 不断更新的过程。当前的任务是在国内外已有的科研成果的基础上，结合最先进的传 感技术和计算机技术，开发适合我国轴承行业发展需要的轴承自动化检测设备，以满 足需要。 1 4 本论文主要研究内容 本文在分析了国内外轴承检测工作的现状和存在问题的基础上，对四点接触球轴承 外圈内滚道的检测问题进行了深入研究，提出了一套基于单片机测控技术与光电编码 技术的精密自动化检测方案：以步迸电机为驱动设备，以光栅传感器、光电角度编码 等为输入设备，用计算机对检测过程进行控制并对数据进行处理，从而检测出四点接 触式球轴承外圈双弧内沟道的圆弧半径r 及中心距e ，以及其它类型球轴承的内滚道圆 弧半径r 等质量参数。 本文所要完成的工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 在相关文献检索的基础上，对各种曲面测量技术进行了较为深入细致的剖析； ( 2 ) 在阅读文献和实地调研的基础上，对国内外轴承检测技术的现状作了较为全面 的了解，找出了国内外发展的差距，明确了本课题目前急需解决的技术难题； ( 3 ) 研究光栅线位移传感器和光电角度编码器的原理和输出特性，重点对光电脉冲 细分技术进行了实用研究； ( 4 ) 研制硬件控制系统，编制数据采集及处理、曲线拟合等软件，如实再现沟道形 状与拟合曲线，检测出双弧曲率半径及中心距： - - 4 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 对主轴步进电机驱动系统采用同步齿形带实现机械化微步控制并辅以脉冲细 分微步控制； ( 6 ) 完成检测系统的整机调试，实现对轴承外圈沟道几何尺寸的全自动检测( 除安 装工件需人工介入外) ； ( 7 ) 对系统进行了精度分析，对检测系统误差作出整体评估。 轴承沟道自动检测系统研究 2 轴承曲面轮廓检测系统的工作原理 2 1 检测系统数学模型的建立 本课题主要研究如何检测四点接触球轴承外圈内滚道的几何参数，即圆弧半径r 和 中心距e 。四点接触球轴承的外圈结构如图2 1 所示，内滚道为两个相交圆弧，圆弧半 径为r ，中心距为e 。由于加工误差的存在，工件的轮廓面不一定是两个理想的相交圆 弧，图2 2 所示为实际情况的夸张示意图。由于无法准确地找到圆心，直接测出半径， 而只能以某点为基准点，测出它到轮廓面各点的坐标值，然后根据拟合理论，作出 拟合圆，从而计算出两弧圆心坐标、半径和圆心距。因此，需要建立描述沟道截面曲 线形状的数学模型。 ，了巾v r 7 9 2 苗。 厂一 笏凇 f 4墅 l i i 星癸 bc 奄萋 。量 0 鸯j0 蛇 1 。_ 一- j 狲 钐i r 形 图2 1 四点接触球轴承外圈结构图 f i g2 1 s t r u c ：t u r eo f f o u r - p o i mc o n t a c tb a l lb e a r i n g 建立数学模型的前提是建立坐标系。建立坐标系有两种形式： ( 1 ) 直角坐标系 以轴承几何中心b 点为坐标原点，按图2 2 的( 1 ) 方向建立直角坐标系，点m 、n 为型面上任意两点。要测出m 、n 点坐标，系统应该在x 、y 方向分别装有一个线位移 传感器，在x 方向装有一台步进电动机，电动机按一定的步距角转动，通过传动机构， 大连理工大学硕士学位论文 使探头在x 方向前进。每前进一步，测出x 、y 方向的位移。选用白山轴承厂生产的 3 g 1 7 6 3 0 7 h 四点接触球轴承为例作一分析( 如图2 1 所示) 。 1 ) x 2 、 c ( 1 ) o ( 2 ) 图2 2 工件实际加工表面轮廓图 f i g2 , 2 t h em a c h i n i n gs u r f a c ep r o f i l eo f b e a r i n g 以a 为原点，o 。o 。为x 轴，a k 为y 轴建立直角坐标系。设m = e 2 ( e 为圆心距) ， 以o 。为圆心，弧k k ，所在圆方程为 g + 脚) 2 + y 2 = r 2 ( r 为圆弧半径) ( 2 1 ) k 点坐标为( 0 ，y ) ，代入( 2 1 ) 式得 r ：- 彳k = 、r o m 2 = 7 9 4 7 7 m m 彳d = r d c t g o = 0 2 7 1 3 r a m 0 d = m s i n 口= 0 3 3 1 3 r a m d f = r d l d = 7 6 1 7 8 m m d e = d f c o s 0 = 6 2 4 0 9 m m 世目= 4 k a d d 匠= 1 4 3 5 5 m m b k = b e + k e = 3 6 3 6 0 5 m m c k = 3 2 5 l m m 所以，y 方向最大位移为b k c k i - 3 8 5 0 5 m m 4 k = b e d e 一彳d = 2 8 4 1 2 8 m m 爿g = c k 一一b = 4 0 9 7 2 州m 直线g k ，所在方程为y = l 。与圆弧k k 。相交于k 。解得 一7 一 轴承沟道自动检测系统研究 k i g = 6 7 7 7 9 m m 所以x 方向最大位移为6 7 7 7 9 m m 即对于3 g1 7 6 3 0 7 h 四点接触球轴承来说，线位移传感器在x 、y 方向最大位移分别 为6 7 7 7 9 m m 和3 8 5 0 5 m m 。 2 ) 极坐标系 以外圆的几何中心b 为极点，以中线b c 为极轴建立极坐标系。要测出m 、n 点坐标， 系统需要安装一台步进电动机带动工件以b 点为圆心左右摆动，如图2 2 ( 2 ) 所示， 用线位移传感器测出轮廓面上各点的极径，用角位移编码器测出各点极角。 仍以3 g1 7 6 3 0 7 h 四点接触球轴承为例来分析。前面已经计算出： b k = 3 6 3 6 0 5 m m b k i = 4 c k ：+ k i g 。= 3 3 2 0 9 0 m m 所以，线位移传感器的最大变化量为 b k b k t = 3 1 5 1 5 m m 以上分析可以看出，采用直角坐标系，传感器在x 方向位移变化比较大，而且探头 在x 方向沿直线前进。在精密测量中，多采用丝杠传动，价格比较昂贵。而采用极坐 标系，电动机到工件的传动采用同步齿形带，且传感器的位移量相对较小，信号占用 计算机接口的位数较少。因此，从简化仪器结构和提高性能价格比的角度考虑，本系 统采用极坐标系，即用步进电动机带动工件旋转，用角位移编码器测出每一步工件转 角，用线位移传感器测出每步的极径，相当于工件不动，而传感器的测头按一定的角 位移测出各点线位移，然后按公式 y x = ：p p s 。i n a c z z ， 把各点的极坐标转化为相应的直角坐标，再进行数据处理。 2 2 检测系统的工作原理 本系统在检测外圈内沟道几何参数时，首先测出轴承几何中心到型面各点的距离及 转角，然后根据拟合原理计算出双弧半径r 和中心距e 。系统工作原理如图2 3 所示。 在测量一批相同型号的工件前，首先标定传感器初始位移和调整探头位置，v 型铁 的中剖面与台面保持垂重，位移传感器的测杆在竖直方向位于v 型铁的p 向中剖面内。 运行步进电动机2 的驱动程序，使探头抬起，安装工件，工件的中线与v 型铁的中线 重合( 如图2 3 的c 向视图) ，调整横向丝杠，使探头位于a 向的轴承中剖面内。这 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 样调整后，测量初始点为如图2 1 所示的沟道最低点k 点，探头落下。探头的位置对 于测量一批型号相同的轴承来说应该是固定的。 hn 味, o 、丁、tii，l 址、l i 棚7v 、， iiii 洲父，。! 鬣 p 二、一摧鼠。翳l l 1 2 藜统i文1 ll = 产三匀 一 1 手轮2 接口电路3 丝杠4 光栅位移传感器5 丝杠6 测头及测杆7 手轮8 弹簧 9 手柄1 0 顶尖1 1 工件1 2 v 型铁1 3 。主轴1 4 光电角度编码器1 5 同步齿形带 1 6 接口电路1 7 步进电动机11 8 驱动电路11 9 驱动电路22 0 步进电动机2 图2 3 系统工作原理图 f i g2 3t h ew o r kp r i n c i p l eo f s y s t e m 由于采用的是相对式位移传感器，因此，在检测前必须标定出它的初始位移，即轴 承几何中心到检测初始点的位移。如图2 4 所示，因为v 型铁可以自动对中，所以首 先检测出主轴中心与台面距离a ，接着测出测量初始点与台面距离屯( 可用高度尺测 量结合测头的测量差值，轴承中心与测量初始点的距离为h = 甄一岛。 对于一批型号相同的零件，以上调整和标定只需进行一次。在其后的测量中，首先 使探头抬起、安装工件、测头落下、运行主轴调整程序，使工件d 向中线与台面垂直。 按照z 1 节的说明建立极坐标系。检测开始，主轴带动工件分别向左、右摆动，与主 轴同轴的角位移编码器采集每步角位移，光栅线位移传感器采集每步的线位移，测量 时测头从沟道最低点向两侧扫描得到的数值用来作数据处理。 以沟道的几何中心为原点，按照图2 2 ( 1 ) 所示建立直角坐标系，极坐标系的数据 按照公式( 2 2 ) 转换成直角坐标，存成数据文件。图2 5 为检测装置照片。 轴承沟道自动检测系统研究 图2 4 仪器标定示意图 f i 9 2 4 t h es k e t c h m a p o f c a l i b r a t i n g i n s t r u m e n t 图2 5 检澳i 装置 f i g 2 st h et e s t s y s t e m 1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 3 轴承曲面轮廓检测系统设计 3 1 检测系统组成概述 轴承曲面轮廓检测系统主要由硬件和软件两大部分组成。硬件部分包括单片机硬件 控制系统和有关机械装置。如图3 1 所示，由以下几部分组成。 匦堕亘亟 阡降步进电机l h 驱动系统1 卜- 一 8 0 5 1 - 驴r t 鱼 l 光栅位移传感器l- 匡圃 一 片 机 - 一显示 匪亟亟b - 一t 刚主步进电机2 卜 囊室重要卜 系哑 统 i 光电角度编码器i匿匠厕 - 一键盘 图3 1 轴承检测系统组成框图 f i g3 1t h em e a s u r i n gs y s t e mo f b a l lb e a r i n g ( 1 ) g c o 光栅线位移传感器及接口电路 ( 2 ) 光电角位移编码器及接口电路 ( 3 ) 主步进电动机( 7 5 b f 0 0 3 ) 及驱动系统 ( 4 ) 升降步进电动机及驱动系统 ， ( 5 ) 接口电路一8 1 5 5 ( 6 ) 单片机系统8 0 5 1 ( 7 ) 键盘 ( 8 ) 显示器l e d ( 9 ) 打印机p r t n 机械传动系统 检测时，由单片机发出脉冲信号，驱动主步进电动机带动测头抬起，安装工件，被 测件夹在与主轴相连的v 型块与顶尖之间。升降步迸电动机反转，测头落在滚道上。单 片机发出脉冲信号驱动主步进电动机带动工件旋转，光栅传感器测出沟道上各点与轴 承外圈中心的距离，光电角度编码器测量主轴的旋转角度，单片机采集光栅传感器和 轴承沟道自动检测系统研究 光电角度编码器发出的信号。通过工件转角和各点径向位移，计算出沟道圆弧半径和 圆心距，由打印机输出。 3 2 单片机系统组成 在微机应用系统中，c p u 的选择应该考虑以下要素：时钟频率和字长( 控制数据处 理的速度) 可扩展存储器( r a m r o m ) 的容量、指令系统功能是否很强( 即编程的灵活 性) 、i o 扩展的功能( 即对外部控制的能力) 、开发手段( 包括支持开发的软件的硬 件电路) 。除此之外，还应根据系统应用场合控制对象以及各种参数的要求来选择c p u 。 目前，在我国的数据系统中，常用的芯片有8 0 8 6 、8 0 8 8 、8 0 3 8 6 、8 0 9 8 、8 0 9 6 等 1 6 位机的c p u ，也有8 0 8 0 、z 8 0 、m c s - 4 8 、m c s - 5 1 系列的8 位机的c p u ，但是应用最多 的还是i n t e l 公司的m c s - 5 1 系列单片机作为主控制器。 m c s - 5 1 系列单片机主要有三种型号的产品8 0 3 1 、8 0 5 1 、8 7 5 1 。该系列产品是集中 c p ui o 端口及部分r a m 等为一体的功能性很强的控制器，它的主要特点是集成度高可 靠性好、运算速度快，另外，该系列产品只需增加少量外围器件就可以构成一个完整 的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强，编程灵活性大，硬件资料也 很丰富，是较为理想的主选控制器芯片。目前，工业控制中应用最多的是8 0 5 1 单片机 西】，下面介绍一下8 0 5 1 单片机的基本性能及使用方法。其组成大致如下：具有一个8 位微处理器( c p u ) ：片内具有时钟发生器( 6 m h z 或1 2 m h z ) 执行指令时间为2 筇或1 拶： 1 2 8 字节数据存储器( r a m ) 、4 k 8 k 字节程序存储器( r o e p r o m ) ；具有2 1 个特殊 功能寄存器；具有2 个1 6 位可编程定时计数器；3 2 跟i o 线，4 个i o 端口；5 个中 断源，可编程为2 个优先级；5 个中断源，可编程为2 个优先级：一个全双工的可运行 于同步异步方式的串行口；具有位寻址功能，位寻址空间o o h f f h ，适用逻辑运算， 它使用单一的+ 5 v 电源，在主振频率为6 4 h z 时机器周期为2 z s 有四组工作寄存器，每 组有8 个8 位的工作寄存器，堆栈可设置于单片机数据存储器的任何处，堆栈深度最 多可达1 2 0 2 4 8 个单元。 , i c s 一5 1 单片机是一个具有4 0 根引脚的双列直插式( c p u ) 器件，这4 0 只引脚大致 分为电源( “。、u 一“口、掰”) 、时钟( x t a i l 、x t m 2 ) 、i o 口( p o p 3 ) 、地址 总线和控制总线( a l e 、r s t 、p r o g 、) 等部分。它们的功能简述如下： ( 1 ) 电源线： 岔。4 2 0 ) ，电源地线 。( 4 0 ) 芯片主电源( + 5 v ) ( 2 ) 时钟； 大连理工大学硕士学位论文 x t a i , ( 1 8 ) ：震荡器反向放大器输入端，f i m o s 芯片使用外部震荡器时，此端必须 接地。 x t a ，( 1 9 ) ：震荡器反向放大器输出和内部时钟发生器的输入端，f i m o s 芯片使用 外部震荡器时，此端用于输入外部震荡信号。 ( 3 ) 控制总线 a l e p r o g ( 3 0 ) ：地址锁存有效信号，其主要作用是提供一个适当的定时信号， 在它的下降用于外部程序存储器或外部数据存储器的底8 位地址锁存。使p o 分时作用 为地址总线( 低8 位) 和数据总线。此信号在每个机器周期出现2 次，只是访问外部 数据存储器期间才会输出a l e ，在任何可使用外部数据在存储器的系统中，a l e 以1 6 震荡频率的固定速率输出，用作外部时钟定时，当8 7 5 1 片内编程时，此端输入编程脉 冲信号( p r o g ) 。 r s t u p d ( 9 ) ：复位输入信号。震荡器工作时，该引脚上两个机器周期的高电平， 可实现复位操作。在掉电情况下，后备电源加到此脚，将只给片内r a m 供电。 e a “。( 3 1 ) ：该访问外部程序存储器控制信号输入端，当e a 为低电平时，c p u 仅执行外部存储器的程序。 ( 4 ) i 0 线： 矾( 3 2 3 9 ) ：单片机的双向数据总线和低8 位地址总线分时操作，先用作地址总 线，在a l e 信号的下降沿，地址锁存，然后用作为数据总线，也可用作双向输入输出 口，它能带动8 个t t l 负载( 作总线工作时) n ( i 8 ) ：8 位准双向输x 输出口。在编程校验期间，用于传输低8 位地址，它 能吸入放出4 个t t l 负载 一 办( 2 l 2 8 ) ：8 位准双向输入输出口，在访问外部存储器时，用作高8 位地址 总线，它能吸入放出4 个l s t t l 负载。 见( 1 0 1 7 ) ：8 位准双向输a 输出口，p 3 口的每一根线还有另一种功能。 p 3o - - r ，d ： 串行输入口； 见i 一一巧d ；串行输出口； p 32 一一雨磊：外部中断0 输入口； p 3 ，一一雨五：外部中断1 输入口； p ，。一瓦：定时计数器0 外部事件脉冲输入端； 以，一- r , ：定时计数器1 外部事件脉冲输入端； 轴承沟道自动检测系统研究 p 3 。一一万面：外部数据存储器写脉冲； p ，一一j i 西：外部数据存储器读脉冲； 键盘、显示器是常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态 数据的动态显示，通常的系统都采用行列式键盘，即i 0 口线组成行、列机构，按键 设置在行列的交点上，键盘的工作过程：无键按下时，c 口引线由电路内附加电阻上拉 至高电平。a 口的8 条列线按一定时间间隔轮流送出低电平。当被扫描到某一列线上有 键按下时，交叉点上相应的行线被拉成低电平。这个低电平信号被c 口捕捉后，计算 机读取信息，并根据此键对应的行列线计算键值，完成键的扫描工作。 系统中使用的显示器主要有l e d ( 发光二极管) 和l c d ( 液晶显示器) 为了方便显 示图形也有用c r t 接口显示方式的系统。显示器也采用扫描方式。由8 1 5 5 p b 口送出的 八段码，只有l e d 公共端为低时，这一位显示块才能显示出字形，只。一只；通过7 5 4 5 2 驱动器分别接至各l e d 的公共端，计算机轮流对6 根线输出低电平。可在6 个显示器 上显示出不同的数字。从而实现扫描显示工作。 键盘与显示共用8 1 5 5 的只口进行控制，在进行键盘巡回扫描时必须先关显示，必 须经过软件协调处理后才能达到预期的效果。 3 3 位移传感器及接口电路 传感器( s e n s o r ) ，人们习惯上称其为测量过程中的“一次仪表”，它在检测和自动 化系统中的作用日渐显著。自六十年代以来，随着材料科学和固体物理效应的不断发 现，传感器技术已形成了一个新型科学技术领域，建立了一个完整的独立科学体系一 一传感器工程学。传感器技术是利用各种功能材料，实现信息检测的一门应用技术， 它是检测( 传感原理) 、材料科学、工艺加工等三个要素的最佳结合9 1 。 传感器分为模拟式传感器( a n a l o gs e n s o r ) 和数字式传感器( d i g i t a ls e n s o r ) 。前 者将被测参数转变为电模拟量显示出来，若输入计算机或用数字显示，就需要用一套 模数转换装置( a d 转换) ，将模拟量变成数字量，这不仅增加了投资，而且增加了系统 的复杂性，降低了系统的可靠性和精确度。若直接采用数字式传感器可将被测参数直 接转换成数字信号输出，它具有以下优点： ( 1 ) 精确度和分辨率高； ( 2 ) 抗干扰参力强，便于远距离传输； ( 3 ) 信号易于处理和存贮； ( 4 ) 可以减少读数误差。 因此，数字式传感器已引起人们的普遍重视。 大趣工大学硕士学位论文 本文所述检测系统采用传感器测量线位移。位移传感器( d i s p l a c e m e n ts e n s o r ) 的 种类很多，常用的有电感式传感器( i n d u c t a n c es e n s o r ) 、电容式传感器( c a p a c i t a n c e s e n s o r ) 、光栅传感器( g r a t i n gs e n s o r ) 等。前两者属于模拟式传感器，后者属于数字 式传感器。光栅传感器采用光电编码技术，随着精密仪器的不断发展，光电编码技术 水平的不断提高，光栅传感器被愈来愈广泛地应用在精密测量和精密机械控制中。 3 3 1 光栅位移传感器的特点 光栅按工作原理可分为物理光栅( p h y s i c a lg r a t i o n ) 和计量光栅( m e t r o l o g y g r a t i o n ) ，前者用于光谱仪器作色散元件，后者用于精密测量和精密机械的自动控制。 计量光栅是增量式编码器，它有以下特点： ( 1 ) 测量精度高。计量光栅应用莫尔条纹原理，莫尔条纹是由许多刻线综合作用的 结果，故对刻划误差有均化作用，因此利用莫尔条纹信号所测量的位移精度较高： ( 2 ) 读数速率高。莫尔条纹的取数率一般取决于光电接收元件和所使用电路的时间 常数，取数率可以从每秒几次至数十万次，既可以用于静态测量也可以用于动态测量； ( 3 ) 分辨率高。常用光栅栅距为1 0 5 0um ，细分后很容易作到l o 1um ； ( 4 ) 读数易实现数字化、自动化、且稳定可靠。 3 3 2 莫尔条纹测量原理和特征 利用莫尔条纹测量位移，其核心部件是光栅副，即标尺光栅和指示光栅，当两光栅 重叠在一起并使两栅之间有一个很小的夹角，就形成莫尔条纹。如图3 2 所示，l 为光 栅传感器的构成，2 为莫尔条纹的形成，a 为黑色条纹宽度，b 为刻线间距，w 为光栅 栅距。莫尔条纹密度一般为2 5 2 5 0 条m ，即栅距w 为4 4 0pm 。当主光栅相对指示 光栅在纵向移动时，莫尔条纹在横向移动，使光电元件接受的光有亮暗变化，产生相 应的电压变化。光栅在纵向每移动一个栅距w ，变化一个周期。 莫尔条纹的形成原理决定了它具有以下特征： ( 1 ) 莫尔条纹与光栅运动具有对应关系； ( 2 ) 莫尔条纹具有位移放大作用，适于高灵敏度的位移测量，也可直接进行细分： ( 3 ) 莫尔条纹具有平均光搬误差作用。因为莫尔条纹是由大量光栅刻线组成的，光 电元件接收到的是这个区域中所包含的所有刻线的综合结果，即对各栅距的误差起到 平均作用，提高了测量精度。 轴承沟道自动检测系统研究 1 北桠佶感器构成 x b 2 奠尔条纹的形成 图3 2 光栅位移传感器 f i g3 2t h eg r a t i n gs e n , s o ro f d i s p l a c e m e n tm e a s u r i n g if i 、 一 3 3 3 光栅位移传感器的选择 本系统选用中科院长春光机所生产的g c q 型光栅线位移传感器，它利用莫尔条纹的 原理测量位移，因此比其它类型传感器具有精度高，性能稳定可靠，抗干扰强，安装 调整方便等优点。 g c o 光栅线位移传感器的主要技术参数如下： ( 1 ) 分辨率( 2 0 ) l oi in l ( 2 ) 光栅栅距0 o l n m ( 1 0 0 对线咖) ( 3 ) 重复精度1 个分辨率 ( 4 ) 测量长度 1 0 帆 ( 5 ) 光源红外发光二极管 ( 6 ) 光电转换器件组合光电二极管 大连理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 工作电压5 v 5 ( 8 ) 输出信号 相位相差9 0 度的两种方波信号，幅值4 5 v 一 一种绝对零位脉冲信号 ( 9 ) 最大移动