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滚动轴承内环圆度数字系统研究

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-09-01

关键字：轴承检测；位移传感器；单片机；光电编码器；圆度仪 　　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，是各种机械中传递运动和承受载荷的重要支承零件，在机械结构中几乎是不可缺少的部件。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，取决于其设计、制造和检测过程。而检测是提高轴承性能重要的一个环节。 　　轴承内圈是与轴密切接触的部件，其不仅存在着尺寸误差，而且存在着圆度误差、粗糙度误差和波纹度误差等。本文采用位移传感器测量轴承内环的圆度，光电编码器控制系统等角度采样，控制与数据处理单元采用8位W78E52单片机。通过串口将数据传到上位机，便于集中分析数据。外接LED，可以显示数据处理的结果，读数方便，从而实现了滚动轴承圆度检测的智能化、数字化。 　　1系统的总体设计 　　该系统主要由三个部分组成：检测部分、信号采集与处理部分、输入输出部分，整体构架见图1。检测部分包括传感器、光电编码器、放大、滤波。 　　信号采集与处理部分负责AD转换、系统的控制和采样数据的存储.输入输出部分由LED和键盘构成（如图1）。 轴承内环固定在一个浮动测头、两个固定测头上。位移传感器通过机械装置与浮动测头相连。光电编码器控制传感器等角度采样，传感器的信号经过放大、滤波进入ADC。单片机对ADC出来的信号进入处理与存贮。轴承内环旋转一周，数据采集完毕。最后单片机找出3数据中的最大与最小值，并计算出差值，通过LED显示出来。工件回转一周的最大读数差值F和圆度误差f的关系为 式中K——反映系数，由GBT4380-1984查得[1]，即差值除以反映系数为圆度误差。 　　2检测部分 　　2.1传感器的选用 　　根据圆度仪标准JB/T100281999，仪器误差A级中，测量系统线性误差不大于满量程的2%，测量系统灵敏阀不大于0.02μm[2]。 　　本系统采用接触式的测量方法，因此选用稳定性好、结构简单可靠、抗干扰性强等优点的差动变压器式电感传感器作为位移传感器。 　　本系统选用的中原量仪E-DT-80SB型传感器具有测量精度高,灵敏度高,装夹定位容易等优点，满足圆度仪标准JB/T100281999。虽然其动态响应频率不高，但也已经能完全满足圆度测量时的速度响应要求（采样点）。性能如下： 　　总行程（mm）：3 　　测量范围（mm）：±0.5 　　线性误差：±0.5% 　　重复性误差（μm）：0.2 　　2.2差动变压器式位移传感器测量电路　　 　　差动变压器式传感器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁拉移的大小，而不能反映移动方向，同时其测量值中将包含零点残余电压。故在实际测量时，通常采用相敏检波电路和差动整流电路。相敏检波电路，需要用初级激励电压作为相位参考来决定输出电压的极性，这就需要有恒定幅值和频率的激励信号源，需要补偿差动变压器初级和次级的相位偏移及温度、频率波动造成的误差。而差动整流电路不必考虑相位问题，电路也相对比较简单。本文选用差动整流电路对差动变压器的输出信号进行后期处理（如图2.1[3]）。 2.3信号放大 　　传感器出来的信号一般比较弱，通常只有几毫伏到几十毫伏。本传感器输出信号范围是0.028mv～100mv，而A/D转换器要求满量程输入是±5v。故需放大以提高分辨率和降低噪音，也使调理后信号最大值和A/D最大输入值相等，以提高转换精度。就本题目而言，只有一个?道信号输入，为不致使放大最大信号超出ADC满量程，其放大倍数 即信号放大电路采用增益K=50。 　　2.4滤波电路 　　在圆度测量中，由于各种噪声信号的影响，使得测量数据不可信，因此必须对原始的测量数据进行滤波，滤去不必要的高频信号，取得某特定频段的信号。在本系统中所用的是二阶RC有源低通滤波（如图2.2）。 　　2.5计数电路 　　计数方法可以用软件实现，也可以用硬件实现。用纯软件计数虽然电路简单，但是计数速度慢，容易出错。用外接计数芯片的方法，虽然速度快，但硬件电路复杂，成本较高。综合这两种方法，本文采用软硬结合的方式，即单片机内部的计数器来实现计数。 　　手动旋转轴承内环速度不会过快也不会过慢，对于光电编码器的分辨率最高响应频率及允许最高转速要求不高；光电编码器并不承受很大的外力,所以对其的力学性能要求也不高,考虑到工作环境,本文选择光洋旋转编码器TRD-2E 　　A完成系统设计。其性能规格如下： 　　项目:TRD-2EA 　　分辨率:1024脉冲/转 　　输出信号形式:A·B两相 　　最高响应频率:200kHz 　　容许最高转速:5000rpm 　　起动扭矩≤0.001N·m 将光电编码器的计数脉冲A端接D触发器的D端和单片机的外部中断INT1端，光电编码器的B端接D触发器的CLK端,经过D触发器之后的脉冲即方向控制脉冲（DIR）接到单片机的外部中断INT1端（如2.3图[4]）。打开相应的中断，并置T1的门控位GATE为1,这时，除需要将TR1置1外，还要使INT1引脚为高电平，才能启动计数器。由表1可知，仅当DIR是高电平，并且A为正或负跳变时，轴承内环正转。所以当满足内环正转条件后，传感器读数，并进行加计数。轴承内环转动一周，进入中断程序，将采集的数据送入PC，并计算出差值，从而得出圆度。 　此电路在轴承内环反转和不转时，不采集数据。从而保证了数据的准确性，排除了操作员的抖动引起内环反转带来的不准确性。 　　3.A/D转换器的选择 　　对于A/D转换器的选择来说，转换率和分辨率是两个重要参数。其设计如下[5]： 　　3.1.转换率的选择 　　系统中，光电编码器控制着ADC的采样，光电编码器旋转一周，ADC采样1024次，手动旋转光电编码器旋转一周用时最少0.8秒，即光电编码器采样率最大为1.25,因此ADC的转换率要大于光电编码器采样率1.25。 　　3.2分辨率的选择 　　传感器测量范围±0.5mm，测量精度1μm。通过实际测量，传感器最大输出信号为1.25V，即为传感器最大测量位移±0.5mm，则当测头径向移动1μm，传感器输出信号电压为u， 　　即u为传感器最小输出信号。根据分辨率公式4.1 本系统ADC分辨率实际选择n=10。n取大值，A/D转换精度提高，但价格昂贵，不够经济。实际中，传感器输出信号太弱小，需经放大电路放大，放大的信号送入A/D就可降低A/D的分辨率，故选择n=10位。 　　综上所有计算结果结合实际工作情况，联系经济条件决定采用MOTOROLA公司生产的一种基于CMOS制造工艺的双积分型A/D转换器MC14433。其工作性能如下： 　　3（1/2）位双积分型ADC工作电压范围为：双电源4.5-8V,A/D转换精度为0.05%（11位二进制数），对应于50-150kHz时钟频率，转换率为4-10T/s（大于光电编码器转换率）。
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