鐵路客車軸承滾子磨削加工在線檢測系統

韓宇， 張洛平， 王鵬飛， 孟文寶

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

1 前言

隨著列車速度的提高和運行距離的增加，對車輪軸承質量的要求也隨之提高[1]。目前，國內鐵路客車正常運行速度不超過160 km/h，車輪最高轉速為1 000 r/min，車軸所受載荷為148.96 kN，最大軸向載荷為59.6～74.5 kN，車輪軸承采用脂潤滑。滾子質量在很大程度上影響著軸承的使用壽命和動態性能。由于鐵路客車使用環境的特殊性，要求在磨削加工中同一組滾子直徑變動量≤2 μm，長度變動量≤10 μm。

磨削加工往往作為終加工工序，對工件的最終精度有直接的影響。鐵路客車常用軸承有圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承，滾子素線常采用邊緣對數曲線修形，一般為修形砂輪切入式磨削加工，其原理如圖1所示。這種加工方法要經常用金剛筆或金剛滾輪對砂輪進行修形，修形后的砂輪外形很難保證與所需滾子外形素線一致，同一批滾子的直徑變動量難以控制，容易造成滾子滾動面素線的對稱度不高，表面粗糙度控制有限，且頻繁修形造成工作效率較低。

圖1 現有工藝

針對現有技術的不足，設計了一種采用CBN砂輪高速點接觸磨削滾子軌跡的新方法。該方法集多種輪廓磨削加工工藝于一體，一次裝夾可完成多個表面的磨削加工，不僅提高加工效率，還可以保證工件的形狀和位置精度[2]。

在線檢測技術是一種基于計算機控制的檢測技術，其檢測過程由數控程序控制，通過工控機的處理得出檢測結果并做出相應的處理。將在線檢測技術應用于鐵路軸承滾子的磨削加工中，可減少工件裝夾次數，有效保證工件的重復定位精度，對提高滾子質量將有著質的變化。因此，研究設計了與上述磨削加工方法有機結合的在線檢測系統。

2 總體方案

軸承滾子精密磨削機床在線檢測系統由雷尼紹測頭系統和相應的檢測軟件結合機床本體構成。系統借助機床上的部分硬件，在不改變機床本身性能的基礎上，加入三坐標測量機的主要功能，實現在線檢測和反饋控制[3]，總體方案如圖2所示。該系統由雷尼紹測頭，嵌入式運動控制器，人機界面，X軸、Y軸伺服電動機及伺服驅動器等相關部件組成。系統工作時，在X軸、Y軸伺服電動機的配合下，工件與測頭測針接觸產生觸發信號。信號經處理后由專用I/O接口傳輸給嵌入式運動控制器，測量軟件結合同時反饋回的伺服電動機的位置信息，進行計算、補償等數據處理工作，得出檢測結果，完成檢測工作。

圖2 系統總體結構示意圖

3 測頭機構

在線檢測系統的測頭機構主要由測頭座和2個雷尼紹LP2測頭構成，LP2測頭固定在測頭座上，其結構如圖3所示。

圖3 測量過程及測量原理

測針是LP2測頭的重要組成部分，在線測量過程中與工件接觸，對在線測量的完成和準確與否起著關鍵性的作用。測針通常分為球狀測針和柱狀測針。本在線檢測的實質是取得工件各縱截面的最大直徑值。如果選擇球狀測針，測針與工件的接觸實際上是空間內點與線的接觸，測量時測針接觸點所在的水平面與工件中心線所在的水平面很難重合，實際測量值將小于測量截面處工件的最大直徑，將不可避免地產生誤差；而采用柱狀測針時測針與工件的接觸實際上為空間內兩條直線之間相交，由空間內兩條不重合的直線相交只有一個交點可知，測量時測針與工件之間的接觸點與工件水平中心線重合，可避免產生誤差，測量示意圖如圖4所示。

圖4 測量示意圖

4 檢測原理

4.1 工件坐標系的建立

在線檢測系統的作用是在機床磨削滾子后，對磨削后滾子的縱向截面直徑進行在線測量并將測量結果反饋給控制中心。在此，以一種滾動面素線中間為圓弧曲線，兩端為對數曲線修形的滾子為例闡述測量原理。設滾子最大直徑為Φm，有效接觸長度為L，滾動面圓弧部分素線的半徑為R，對數修形部分素線的方程為y=aln[1-(2x/L)2]-1(其中a為根據工況和材料性質決定的常數)。測量時，工件固定在機床上的兩個頂尖之間，所建立的工件坐標系如圖5所示，其中α，β點為圓弧曲線與對數曲線的切點。

圖5 工件坐標系

在工件坐標系中，α與β點所在的截面的直徑分別為

(1)

(2)

其余任意一點xi所在的截面的直徑φi為

(3)

4.2 測量過程及原理

測量過程及原理示意圖如圖3所示。在線檢測時，測頭機構不動，被測工件與所在的工作臺一起在X軸、Y軸電動機的配合下運動。當系統測量工件xi點所在截面的直徑時，X軸伺服電動機拖動縱向托板向前運動，當測針與工件接觸后，測頭產生一個觸發信號經傳輸器傳送到運動控制器中，控制X軸伺服電動機反方向(即向后)運動，并記錄下此時X軸伺服電動機的位置。當工件與第2個測針接觸時，測頭再次產生一個觸發信號傳送給運動控制器，控制X軸伺服電動機反方向運動至開始檢測位置 (即工件處于兩個測針正中間的位置 )，同時記錄下此時X軸的位置。2個觸發信號之間X軸電動機拖動托板運動的距離為hi，事先標定好的2個測針之間的距離為H，則xi點所在的截面的直徑Φi為

Φi=H-hi，

(4)

則xi點所在截面的直徑的實際測量值與理論值之間的差值為Ci=Φi-φi，該差值將作為機床下一步工作的重要依據。

5 檢測程序

在線檢測技術能否準確實現的關鍵主要體現在檢測程序的編制上，檢測程序編制質量直接影響到檢測效果的好壞[4]。根據雷尼紹廠商提供的工具測量軟件，結合深圳固高公司的運動控制器編程語法，在Windows XP操作環境下運用VC++開發了專用的測量軟件。該測量程序采用模塊化結構設計，主要包括數據采集模塊、通信模塊、顯示模塊、數據處理模塊和鍵盤中斷子程序等。軟件總流程圖如圖6所示。

基于固高運動控制器編程語法的檢測子程序部分程序段如下：

#CETOU 標號

SP 2000 初始速度

BGY Y軸運動

AI 1 1#停止脈沖

APY 查詢并報告Y軸位置

圖6 軟件總體流程圖

PRY -2000 Y軸反向運動

AI 2 2#停止脈沖

APY 查詢并報告Y軸位置

……

EN 結束

6 結束語

目前，上述滾子磨削加工機床已完成了論證和設計工作，正處于樣機的生產和調試階段。若能實現數控軸承滾子磨床加工過程的在線檢測，將減少工件的裝夾次數，既能保證磨削加工的精度，又可擴大數控磨削機床的功能，改善機床的性能及工作效率，降低工人的勞動強度，對提高國產鐵路軸承滾子的整體品質也有一定的現實意義。