圓錐滾子軸承內(nèi)組件收口質(zhì)量數(shù)字化在線檢測(cè)儀

王啟東，陳於學(xué)，楊曙年

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

1 檢測(cè)原理

為了能夠找到一個(gè)參數(shù)來(lái)檢測(cè)內(nèi)組件的收口質(zhì)量，前期進(jìn)行了大量試驗(yàn)。分別選取1個(gè)壓合軸承內(nèi)組件和1個(gè)未壓合軸承內(nèi)組件，固定內(nèi)組件的保持架不動(dòng)，推動(dòng)內(nèi)圈徑向移動(dòng)，并將徑向游隙值通過(guò)百分表檢測(cè)出來(lái)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者的徑向游隙差別很大。如圖1所示，X1為收口質(zhì)量合格的徑向游隙測(cè)量平均值，X2為收口質(zhì)量不合格的徑向游隙測(cè)量平均值，兩者徑向游隙分布差距顯著，且沒(méi)有重疊。由于生產(chǎn)線上軸承內(nèi)組件收口質(zhì)量不合格，大多為未壓合或壓合過(guò)松，故可以在X1和X2間選取一個(gè)閾值，判定內(nèi)組件收口質(zhì)量是否合格，即采用測(cè)量?jī)?nèi)組件徑向游隙的方法來(lái)檢測(cè)內(nèi)組件的收口質(zhì)量。

圖1 徑向游隙差異示意圖

內(nèi)組件收口質(zhì)量檢測(cè)原理如圖2所示。保持架壓套固定保持架不動(dòng)，芯軸插入內(nèi)圈中，為了保證芯軸與內(nèi)圈一起僅沿徑向方向直線移動(dòng)，將芯軸固定在直線導(dǎo)軌上，通過(guò)測(cè)量氣缸的作用帶動(dòng)芯軸在徑向移動(dòng)。芯軸被測(cè)量氣缸拉至最左端時(shí)傳感器的示值為D1，被推至最右端時(shí)傳感器的示值為D2,則內(nèi)組件的收口質(zhì)量即徑向游隙X=D2-D1。

圖2 檢測(cè)原理示意圖

2 檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)

圓錐滾子軸承內(nèi)組件收口質(zhì)量檢測(cè)儀由機(jī)械部分和控制系統(tǒng)組成。機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的定位與測(cè)量；控制系統(tǒng)由PLC實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的全部動(dòng)作控制，工控機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)的采集及處理。

2.1 機(jī)械部分

機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。主氣缸帶動(dòng)導(dǎo)桿套板通過(guò)主氣缸直線導(dǎo)軌沿垂直方向移動(dòng)，L形板固定在導(dǎo)桿套板上，T形板通過(guò)芯軸軸向直線導(dǎo)軌與L形板連接并沿垂直方向移動(dòng)，測(cè)量板與芯軸連接，芯軸徑向直線導(dǎo)軌固定在T形板右端下面，導(dǎo)軌滑塊與測(cè)量板連接，測(cè)量板與芯軸通過(guò)芯軸徑向直線導(dǎo)軌沿徑向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)芯軸的徑向移動(dòng)；整體又與T形板連接，實(shí)現(xiàn)芯軸的軸向移動(dòng)。其工作過(guò)程如下。

1—平臺(tái)；2—主氣缸直線導(dǎo)軌；3—測(cè)量氣缸；4—測(cè)量氣缸連接件；5—導(dǎo)桿套板；6—主氣缸連接件；7—主氣缸導(dǎo)板；8—主氣缸；9—系統(tǒng)支架；10—L形板；11—芯軸軸向直線導(dǎo)軌；12—T形板；13—測(cè)量板；14—傳感器固定裝置；15—限位塊；16—傳感器；17—芯軸徑向直線導(dǎo)軌；18—限位氣缸；19—芯軸；20—保持架壓套；21—內(nèi)組件；22—工作臺(tái)

(1)初始狀態(tài)：限位氣缸與測(cè)量氣缸伸出，芯軸固定在圖示中心線上，主氣缸縮回，芯軸與內(nèi)組件脫離。

(2)定位過(guò)程：主氣缸作用將導(dǎo)桿套板及固定在導(dǎo)桿套板上的部件向下移動(dòng)，當(dāng)芯軸伸至內(nèi)圈并與內(nèi)圈接觸時(shí)，由于芯軸固定不動(dòng)，所以?xún)?nèi)組件即使不在圖示中心線位置，芯軸也能將內(nèi)組件移動(dòng)至中心線位置，從而達(dá)到定位目的。

(3)測(cè)量過(guò)程：限位氣缸不再限位，測(cè)量氣缸作用，帶動(dòng)芯軸移動(dòng)至內(nèi)圈最右端，傳感器得到一個(gè)測(cè)量值D2；測(cè)量氣缸復(fù)位，帶動(dòng)芯軸移動(dòng)至內(nèi)圈最左端，傳感器得到另一個(gè)測(cè)量值D1。

9月3—4日，中非合作論壇北京峰會(huì)圓桌會(huì)議在人民大會(huì)堂舉行。與會(huì)各方重點(diǎn)就推進(jìn)中非關(guān)系、深化各領(lǐng)域合作、構(gòu)建更加緊密的中非命運(yùn)共同體、共建“一帶一路”以及共同關(guān)心的國(guó)際和地區(qū)問(wèn)題發(fā)表看法。會(huì)議通過(guò)了《關(guān)于構(gòu)建更加緊密的中非命運(yùn)共同體的北京宣言》和《中非合作論壇——北京行動(dòng)計(jì)劃（2019—2021年）》。

(4)采樣過(guò)程：測(cè)量完成后，PLC向工控機(jī)發(fā)送啟動(dòng)采樣信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡隨后開(kāi)始進(jìn)行采樣，1 s后采樣結(jié)束并進(jìn)行分析處理。

(5)復(fù)位過(guò)程：測(cè)量結(jié)束后，限位氣缸、測(cè)量氣缸及主氣缸均復(fù)位，裝置回到初始狀態(tài)。

檢測(cè)直徑在一定范圍內(nèi)的不同型號(hào)軸承的收口質(zhì)量，只需更換相應(yīng)尺寸的芯軸和保持架壓套即可。

2.2 控制系統(tǒng)

2.2.1 硬件

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，主要由動(dòng)作控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)兩部分組成。

圖4 檢測(cè)儀控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

(1)動(dòng)作控制系統(tǒng)：PLC輸入端口接收磁性開(kāi)關(guān)傳送來(lái)的信號(hào)，在經(jīng)過(guò)內(nèi)部程序運(yùn)算后，經(jīng)PLC輸出端口輸出，分別驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，從而控制主氣缸、限位氣缸、測(cè)量氣缸的運(yùn)行狀態(tài)，最終控制檢測(cè)儀各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行[3]。

(2)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)：電感傳感器與測(cè)量點(diǎn)相接觸，測(cè)量點(diǎn)的位移量被傳感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量并輸出與位移量成正比的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給工控機(jī)；最后通過(guò)工控機(jī)中的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和顯示[4]。

2.2.2 軟件

系統(tǒng)軟件主要包括基于PLC完成的動(dòng)作控制軟件和基于工控機(jī)完成的數(shù)據(jù)采集及處理的測(cè)量軟件兩部分。

(1)PLC動(dòng)作控制軟件。根據(jù)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)以及裝置所處的初始狀態(tài)，設(shè)定PLC控制檢測(cè)儀的動(dòng)作，其控制流程圖如圖5所示。選擇“手動(dòng)調(diào)整”時(shí)，可以調(diào)整各運(yùn)動(dòng)部件的狀態(tài)；選擇“自動(dòng)方式”時(shí)，依照?qǐng)D示順序依次完成相應(yīng)動(dòng)作。

圖5 PLC控制流程圖

(2)工控機(jī)測(cè)量軟件。采用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW開(kāi)發(fā)完成[5]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)后續(xù)變換處理、顯示、存儲(chǔ)等功能，其工作流程圖如圖6所示。

圖6 測(cè)量系統(tǒng)流程圖

采用中值濾波的方法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種方法對(duì)變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有較好的濾波效果，并且可消除由偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾所引起的采樣值偏差。中值濾波子程序圖如圖7所示。

圖7 中值濾波子程序

按照節(jié)拍要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集程序如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集程序

內(nèi)組件徑向游隙采樣值經(jīng)過(guò)中值濾波后再進(jìn)行修正，最后乘上放大倍率得到最終的散套采樣值，即內(nèi)組件徑向游隙值，數(shù)據(jù)處理程序如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)處理程序

3 試驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

采用用戶提供的一套收口質(zhì)量合格的518445圓錐滾子軸承和一套未壓合，即收口質(zhì)量不合格的518445軸承分別進(jìn)行20次重復(fù)測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 已壓合518445軸承測(cè)量結(jié)果 μm

表2 未壓合518445軸承測(cè)量結(jié)果 μm

由表1數(shù)據(jù)可得，壓合軸承徑向游隙的算術(shù)平均值為

單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差為

取顯著度α=0.1，單次測(cè)量的極限誤差δlim=±tασ=±1.73×2.26≈±3.9 μm。

由分析可知，系統(tǒng)測(cè)量精度在±10 μm之內(nèi)，滿足用戶對(duì)該測(cè)量?jī)x精度的要求，能夠很好地檢測(cè)軸承內(nèi)組件的收口質(zhì)量是否合格。

4 結(jié)束語(yǔ)

圓錐滾子軸承內(nèi)組件在線檢測(cè)儀采用了虛擬儀器技術(shù)，從以前的定性、手動(dòng)檢測(cè)發(fā)展到現(xiàn)在的定量、全自動(dòng)數(shù)字化檢測(cè)，測(cè)量精度為±10 μm，節(jié)拍為15 s/套。目前該系統(tǒng)已用于軸承自動(dòng)裝配生產(chǎn)線，完成收口質(zhì)量的在線檢測(cè)并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行合格與否分選，運(yùn)行穩(wěn)定且效果良好。