Y9030D型通用圓度儀的設計

江純清，劉金秀，熊子健，姬惠立

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039）

圓度、波紋度是軸類及軸承零件的主要參數，圓度誤差的存在直接影響軸與軸承的配合精度、旋轉精度、摩擦、振動和噪聲等，使得整機的振動、噪聲、潤滑及密封受到影響，進而影響到整機的精度、噪聲和使用壽命。

Y9030D型通用圓度測量儀是依照國家標準設計［1］，以精密氣浮主軸為基準，采用計算機控制、測量的轉臺式圓度測量儀，可用于軸類及軸承零件的圓度、波紋度等參數的精密測量。

1 工作原理及主要技術指標

Y9030D采用半徑法測量原理，工作臺回轉方式。工件放置在與空氣主軸軸線相對垂直的調平調心工作臺上，位移傳感器固定在可X，Y向移動的精密直線導軌上，移動測頭接觸工件，調整工作臺使工件回轉中心與主軸回轉中心基本重合，工件隨主軸帶動的工作臺旋轉，傳感器在工件被測截面測量工件的半徑變化量，通過信號采集、數據處理，計算并顯示出工件圓度、波紋度等參數。儀器結構如圖1所示。

圖1 Y9030D結構示意圖Fig.1 Structure diagram of Y9030D

Y9030D的主要技術指標如下：測量參數為圓度和波紋度；主軸誤差（徑向精度）±0.025μm；系統綜合精度0.06μm；波段范圍為（1～15）UPR，（1～50）UPR，（1～150）UPR，（1～500）UPR，（1～1 500）UPR，（15～500）UPR和（15～1 500）UPR；評定方法采用最小二乘圓、最小區域圓、最大內接圓及最小外切圓；軸向載荷500 N；主軸轉速2～6 r/min內有級可調；測量范圍為φ5～300 mm，最大高度為400 mm。

2 機械結構設計

2.1 高精度氣浮主軸的設計

高精度主軸是半徑法圓度儀的核心部件，作為測量的定位基準，其旋轉精度應優于0.06μm。因此，以靜壓空氣主軸［2-3］為基礎，在保證設計精度的同時，針對主軸軸向承載較大（500 N）的特點，改進了主軸結構設計。改進后的主軸結構如圖2所示，采用了雙止推結構，保證了適當的軸向間隙和徑向間隙，并設計了合理的節流孔排布形式和尺寸。

圖2 主軸結構示意圖Fig.2 Structure diagram of spindle

2.2 調平調心工作臺

調平調心工作臺是一種浮動式工作臺，用于調整被測工件的狀態。調平是將回轉工作臺的工作面調整至與空氣主軸的回轉軸線垂直，調心則是將被測工件的幾何中心調整至與空氣主軸回轉軸線重合，其原理如圖3所示。

圖3 調平調心工作臺Fig.3 Centring and leveling worktable

調平調心工作臺由主工作盤、浮動工作盤和定位工作盤等3塊圓形工作盤通過1個球冠和3排鋼球組合而成。主工作盤和浮動工作盤用SR75球冠支承，浮動工作盤和定位工作盤通過三排φ12 mm的鋼球支承，3塊工作盤之間的可調整量由7根彈簧實現，并由調整限位塊防止互相脫離。

調平時，轉動調平旋鈕，與主工作盤相對固定的球冠在浮動工作盤中旋轉，主工作盤臺面發生傾斜，通過2個相對垂直的調平旋鈕實現工作臺的調平功能。調心時，轉動調心旋鈕，浮動工作盤通過鋼球在定位工作盤上平行移動，帶動主工作盤沿與回轉軸線垂直的方向移動，通過2個相對垂直的調心旋鈕實現工作臺的調心功能。

2.3 低振動主軸驅動設計

高精度空氣主軸的驅動是一個關鍵技術點，由于空氣主軸的特性，其抗附加力矩的能力較差，設計中應盡量避免驅動電動機自身振動產生的影響，并選用合適的柔性聯軸節。因此，驅動電動機選用專用的小型、高輸出功率、高效率的無刷調速電動機，其運行噪聲小、振動低且為閉環控制，速度變動率低至±0.2%，測量過程中的速度穩定性好，運行平穩；連接方式采用非接觸的永磁式連接方式，具有軟啟動、隔振效果好、壽命長等優點；此外，在機架上采用了效果良好的氣墊式減振方法，降低了環境振動對儀器的影響，提高了儀器的測量精度。

2.4 直線導軌平移臺

Y9030D采用了專用的防塵電動平移臺。平移臺采用精密直線導軌（方導軌）結構，精密滾珠絲杠推進，導程2 mm，整步分辨率25μm，重復定位精度±1μm，運動直線度2μm/400 mm，兩相混合式步進電動機驅動。直線導軌可自動消除間隙，移動時運動平穩，靜止狀態穩定性好，保證傳感器在測量過程中的基準穩定可靠。

3 電氣及軟件設計

3.1 電氣控制原理

電氣部分硬件由電感式位移傳感器及信號調理電路、主軸電動機及其控制電路、I/O接口、多功能數據采集卡、圓光柵編碼器、雙軸步進電動機及驅動器、限位及接口電路、運動控制卡和計算機組成，電氣控制框圖如圖4所示。

圖4 電氣控制框圖Fig.4 Diagram of electrical control section

Y9030D采用計算機作為中央處理單元及控制中心，實現移動控制、位移信號采集、數據處理、圖形顯示、存儲、打印等功能。計算機利用分體式圓光柵編碼器產生的每轉2 048的脈沖信號，同步記錄與位移傳感器信號相對應的圓周方向角度信號。多功能數據采集卡PCI-9111DG具有16路單端模擬量輸入12位A/D轉換器，采樣速率100 kHz，共32路I/O。運動控制選用DMC2210 PCI總線2軸運動控制卡。硬件電路集成度高、穩定性好，保證了儀器的測量精度和長期穩定性，符合現代測量儀器的智能化發展趨勢。

3.2 高精度電感測頭及信號調理電路

低噪聲信號的采集是精密測量的基礎。位移傳感器采用了自制的加長桿結構差動電感式旁向傳感器，重復誤差0.05μm，量程±0.5 mm。信號調理電路選用AD698線性位移差分傳感器（LVDT）專用芯片［4］作為測量電路的核心芯片，其自身集成了內部振蕩器、相位解調器、初級放大器和輔助放大器，原理框圖如圖5所示。

圖5 AD698原理框圖Fig.5 Functional block diagram

在電路設計時，關鍵元件選用了低噪聲、低溫漂的元器件。調理電路向傳感器提供正弦波激勵信號，激勵頻率和激勵電壓幅值的選取考慮了傳感器的特性，經反復試驗后將激勵電壓定為3 Vrms，頻率定為12 kHz，頻率精度高于±0.9%。信號的初級放大器及鑒相電路直接利用了AD698芯片內置的高穩定性電路，其中初級放大器的增益誤差小于±1.0%FS，二級放大器及多量程通道設計了2節無限增益多端反饋（MFB）切比雪夫低通濾波器［5］。電路具有集成度高、噪聲小、靈敏度及分辨率高、線性度好、工作穩定的特點，可滿足高精度測量的需要。

3.3 運動控制

控制電路選用的DMC2210［6］是一款基于PCI總線、以ASIC為核心的性能優越、功能強大的運動控制卡。設計中應用LabWindows/CVI編程工具，通過板卡提供的適用于Windows操作系統的DLL函數庫進行編程，用其控制低噪聲數字式步進驅動器，分別驅動X，Y軸兩相混合式步進電動機控制安裝在平移臺上傳感器的測量位置。導軌兩端安裝有光電式限位檢測開關，限位信號接入運動控制卡，防止運動超量程。圓光柵A/B相正交編碼器信號接至運動控制卡的28位二進制正/反位置計數器輸入端口，用于檢測工作盤的旋轉角度。

3.4 基于Windows的專用測量分析軟件設計

虛擬儀器是計算機、儀器和信息技術相結合的產物，其通過軟件將計算機強大的計算處理能力與硬件的測量、控制能力結合在一起，實現智能儀器的數據采集、分析處理、顯示和存儲功能。Y9030D的軟件設計采用LabWindows/CVI虛擬儀器軟件開發平臺［7-8］，開發的應用程序運行在Windows操作系統上，程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Flow chart of program

儀器的顯示界面如圖7所示，分為參數設置、測量控制、數據和圖形顯示、諧波分析、斜率分析、數據保存與打印等模塊。可顯示各個濾波段的圓度值、偏心、偏心角度、最大諧波及其幅值，也可選擇需要計算的參數、濾波范圍、評定方法（最小二乘圓、最小區域圓、最小外接圓、最大內切圓）、圖形放大倍數等。

圖7 儀器顯示界面Fig.7 Interface of instrument

除主要圓度測量功能外，諧波分析可給出構成工件輪廓曲線圓度波紋度各個諧波成分的幅度數值，指導用戶改進加工工藝；斜率分析可對代表被測工件輪廓圖形的數據進行一階微分，給出被測工件輪廓曲線相對不同分析窗口的變化率。斜率分析的工程意義在于：相同的圓度波紋度值，若斜率值不同，則較大斜率值的被測工件在滾動軸承中引起的振動較大。

4 實際應用

出廠前按公司圓度儀檢驗規程對Y9030D進行了測試，主要檢驗項目見表1，由表可知，Y9030D的各項指標均符合要求。另外，經過一年多的生產現場使用，Y9030D的測量精度完全滿足用戶要求，且運行穩定可靠。

表1 出廠檢驗報告Tab.1 Factory inspection report

Y9030D屬于低速、通用型圓度測量儀，測量精度高，操作方便，應用范圍廣，目前已形成Y90xxD系列產品，可推廣應用于汽車、機床、航空航天等精密機械制造企業以及大專院校、科研院所、計量單位等研究機構。