一種微型軸承軸向剛度測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

摘 要：軸承剛度是高速精密軸承重要參數(shù)之一，軸承剛度的好壞直接影響到整個(gè)軸系的性能。文章介紹了一種用于微型軸承軸向剛度測(cè)量的剛度測(cè)量?jī)x，并對(duì)其測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞：微型軸承；軸向剛度；測(cè)量?jī)x器

引言

軸承剛度是高速精密軸承重要參數(shù)之一，軸承剛度的好壞直接影響到整個(gè)軸系的性能。所謂滾動(dòng)軸承的剛度是指軸承內(nèi)、外套圈產(chǎn)生單位的相對(duì)彈性位移量所需的外加負(fù)載[1]。

目前，國(guó)內(nèi)尚沒有專用于微型軸承軸向剛度測(cè)試的設(shè)備，這類產(chǎn)品的檢測(cè)單位通常制作一些較簡(jiǎn)易的裝置進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量精度和重復(fù)性都得不到保證。一些生產(chǎn)和使用單位也是通過一些陳舊的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)微型軸承剛度的檢測(cè)。例如通過向被測(cè)軸承吊砝碼來對(duì)軸承施加軸向載荷，在被測(cè)軸承內(nèi)圈端面放置千分表來顯示被測(cè)軸承軸向的變形量，最終達(dá)到檢測(cè)軸承剛度的目的。以上方法軸向載荷無法實(shí)現(xiàn)無級(jí)加載，只能通過吊砝碼測(cè)得位移變形量逐個(gè)的點(diǎn)，根本無法依照軸承的設(shè)計(jì)要求來模擬實(shí)際載荷以及無法直接取得剛度曲線，使用不便，且誤差較大、重復(fù)性不好，不適合批量生產(chǎn)。

因此，文章開發(fā)了一種專用于微型軸承的軸向剛度測(cè)量?jī)x器。

1 儀器測(cè)量原理

微型軸承軸向剛度測(cè)試儀器的測(cè)量原理如圖1所示。

將被測(cè)軸承置于剛性平面上，支撐軸承外圈并固定，使用專用的測(cè)量芯軸與軸承內(nèi)圈配合，同時(shí)通過端面對(duì)軸承內(nèi)圈進(jìn)行加載。由底部與被測(cè)軸承同軸安裝的加載氣缸加軸向力，可獲得連續(xù)可調(diào)的無極加載。加載力的大小則由連接在氣缸和測(cè)量芯軸之間的微型測(cè)力傳感器實(shí)時(shí)采集并記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。高精度的位移傳感器與測(cè)量芯軸的端面接觸，記錄被測(cè)軸承在載荷壓力下的位移變化。位移傳感器及微型測(cè)力傳感器與被測(cè)軸承位于同一軸線上，確保采集到位移和載荷數(shù)據(jù)與被測(cè)軸承的實(shí)際情況一致。測(cè)量結(jié)束后，通過計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，繪制出被測(cè)軸承的剛度曲線圖。如圖2所示為測(cè)量原理框圖：

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中，儀器臺(tái)面采用鑄鐵工作臺(tái)，其剛性要遠(yuǎn)大于被測(cè)零部件的剛性，可有效地消除環(huán)境振動(dòng)對(duì)測(cè)量造成的影響，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

如圖3所示，被測(cè)軸承置于固定的軸承座上，軸承芯軸與被測(cè)軸承配合安裝；位移傳感器置于軸承上方，測(cè)量頭與軸承芯軸端面接觸；氣缸、測(cè)力傳感器與被測(cè)軸承同軸安裝，通過拉繩與軸承芯軸末端連接。測(cè)量過程中，氣缸給被測(cè)軸承施加向下的軸向拉力，加載壓力通過測(cè)力傳感器實(shí)時(shí)獲取；位移傳感器與軸承芯軸端面接觸，記錄下被測(cè)軸承在受力過程中內(nèi)圈變形量的大小。

進(jìn)行軸承剛度測(cè)量時(shí)，為獲取連續(xù)的剛度曲線，要實(shí)現(xiàn)對(duì)微型軸承施加連續(xù)變化的軸向載荷，因此，本設(shè)計(jì)選用氣缸加載方式，設(shè)備選用德國(guó)FESTO緊湊型雙作用氣缸。通過精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)供給氣缸的壓強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化的軸向載荷，選用高精度微型拉壓兩用測(cè)力傳感器來實(shí)時(shí)獲取加載壓力。

根據(jù)阿貝原則[2]，把微型拉壓兩用測(cè)力傳感器連接在氣缸活塞頂部，使加載氣缸、微型高精度測(cè)力傳感器、被測(cè)軸承、軸向位移傳感器位處于同一條直線上，直接測(cè)量汽缸產(chǎn)生的拉力。采用這種結(jié)構(gòu)可保證測(cè)力傳感器所測(cè)得的力即為施加在被測(cè)軸承上的力，消除其他間接環(huán)節(jié)的影響，測(cè)力直接可靠。

氣缸活塞的上下動(dòng)作通過電磁閥控制，并使用精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)汽缸活塞內(nèi)的氣體壓強(qiáng)，從而改變軸向力的大小，實(shí)現(xiàn)軸向載荷從100g至10000g的連續(xù)可調(diào)。為了保證汽缸動(dòng)作的平穩(wěn)性，通過單向節(jié)流閥控制汽缸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作速度，保證測(cè)量過程中平穩(wěn)，無沖擊。

3 電氣及軟件設(shè)計(jì)

3.1 位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

位移測(cè)量系統(tǒng)包括位移傳感器和配套的測(cè)量電路。在對(duì)微型軸承進(jìn)行剛度測(cè)量時(shí)，加載過程3，中軸向變形量小，且對(duì)位移傳感器的分辨率要求較高。儀器選用的某進(jìn)口品牌的高精度軸向位移傳感器其分辨率和重復(fù)性可達(dá)到0.01μm。

測(cè)量電路包括電感式傳感器前置電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，作用是將傳感器感應(yīng)的被測(cè)工件的位移信號(hào)等比例的轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別處理的數(shù)字信號(hào)。其原理框圖如圖4所示。

3.2 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

本儀器的測(cè)量軟件采用基于Windows操作平臺(tái)下的LabWindows/CVI開發(fā)軟件進(jìn)行編制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。該軟件具有菜單提示、人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單、可擴(kuò)充性好等特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)位移和壓力數(shù)據(jù)采集分析，選用了ADLink公司生產(chǎn)的PCI9111多功能數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)對(duì)位移傳感器和壓力傳感器的輸出數(shù)字采樣。

計(jì)算機(jī)通過PCI9111多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)位移測(cè)量系統(tǒng)和壓力測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5。

4 測(cè)量方法

在開始測(cè)量之前，先把被測(cè)軸承通過芯軸固定在軸承座上，使用加載連接件將微型測(cè)力傳感器固定在氣缸上，然后把拉鉤安裝到微型測(cè)力傳感器的連接螺紋上，接著將拉繩和軸承芯軸末端連接。

通過控制電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸產(chǎn)生向下的拉力，減壓閥、單向節(jié)流閥確保動(dòng)作過程平穩(wěn)可靠，通過調(diào)節(jié)精密調(diào)壓閥控制氣缸所產(chǎn)生的預(yù)定的拉力下限，此時(shí)可調(diào)整位移測(cè)試裝置調(diào)節(jié)位移傳感器，使位移傳感器接觸在軸承芯軸上，調(diào)節(jié)精密調(diào)壓閥控制氣缸所產(chǎn)生的預(yù)定的拉力上限，相對(duì)位移傳感器也會(huì)記錄下位移的變化量并傳輸?shù)诫娔X顯示和記錄。完成上述動(dòng)作后，操作電腦專用測(cè)量軟件，即可得到此被測(cè)軸承的剛度曲線圖。

5 結(jié)束語

文章所介紹的微型軸承軸向剛度測(cè)量?jī)x具有以下積極效果：（1）使用本測(cè)量?jī)x器，可以準(zhǔn)確地控制軸向力載荷，實(shí)現(xiàn)無級(jí)加載。實(shí)時(shí)顯示拉力傳感器和位移傳感器的變化關(guān)系，自動(dòng)生成剛度曲線圖；（2）安裝、使用方便，生產(chǎn)一致性好，便于質(zhì)量控制，適合批量化生產(chǎn)；（3）通過本測(cè)量?jī)x器的測(cè)試，可分析軸承剛度性能的影響因素提供可靠的檢測(cè)分析數(shù)據(jù)，依此改進(jìn)軸承設(shè)計(jì)參數(shù)、改進(jìn)加工工藝等軸承剛度的影響因素，從而提高軸承質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]王剛，郭茂林.航天航空滾動(dòng)軸承剛度[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，33（5）：644-645.

[2]王培強(qiáng).阿貝原則在幾何量測(cè)量中的應(yīng)用[J].中國(guó)計(jì)量，2013（7）：108-109.

作者簡(jiǎn)介：孔志營(yíng)（1987，10-），男，碩士，助理工程師，主要研究方向：軸承檢測(cè)儀器和精密零部件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。