軸承徑向游隙自動測量裝置的設計與精度分析*

薛瑋珠

(浙江機電職業技術學院 機械技術系，浙江 杭州 310053)

0 引 言

軸承常用于支撐機械旋轉體，減少運動摩擦系數，保證機械設備的回轉精度和使用壽命[1-2]。影響軸承精度的主要參數有：旋轉精度、軸向游隙、徑向游隙等。其中，徑向游隙對軸承疲勞壽命、旋轉精度、溫升、噪聲以及振動的影響比較顯著，是軸承重要檢測項目之一[3-4]。

目前，軸承徑向游隙的檢測方法有：人工手動檢測法和在線自動測量法。人工手動檢測法有：塞尺法、打表法、軸承徑向游隙檢測專用儀法等，這些方法測量效率低、精度低[5-6]。在線自動測量法能實現線上實時檢測，但其成本高，且抽樣檢測部分仍以人工檢測為主[7-8]。

為了解決上述問題，本研究將研制一種徑向游隙自動測量裝置。

1 裝置設計介紹

軸承徑向游隙自動測量裝置包括：送料機構、夾緊機構、施力機構、分選機構及檢測系統，可實現軸承的自動送料、自動定位、自動夾緊、自動檢測與自動分選。

該裝置的模型如圖1所示。

圖1 裝置模型1-送料機構；2-夾緊機構；3-施力機構；4-分選機構；5-檢測系統

1.1 送料機構

送料機構由步進電機、軸承存儲盒、彈性擋片、曲柄滑塊機構和定位槽組成，其執行過程為：

步進電機正轉，曲柄推動滑塊前行，待檢軸承被推入定位槽中，實現自動定位，此時，彈性擋片將定位槽中的待檢軸承與后面的軸承隔離；步進電機反轉，曲柄控制滑塊后行，當滑塊離開軸承儲存盒下端的口子時，軸承存儲盒中的軸承借助重力作用順勢掉下，開始下一輪的送料過程。

整個送料機構如圖2所示。

圖2 送料機構1-步進電機；2-軸承存儲盒；3-曲柄滑塊機構；4-定位槽；5-彈性擋片

1.2 夾緊機構

夾緊機構主要由正反牙絲桿、傳動齒輪、電機、導軌滑塊等組成，其執行過程為：

電機驅動齒輪，齒輪帶動正反牙絲桿旋轉，使得導軌滑塊相向而行，帶動兩夾頭迅速靠近，將軸承內圈夾緊；由于夾頭軸線位置較待檢測軸承中心線偏高，在夾緊內圈的同時，抬升了軸承，使其離開定位槽而懸空；待測量完成后，齒輪反向旋轉，帶動正、反牙絲桿旋轉使得導軌滑塊相背向而行，使兩夾頭迅速分離歸位。

夾緊機構如圖3所示。

圖3 夾緊機構1-正反牙絲桿；2-傳動齒輪；3-導軌滑塊；4-夾頭5-電機

1.3 施力機構

施力機構主要由硅膠輪、推桿、步進電機、電磁鐵組成，其執行過程為：

夾緊機構固定內圈后，步進電機控制電磁鐵驅動推桿向上運動，產生一個向上的徑向力，使軸承外圈上移至極限位置；當電磁鐵推桿向下運動時，在軸承重力的作用下，外圈即可產生向下的極限位移；施力機構同時設置有硅膠轉輪，當一個徑向位置測量完成時，轉動硅膠轉輪，使軸承外圈轉過一個角度，以便進行下一個徑向位置的測量。

施力機構如圖4所示。

圖4 施力機構1-硅膠輪；2-推桿；3-步進電機；4-電磁鐵

1.4 分選機構

分選機構的功能是根據測量數據，按軸承徑向游隙的大小進行分組，并將軸承運送至相應的游隙區存儲。

分選機構如圖5所示。

圖5 分選機構1-齒輪齒條機構；2-存儲區；3-直線導軌

1.5 檢測系統

該裝置選用德國米銥型號為optoNCDT1401的超高精度激光傳感器(其重復精度為±0.3 μm，分辨率為±0.1 μm)，其徑向游隙測量原理，如圖6所示。

圖6 激光位移傳感器游隙測量原理1-激光位移傳感器；2-軸承外圈；3-軸承內圈

圖6中，進行游隙測量時，軸承內圈已被夾緊機構夾頭夾緊而位置固定；當施力機構上頂時，記錄下軸承外圈頂點至激光傳感器的位置S1；當施力機構收回時，記錄下軸承外圈頂點至激光傳感器的位置S2；該徑向軸承游隙S為S=S2-S1；然后轉動硅膠轉輪，使軸承旋轉大約120°。

重復以上步驟，總共測量3次，最后以平均值作為該軸承的徑向游隙值。

2 測量不確定度測試與分析

2.1 測試條件

裝置的測量不確定度測試條件設定為：

(1)測試環境：溫度20.0 ℃，相對濕度52.2%RH；

(2)測試載體：6208標準軸承。

2.2 數據采集

在測試環境基本相同，且測試人員不變的情況下，筆者對同一徑向的6208型標準軸承徑向游隙進行36次測量，所得測量數據如表1所示。

表1 測量數據

2.3 數據處理

該徑向游隙自動測量裝置的擴展不確定度u主要受到幾個因素的影響，現分述如下。

2.3.1 由示值變動性引起的不確定度分量u1

u1主要包括儀器示值變動性不確定度uL1和測量重復性引起的標準不確定度uL2。

(1)uL1值計算

如表1所示，儀器示值變動量R=Max-Min=18.5-13.5=5 μm，參照測厚表校準規范JJF1255-2010，則uL1為：

(1)

式中：uL1—儀器示值變動性；R—儀器示值變動量；C—擴展系數。

(2)uL2值計算

根據表1數據，先計算測量列平均值：

(2)

再計算單次測量標準差：

(3)

則uL2為：

(4)

式中：uL2—平均值標準差；s(Li)—單次測量標準差；n—測量次數。

(3)u1值計算

(5)

2.3.2 激光位移傳感器精度引起的不確定分量u2

(6)

2.3.3 由儀器與軸承間溫差引入的不確定度分量u3

儀器與軸承間存在的溫度差以等概率落在±1 ℃范圍內，則有：

(7)

2.3.4 標準不確定度uc

(8)

2.3.5 評定擴展不確定度U

當置信概率為95.45%時，取kp=2，則有：

U=kp×uc=2×3.16=6.32 μm

(9)

式中：U—評定擴展不確定度；kp—擴展系數。

3 比對測量及分析

本文用分辨率為0.01 μm，最大允許誤差為(0.15+L/600) μm的Mahr測長儀，與該裝置進行比對測量。測量條件設定為：

(1)環境條件：溫度20.0 ℃，相對濕度 52.2%RH；(2)測量對象：6208標準軸承，為驗證該裝置的測試精度，預先標記好25個被測位置。

采用上述兩種測量儀器測得的軸承徑向游隙結果如表2所示。

表2 兩種儀器測量比較值

根據表2計算可得：相對超高精度Mahr測長儀，徑向游隙自動測量裝置的最大偏差絕對值為:δ=|12.9-15.6|=2.7 μm。由此可見，該裝置可以滿足軸承徑向游隙的檢測精度要求。

4 結束語

針對目前軸承徑向游隙檢測過程中存在的問題，本研究研制了一種新型的徑向游隙自動測量裝置；通過測量不確定分析結果顯示，裝置的測量不確定為6.32 μm(置信概率為95.45%)，與超高精度Mahr測長儀比較測量結果顯示，兩者的最大偏差絕對值2.7 μm，滿足測量的精度要求。

該裝置可實現軸承的自動送料、自動定位、自動夾緊、自動檢測與自動分選，實現線下軸承徑向游隙快速而準確的檢測。