軸承外圈滾道直徑變動量測量與分選裝置

鄭曉峰,趙傳強,李浩,應正平,陳先進

(1.浙江機電職業(yè)技術學院 智能制造學院,杭州 310053;2.浙江全世科技有限公司,杭州 310053;3.杭州海關技術中心,杭州 310053)

軸承外圈滾道加工工藝包含車削半精加工和磨削精加工,加工精度影響軸承裝配后的徑向游隙和軸向游隙,因此在相應工序完成后需測量滾道誤差[1-3]。目前,常用圓柱度儀、機械結構測量儀、三維激光掃描儀等進行軸承外圈滾道精度的測量[4]：圓柱度儀采用高精度的接觸式電感傳感器,可精確獲得測量值;機械結構測量儀操作簡單,使用方便;三維激光掃描儀可通過測量點云重構獲取完整的滾道形貌;但上述儀器均無法兼顧測量效率和測量精度[5]。因此,本文研制了一種軸承外圈滾道直徑變動量測量與分選裝置,可對車削半精加工后的外圈進行自動測量與分選。

1 測量原理

外圈滾道通常使用成形刀加工,由于刀具、夾具、加工工況(如振動)等影響,實際加工的滾道會偏離理論滾道,形成滾道直徑變動量。滾道直徑變動量(即橢圓度)會影響后續(xù)的磨削工藝,變動量過大時將導致磨具無法接觸滾道,嚴重影響磨削質量。如圖1所示,用內徑百分表在單一軸向平面內對滾道球面直徑進行若干次測量,最大值與最小值之間的差值即滾道直徑變動量。

圖1 內徑百分表測量滾道直徑變化量示意圖

如圖2所示,本文考慮自動化檢測的需求,使用三點測量法實現(xiàn)滾道直徑變動量的測量,3個測量點包含2個固定測量頭和1個可動測量頭。固定測量頭和可動測量頭的端部設計為球面,其球面半徑的公稱值為滾道溝槽理論圓弧半徑,從而使測頭端部與滾道溝槽保持線接觸。可動測量頭的一端與彈簧相連,在彈簧壓力的作用下始終具有一定的測量力。測量時,旋轉套圈一周,可動測量頭由于滾道存在的直徑變動量將發(fā)生左右移動,使用高精度電感位移傳感器測量其最大位移值和最小位移值,兩者間的差值即滾道直徑變動量。

2 機械機構設計

如圖3所示,軸承外圈滾道直徑變動量測量與分選裝置包括雙通道送料機構、雙工位夾取機構、測量機構和雙通道分選機構,可實現(xiàn)自動送料、自動夾取、自動測量、自動分選等功能。

1—送料機構;2—夾取機構;3—測量機構;4—分選機構。

2.1 雙通道送料機構

雙通道送料機構由推送氣缸、氣缸底座、斜槽、輸送通道、通道底座等組成,由2個輸送通道實現(xiàn)交替送料,如圖4所示。2個斜槽分別與振料盤連接,振料盤輸出的外圈通過斜槽滑至輸送通道。控制推送氣缸伸出行程,使外圈整體向前移動一個外圈直徑的距離,此時最前端外圈將被送至待檢區(qū),氣缸收回后,斜槽上的外圈將自動滑至輸送通道,實現(xiàn)自動送料。

1—輸送通道;2—軸承外圈;3—通道底座;4—斜槽;5—推送氣缸;6—氣缸底座。

2.2 雙工位夾取機構

雙工位夾取機構由伸縮氣缸、氣動手指、無桿氣缸、V形夾具等組成,如圖5所示。U形連接板的兩端分別與直線導軌滑臺1和2固定連接,中間與無桿氣缸滑臺相連,可在無桿氣缸的驅動下實現(xiàn)左右水平移動。伸縮氣缸固定于U形連接板上,氣動手指則由氣動手指支架支承并固定于直線導軌滑臺3上,伸縮氣缸的推桿通過氣缸連接鍵與氣動手指相連并驅動氣動手指上下直線運動。氣動手指的端部設計有V形夾具,用于夾起軸承外圈。夾取機構采用雙工位設計,當一個手指夾取外圈至測量區(qū)進行測量時,另一個手指則位于送料通道的待檢區(qū)上方,預備將待檢外圈送至測量區(qū)。雙工位夾取機構的設計大大提升了工作效率。

1—直線導軌滑臺2;2—氣缸連接鍵;3—U形連接板;4—直線導軌滑臺1;5—伸縮氣缸;6—無桿氣缸;7—氣動手指;8—氣動手指支架;9—V形夾具;10—直線導軌滑臺3。

2.3 測量機構

測量機構由電感位移傳感器、固定測量頭、可動測量頭、底座、轉盤(外層帶硅膠)等組成,如圖6所示。為保證測量精度,測量頭及附件均采用高精密五軸機床加工。測量頭端部為球面狀,可與滾道溝槽始終保持線接觸。可動測量頭固定在直線導軌滑塊上,后端安裝的彈簧使其產生一定的測量力。轉盤安裝于U形支架中間位置,在電動機的帶動下作圓周轉動。U形支架與氣缸1相連并由直線導軌滑塊導向,實現(xiàn)整體前后伸縮。氣缸2的推桿與可動測量頭的底座接觸,從而使可動測量頭回縮,方便夾取外圈。

1—可動測量爪;2—固定測量爪;3—轉盤;4—U形支架;5—氣缸1;6—直線導軌滑塊;7—電動機;8—底座;9—軸承外圈;10—電感位移傳感器;11—氣缸2。

測量機構工作時,氣缸2推出,可動測量頭回縮,氣動手指將外圈放置待檢區(qū);然后,氣缸2退回,氣缸1推出,轉盤與外圈接觸,開啟轉動電動機使外圈轉動,電感位移傳感器測量可動測量頭位移變化的最大值與最小值,兩者的差值即軸承外圈滾道直徑變動量。

2.4 雙通道分選機構

雙通道分選機構由滑槽、擋板,電磁鐵、收集箱等組成,如圖7所示。根據(jù)企業(yè)生產圖紙要求確定外圈滾道公差范圍,當被檢外圈滾道直徑變動量處于公差范圍內時判定其為合格,反之為不合格。當外圈合格時,電磁鐵保持原狀,擋板與滑槽底部貼合,外圈沿滑槽滑入收集箱1或2內。當外圈不合格時,電磁鐵得電推出,擋板擋住外圈,使其滑入收集箱3或4內。2個分選通道分別與送料通道連接在一起,實現(xiàn)雙工位工作。

1—收集箱1;2—收集箱2;3—滑槽;4—擋板;5—電磁鐵;6—收集箱3;7—收集箱4。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的架構如圖8所示,以FX三菱PLC為主控系統(tǒng),通過編制PLC程序控制伸縮氣缸、氣動滑臺、氣動手指、電磁鐵、電動機等電子元器件,可采集電感位移傳感器的數(shù)據(jù)和接近開關的狀態(tài),實現(xiàn)裝置的自動送料、自動夾取、自動測量、自動分選功能,并可與觸摸屏進行良好的人機通信。

圖8 控制系統(tǒng)架構

采用YKHMI編制的人機通信界面如圖9所示,包括設備控制區(qū)、數(shù)據(jù)采集區(qū)和數(shù)據(jù)顯示區(qū)。在設備控制區(qū),點擊啟動按鈕和停止按鈕可以開啟或關停設備,點擊數(shù)據(jù)初始化和程序初始化可以初始化采集數(shù)據(jù)和運行程序。數(shù)據(jù)采集區(qū)可以顯示當前滾道測量值并查看歷史測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示區(qū)可以顯示測量數(shù)據(jù)的趨勢圖,記錄被檢外圈數(shù)量以及外圈合格、不合格數(shù)量。

4 測量結果不確定度評估

4.1 試驗條件

對裝置的測量結果進行不確定度評估,相關試驗條件如下[6]：環(huán)境溫度(20±2)℃,相對濕度(50%～55%)RH,測量對象為通過高精度三坐標測量的標準外圈,通過同一試驗人員進行外圈滾道直徑變動量測量與分選裝置的操作。

4.2 數(shù)據(jù)采集

在上述試驗條件下,對6201軸承外圈滾道的固定位置(高精度三坐標測量儀的結果為19 μm)進行10次等精度測量,結果見表1。

4.3 數(shù)據(jù)處理

4.3.1 測量重復的標準不確定度分量U1

根據(jù)表1數(shù)據(jù),樣本平均值為

單次測量標準差為

平均值標準差為

則測量重復的標準不確定度分量為

4.3.2 測量裝置示值變化引入的標準不確定度

由表1數(shù)據(jù)可知,在進行等精度重復測量時,該裝置的最大示值Rmax=21 μm,最小示值Rmin=18 μm,則設備示值變動量R=Rmax-Rmin=3 μm。 取擴展系數(shù)kp=2(置信概率95.45%),則測量裝置示值變化引入的標準不確定度分量U2=R/kp=1.5 μm。

4.3.3 標準軸承外滾道校準結果引入的標準不確

定度分量U3

查閱高精度三坐標測量機資料可得其不確定度u3=1.9 μm,取kp=2.58(置信概率99%),其引入的標準不確定度分量U3=u3/kp=0.74 μm。

4.3.4 電感位移傳感器校準結果引入的標準不確

定度分量評定U4

查閱電感位移傳感器資料可得其不確定度u4=1.5 μm,取kp=2.58(置信概率99%),其引入的標準不確定度分量評定U4=u4/kp=0.58 μm。

4.3.5 擴展不確定度U的評定

軸承外圈滾道車削加工屬于半精加工,根據(jù)合作企業(yè)實際需求,該測量設備的不確定度滿足車削加工后的滾道直徑變動量的測量精度要求。

5 結束語

根據(jù)軸承外圈滾道直徑變動量的測量效率、結構特點及精度要求,設計了雙工位機械結構,實現(xiàn)了軸承外圈的雙通道自動送料,雙工位自動夾取以及雙通道自動分選,與現(xiàn)有測量設備相比大大提升了測量效率。裝置擴展不確定度值為5.40 μm(kp=3,置信概率99.73%),滿足軸承外圈滾道車削加工后直徑變動量的測量精度要求。

另外,以綜合檢具為基礎,高精度電感傳感器為核心的測量機構實現(xiàn)了對滾道直徑變動量的高精度測量,優(yōu)化的電氣控制系統(tǒng)架構實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,簡潔友好的人機界面增強了設備的可操作性。