非接觸測量式圓柱滾子自動(dòng)分選機(jī)

王連吉，鄒國偉，李興林，王續(xù)躍

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，杭州 310022)

軸承是機(jī)械工程領(lǐng)域最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)元件之一[1]。為了保持軸承精度，必須用合適的滾動(dòng)體與套圈配套，當(dāng)滾子和內(nèi)、外圈的加工精度確定的情況下，合理的選配就顯得格外重要[2-3]。

據(jù)相關(guān)資料表明，目前圓柱滾子分選方式主要有2種，一種為人工分選，所用的工具為千分表,其測量精度為±0.001 mm[4]，人工分選效率一般在45～55個(gè)/min，能夠滿足測量的要求，但效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大；另一種是采用分選機(jī)分選。國內(nèi)、外軸承圓柱滾子分選機(jī)已有多種，但僅限于分選直徑小于20 mm和長度小于40 mm的普通滾子。國內(nèi)從20世紀(jì)70年代就已開始進(jìn)行滾子分選機(jī)的研發(fā)[5-7]，目前所研制的大部分分選機(jī)幾乎采用的都是接觸式的測量方式[8]，在測量過程中一定程度上會(huì)造成滾子表面劃傷并且影響接觸頭的壽命；同時(shí)，分選機(jī)的測量直徑范圍受到一定的限制。

因此，采用新式激光非接觸式測量就凸顯出其優(yōu)越性。激光測量的關(guān)鍵是對(duì)測量過程中可能出現(xiàn)誤差的原因及種類進(jìn)行有效地分析，更好地發(fā)揮激光測量的優(yōu)越性。對(duì)激光測量過程中誤差的分析主要有以下幾個(gè)方面：激光波長漂移誤差，空氣折射率變化引起的誤差，被測物體膨脹引起的誤差，阿貝誤差等[9-11]。同時(shí)也要根據(jù)不同測量系統(tǒng)的實(shí)際情況，區(qū)分主要誤差和次要誤差，對(duì)主要誤差進(jìn)行分析，避免其產(chǎn)生；控制次要誤差，防止其轉(zhuǎn)化為主要誤差。

在此立足于實(shí)際情況，結(jié)合所研制的滾子分選機(jī)，提出一種新分選方法，介紹了該分選機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和測量原理，并對(duì)測量過程中可能出現(xiàn)的誤差以及控制誤差產(chǎn)生的方案進(jìn)行詳盡的分析。

1 分選機(jī)結(jié)構(gòu)及工作過程

該分選機(jī)采用激光非接觸的測量方式并結(jié)合PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。分選機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由4部分組成，分別是送料、測量、滾子傳送以及落料。

1—汽缸；2—5#斜面；3—激光傳感器；4—V形活動(dòng)塊；5—傳送帶；6—提升汽缸；7—盛料斗

1.1 送料

送料部分主要由一個(gè)傾角為5°的斜面擺放待測工件，在斜面的下端有一個(gè)150°的V形定位塊與之相連，擺放在斜面上的滾子在自身重力及后排滾子推力的合力作用下落到V形定位塊上，此時(shí)汽缸向前推動(dòng)、送料，同時(shí)汽缸伸出桿阻擋住下一個(gè)落下的滾子，直至汽缸桿完全收縮時(shí)下一個(gè)滾子才會(huì)再次落到V形塊中。汽缸在此過程中不僅起到了送料的作用，同時(shí)也充當(dāng)阻料器，使送料部分簡單實(shí)用。

1.2 測量

測量部分主要是傳感器和V形定位塊，在位于傳感器之間的V形塊部分銑出一道矩形缺口，目的是使傳感器接收端能夠完全接收發(fā)射端的光線，當(dāng)待測零件透過時(shí)就能夠獲得要測量的滾子直徑的數(shù)值，傳感器信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行放大處理，將結(jié)果發(fā)送到PLC控制器中，以供分選時(shí)控制氣閥的開啟和汽缸的動(dòng)作。

1.3 滾子傳送

滾子傳送靠分料器和傳送鏈之間協(xié)調(diào)動(dòng)作共同實(shí)現(xiàn)。

送料汽缸的動(dòng)作時(shí)間為

T1=T(伸出)+T(收縮)=0.3+0.2=0.5 s;

則測量一個(gè)滾子將花費(fèi)的平均時(shí)間為

T=T1+T2=0.5 s+T2，

式中：T2為走行一個(gè)工位所花費(fèi)的時(shí)間。每分選一個(gè)滾子的時(shí)間主要由走行一個(gè)工位所花費(fèi)的時(shí)間所決定，由于傳送鏈速度的限制，不能使一個(gè)工位所走行的時(shí)間少于0.5 s,送料汽缸此時(shí)會(huì)處于停頓狀態(tài)，因此采用增加一套傳送鏈的方式以提高分選機(jī)的工作速率。

測量后的滾子會(huì)落入一個(gè)由汽缸控制的分料板(分料板傾斜的方向決定滾子的走向)，然后落入鉸接于頂板鏈上的V形塊上， V形定位塊的一側(cè)下方有配重塊，會(huì)有傾斜的趨勢(shì)，為防止?jié)L子的脫落，采用一條貫穿于整個(gè)傳送鏈上的托板，使V形塊能夠順利進(jìn)行動(dòng)作。

1.4 落料

落料部分是整個(gè)分選裝置的核心之一。

當(dāng)盛有測量完畢滾子的V形活動(dòng)塊移動(dòng)至指定落料位置時(shí)，PLC控制氣閥開啟，位于V形活動(dòng)塊下方的氣管會(huì)有高壓氣體噴出，產(chǎn)生的氣流作用于V形塊一側(cè)，使其發(fā)生翻轉(zhuǎn)，滾子則落入漏斗并沿著彎管進(jìn)入盛料斗中。采用的彎管由兩部分組成，上段為塑料管，下段為皮質(zhì)管，目的是對(duì)落下的滾子產(chǎn)生緩沖作用，避免測量完畢的滾子再次產(chǎn)生磕碰。為了防止落入料盒中的滾子產(chǎn)生堆積，滾子落下后PLC將控制與皮管相連的汽缸收縮，從而帶動(dòng)皮管中滾子脫落。與此同時(shí)，V形活動(dòng)塊不用恢復(fù)到平衡狀態(tài)就可以繼續(xù)向前移動(dòng)，從而節(jié)省分選時(shí)間。

2 測量原理

激光用于測量系統(tǒng)時(shí)，具有不接觸、精度高、速度快、靈敏度好及不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于生產(chǎn)線或設(shè)備維修都具有極大的應(yīng)用潛力[12]。

如圖2所示，激光傳感器主要由2部分組成，圖示左側(cè)為激光發(fā)射端，右側(cè)為接收端，發(fā)射端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)截面狀的光源向前傳遞，接收端能夠檢測到所發(fā)射的激光值，這樣就在兩者之間形成了一面測量區(qū)域。從圖中可見，V形定位塊在激光通過的部分銑出缺口以便光線能夠完全無阻礙通過，當(dāng)待測工件從中穿過時(shí)，被測零件會(huì)在一瞬間阻擋住接收端接收到激光的值，此時(shí)接收端通過前、后的差值可計(jì)算出被測滾子的直徑值。傳感器內(nèi)部裝有專用數(shù)字指令控制器的異常值去除過濾器，可以高精度地除去附著在工件上的水滴、灰塵及劃傷等異常數(shù)值。

采用激光傳感器進(jìn)行測量，是一種測量裝置和待測工件之間進(jìn)行非接觸式的測量方法。在滿足測量精度的同時(shí)，其更能夠避免傳感器測頭與工件之間接觸而產(chǎn)生的磨損和測量誤差的產(chǎn)生；另外，激光傳感器每秒鐘的掃描次數(shù)都能達(dá)到千次以上，相應(yīng)時(shí)間極短，消除了其對(duì)測量效率的影響。該分選機(jī)采用日本進(jìn)口的激光透過式傳感器,最小顯示值為0.01 μm，重復(fù)精度為0.13 μm，完全能夠滿足滾子分選時(shí)2 μm為一組的分組要求。

圖2 激光傳感器測量原理示意圖

3 測量誤差分析及解決方案

為了能夠使高精度測量儀器發(fā)揮其測量準(zhǔn)確、減少誤差的作用，需對(duì)測量過程中可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析，找出誤差出現(xiàn)的來源，計(jì)算其對(duì)測量結(jié)果的影響，并提出解決方案。

3.1 單側(cè)雜質(zhì)產(chǎn)生的測量誤差

如圖3所示，如果在V形定位塊中的某側(cè)出現(xiàn)多個(gè)直徑為k的雜質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致滾子整體向另一側(cè)移動(dòng)L的距離，測量后的結(jié)果將為d1=d?？梢?，這樣的干擾不會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖3 單側(cè)雜質(zhì)產(chǎn)生測量誤差示意圖

3.2 圓度產(chǎn)生的測量誤差

如圖4所示，如果出現(xiàn)滾子的圓度不滿足加工要求，就會(huì)導(dǎo)致測量后的值產(chǎn)生偏差，對(duì)測量結(jié)果不利。為了滿足測量要求，必須有

|d1-d|<2 μm;|d2-d|<2 μm,

式中：d1，d2分別為由于滾子圓度不同的截面測量尺寸；d為滾子理想尺寸。

圖4 圓度產(chǎn)生測量誤差示意圖

因此，為了避免由于滾子圓度不同而對(duì)滾子分選產(chǎn)生影響，應(yīng)將滾子圓度誤差控制在1 μm內(nèi)。針對(duì)此類問題，采取的解決方法主要有：(1)在加工過程中進(jìn)行控制，保證滾子加工精度；(2)在測量過程中，利用傳感器掃描次數(shù)多的特點(diǎn)，對(duì)滾子在一次測量過程中進(jìn)行多次測量，取測量結(jié)果平均值，使測量結(jié)果接近真實(shí)值，避免由于測量方式不合理而對(duì)滾子分選產(chǎn)生影響。

3.3 雜質(zhì)導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的測量誤差

如圖5所示，如果在滾子的端部出現(xiàn)直徑為K的雜質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生一定角度(定義為δ)的傾斜，則有下面關(guān)系

G/W=T/K,

式中：G為滾子直徑；W為滾子長度；T為△ACD的一個(gè)直角邊。

圖5 雜質(zhì)導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的測量誤差示意圖

在正常測量環(huán)境工況下，本設(shè)備應(yīng)用的滾子范圍為

8≤G≤30;10≤W≤30(mm)；允許存在的雜質(zhì)的大小K≤0.05 mm。

所以，當(dāng)K=0.05 mm 時(shí)，T=0.05G/W;

即，0.013≤T≤0.15。

從△ABC可知：P=Tsinδ,P為雜質(zhì)所引起的測量偏差值;當(dāng)K≤0.05時(shí)，δ≤0.29°，即sinδ≤0.005；從而0.000 06≤P≤0.000 8。從圖5中可見

Q-G≈P。

因此，限定測量環(huán)境中的最大雜質(zhì)不超過0.05 mm時(shí)，所引起的測量誤差將不會(huì)影響到真實(shí)的測量結(jié)果，對(duì)滾子分組不會(huì)造成影響。

3.4 圓柱度產(chǎn)生的測量誤差

如圖6所示，如果加工后的滾子出現(xiàn)圓柱度不夠理想，會(huì)導(dǎo)致在測量部位滾子的直徑與實(shí)際值有所區(qū)別，因此對(duì)其進(jìn)行了簡化設(shè)計(jì)，以計(jì)算其對(duì)測量值的影響。

圖6 圓柱度產(chǎn)生測量誤差示意圖

如滾子的錐度為θ，那么滾子的任意截面尺寸V滿足下面關(guān)系

V=D-2X，

式中:X為測量截面理想尺寸與實(shí)際截面尺寸的差值。

由于θ≈tanθ≈sinθ(θ→0°)，

則X/L=tanθ/2≈θ/2，

式中：L為測量截面到大端面的距離；

X=Lθ/2;

V=D-Lθ。

可見，當(dāng)滾子的圓柱度不滿足要求而產(chǎn)生的錐度較大時(shí)，可能引起測量誤差的產(chǎn)生。這類誤差是機(jī)床加工過程中產(chǎn)生的，應(yīng)在加工以及測量過程中進(jìn)行控制和改善。

從以上分析可知，產(chǎn)生的誤差將不會(huì)對(duì)測量方式的有效性產(chǎn)生影響，因此，采用該測量方式不僅簡便、準(zhǔn)確，而且可以提高分選效率及準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

(1)采用激光傳感器的滾子測量新方法，不同于傳統(tǒng)接觸式測量的方法，減少了測量過程中對(duì)滾子和測頭的磨損，保證測量的精度要求，為以后分選機(jī)的研制提出了新的方法和思路。

(2)通過對(duì)測量過程中出現(xiàn)的誤差分析，找出主要誤差和次要誤差，對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響的因素加以控制和約束，避免其對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響，使測量結(jié)果接近真實(shí)值。

(3)落料過程中采用皮管對(duì)滾子進(jìn)行緩沖，減少了滾子的磕碰。

(4)采用雙排傳送鏈下料的方式，分選效率顯著提高，可達(dá)120～150個(gè)/min，用機(jī)選代替人選不僅滿足了生產(chǎn)的需要，還可以節(jié)約大量勞動(dòng)力，降低勞動(dòng)成本，以及分選過程中錯(cuò)選及漏選現(xiàn)象的發(fā)生。