圓錐滾子軸承內組件收口質量數字化在線檢測儀

王啟東，陳於學，楊曙年

(華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074)

1 檢測原理

為了能夠找到一個參數來檢測內組件的收口質量，前期進行了大量試驗。分別選取1個壓合軸承內組件和1個未壓合軸承內組件，固定內組件的保持架不動，推動內圈徑向移動，并將徑向游隙值通過百分表檢測出來。結果發現兩者的徑向游隙差別很大。如圖1所示，X1為收口質量合格的徑向游隙測量平均值，X2為收口質量不合格的徑向游隙測量平均值，兩者徑向游隙分布差距顯著，且沒有重疊。由于生產線上軸承內組件收口質量不合格，大多為未壓合或壓合過松，故可以在X1和X2間選取一個閾值，判定內組件收口質量是否合格，即采用測量內組件徑向游隙的方法來檢測內組件的收口質量。

圖1 徑向游隙差異示意圖

內組件收口質量檢測原理如圖2所示。保持架壓套固定保持架不動，芯軸插入內圈中，為了保證芯軸與內圈一起僅沿徑向方向直線移動，將芯軸固定在直線導軌上，通過測量氣缸的作用帶動芯軸在徑向移動。芯軸被測量氣缸拉至最左端時傳感器的示值為D1，被推至最右端時傳感器的示值為D2,則內組件的收口質量即徑向游隙X=D2-D1。

圖2 檢測原理示意圖

2 檢測儀結構

圓錐滾子軸承內組件收口質量檢測儀由機械部分和控制系統組成。機械部分實現檢測的定位與測量；控制系統由PLC實現檢測的全部動作控制，工控機實現測量信號的采集及處理。

2.1 機械部分

機械結構示意圖如圖3所示。主氣缸帶動導桿套板通過主氣缸直線導軌沿垂直方向移動，L形板固定在導桿套板上，T形板通過芯軸軸向直線導軌與L形板連接并沿垂直方向移動，測量板與芯軸連接，芯軸徑向直線導軌固定在T形板右端下面，導軌滑塊與測量板連接，測量板與芯軸通過芯軸徑向直線導軌沿徑向移動，實現芯軸的徑向移動；整體又與T形板連接，實現芯軸的軸向移動。其工作過程如下。

1—平臺；2—主氣缸直線導軌；3—測量氣缸；4—測量氣缸連接件；5—導桿套板；6—主氣缸連接件；7—主氣缸導板；8—主氣缸；9—系統支架；10—L形板；11—芯軸軸向直線導軌；12—T形板；13—測量板；14—傳感器固定裝置；15—限位塊；16—傳感器；17—芯軸徑向直線導軌；18—限位氣缸；19—芯軸；20—保持架壓套；21—內組件；22—工作臺

(1)初始狀態：限位氣缸與測量氣缸伸出，芯軸固定在圖示中心線上，主氣缸縮回，芯軸與內組件脫離。

(2)定位過程：主氣缸作用將導桿套板及固定在導桿套板上的部件向下移動，當芯軸伸至內圈并與內圈接觸時，由于芯軸固定不動，所以內組件即使不在圖示中心線位置，芯軸也能將內組件移動至中心線位置，從而達到定位目的。

(3)測量過程：限位氣缸不再限位，測量氣缸作用，帶動芯軸移動至內圈最右端，傳感器得到一個測量值D2；測量氣缸復位，帶動芯軸移動至內圈最左端，傳感器得到另一個測量值D1。

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(4)采樣過程：測量完成后，PLC向工控機發送啟動采樣信號，數據采集卡隨后開始進行采樣，1 s后采樣結束并進行分析處理。

(5)復位過程：測量結束后，限位氣缸、測量氣缸及主氣缸均復位，裝置回到初始狀態。

檢測直徑在一定范圍內的不同型號軸承的收口質量，只需更換相應尺寸的芯軸和保持架壓套即可。

2.2 控制系統

2.2.1 硬件

控制系統硬件結構框圖如圖4所示，主要由動作控制系統和數據測量系統兩部分組成。

圖4 檢測儀控制系統硬件結構

(1)動作控制系統：PLC輸入端口接收磁性開關傳送來的信號，在經過內部程序運算后，經PLC輸出端口輸出，分別驅動電磁閥動作，從而控制主氣缸、限位氣缸、測量氣缸的運行狀態，最終控制檢測儀各機構的運行[3]。

(2)數據測量系統：電感傳感器與測量點相接觸，測量點的位移量被傳感器轉換為相應的電量并輸出與位移量成正比的電壓信號，該電壓信號由數據采集卡轉換為數字信號傳送給工控機；最后通過工控機中的數據處理軟件對數據進行分析、處理、存儲和顯示[4]。

2.2.2 軟件

系統軟件主要包括基于PLC完成的動作控制軟件和基于工控機完成的數據采集及處理的測量軟件兩部分。

(1)PLC動作控制軟件。根據機械部分的設計以及裝置所處的初始狀態，設定PLC控制檢測儀的動作，其控制流程圖如圖5所示。選擇“手動調整”時，可以調整各運動部件的狀態；選擇“自動方式”時，依照圖示順序依次完成相應動作。

圖5 PLC控制流程圖

(2)工控機測量軟件。采用虛擬儀器技術，基于LabVIEW開發完成[5]，實現數據采集以及數據后續變換處理、顯示、存儲等功能，其工作流程圖如圖6所示。

圖6 測量系統流程圖

采用中值濾波的方法對采樣數據進行處理，這種方法對變化緩慢的被測參數有較好的濾波效果，并且可消除由偶然出現的脈沖性干擾所引起的采樣值偏差。中值濾波子程序圖如圖7所示。

圖7 中值濾波子程序

按照節拍要求進行數據采集，數據采集程序如圖8所示。

圖8 數據采集程序

內組件徑向游隙采樣值經過中值濾波后再進行修正，最后乘上放大倍率得到最終的散套采樣值，即內組件徑向游隙值，數據處理程序如圖9所示。

圖9 數據處理程序

3 試驗結果與誤差分析

采用用戶提供的一套收口質量合格的518445圓錐滾子軸承和一套未壓合，即收口質量不合格的518445軸承分別進行20次重復測量試驗。試驗結果見表1和表2。

表1 已壓合518445軸承測量結果 μm

表2 未壓合518445軸承測量結果 μm

由表1數據可得，壓合軸承徑向游隙的算術平均值為

單次測量的標準差為

取顯著度α=0.1，單次測量的極限誤差δlim=±tασ=±1.73×2.26≈±3.9 μm。

由分析可知，系統測量精度在±10 μm之內，滿足用戶對該測量儀精度的要求，能夠很好地檢測軸承內組件的收口質量是否合格。

4 結束語

圓錐滾子軸承內組件在線檢測儀采用了虛擬儀器技術，從以前的定性、手動檢測發展到現在的定量、全自動數字化檢測，測量精度為±10 μm，節拍為15 s/套。目前該系統已用于軸承自動裝配生產線，完成收口質量的在線檢測并根據檢測結果進行合格與否分選，運行穩定且效果良好。