精密軸承鋼球圓度測量誤差分離技術研究

王自力

摘要：圓度誤差實際上屬于滾動軸承表面工作重要質量指標，會在一定程度上影響軸承的動態性能和工作精度。為了可以有效地提高整體質量，需要適當控制設計和測量的精度和圓度。基于此，文章研究了精密軸承鋼球圓度測量誤差分離技術。

關鍵詞：精密軸承；鋼球圓度測量；誤差分離技術；滾動軸承；動態性能；工作精度 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH711 文章編號：1009-2374（2016）01-0017-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.009

現階段，石油化工、精密機床、航空航天、軍事國防等領域已經廣泛應用精密軸承，滾動軸承的關鍵部件就是鋼球，測量誤差與一致性會在很大程度上影響精密軸承的使用壽命和運動精度，促進測量誤差分離技術的發展，提高軸承精度。

1 基本概述

實際測量鋼球球形誤差的時候需要使用圓度儀，合理的測量球體中三個相互成90°平面赤道圓度誤差，在進行測量的時候需要在圓度儀主軸上放置鋼球，需要隨著主軸進行相應的旋轉，利用測出的球體最小和最大半徑來測量出截面實際圓度誤差。但是在使用這種方式進行測量的時候，已經具有納米級的圓度儀精度，主軸旋轉精度在±25m，處于相同數量級的精度，因此，使得主軸回轉誤差會在一定程度上影響精密軸承鋼球測量精度，所以需要利用圓度儀分離技術來盡可能降低誤差。利用這種誤差分離技術來測量精密鋼球圓度誤差的主要思路實際上就是，被測球體輪廓具有不變的特征，在處理傳感器輸出信號的時候需要利用數學算法，最后分離各種信號，以便于能夠得到實際需要的測量誤差。依據不同回轉對象和傳感器數目，可以把測量圓度分析技術分為多點法和多步法。多步法主要就是應用傳感器，需要最大限度降低諧波以及提高轉位次數。多點法主要就是利用多傳感器來測量工件，處理多組采樣數據，以此來合理分離回轉主軸回轉，比較適合運用在線測量的方式。最基本的多點法就是三點法，可以利用改變輸出信號和增減傳感器數量的方式等衍生出四點法、三點法、直徑變動以及混合法的分離技術。

2 三點法的特點以及演化形式

2.1 三點法

三點法基本原理如圖1所示。三點法不但能夠分離圓度儀主軸回轉運動誤差和鋼球圓度形狀誤差，還可以進行在線測量。但是此方法仍是存在相應問題和不足，如果出現一定的諧波抑制問題，就會導致沒有辦法分離圓度誤差，所以在使用這種方式時，需要充分分析各種諧波系數、靈敏度以及安裝傳感器角度，選擇適當的權函數。依據測量輪廓具有周期性和不變的幾何特征，需要合理修改三點法，形成相應的矩陣算法。使用這種方式進行測量的方式，不需變換傳感器輸出信號，直接構建并且需要得到權函數系數，就可以分離出鋼球赤道截面和主軸回轉誤差最小二乘圓心偏心誤差。

圖1 三點法原理

2.2 序列三點法

序列三點法主要就是順序排列三個傳感器，并且具有相等的兩兩安裝夾角，當已經知道其中兩個輸出采樣點數值的時候，需要進行一定的迭代，從而形成新的計算方式。利用序列三點法測量圓度誤差的時候，需要保證具有相同的安裝傳感器角度和采樣點間隔，不然就不能進行有效大量的數據采集，且會適當限制采集圓度輪廓信號。

2.3 平行三點法

傳統三點測量方式需要依據相應角度來合理布置傳感器環繞鋼球的位置，不但要保證安裝傳感器角度的精度，還要保證各種傳感器方向指向赤道圓心，從而在一定程度上提高操作難度。因此，經過分析和改進，研制出了平行三點法，需要平行布置三個傳感器，利用平行軸和回轉臺直線基準定位尺寸，可以適當提高測試的實用性和靈活性。測量設備傳感器初始調零誤差、標定誤差、結構參數以及傳感器隨機誤差會在很大程度上影響分離技術的實際精度。利用這種方式測量誤差的時候，只有把因為傳感器間距誤差導致角度變化合理控制在0.1°范圍內，才能降低分離精度間距誤差。此外，為了保證具有比較高的分離形狀誤差，需要最大限度增加和諧波分量噪音比。

2.4 動態三點誤差

依據被測圓截面和傳感器運動誤差關系，經過大量研究和分析，提出動態測量模型法分離技術誤差方式。在使用這種方式測量圓度誤差的過程中，測量基準就是需要在鋼球界面標記磁性金屬標記，依據此來確定角度值和周期采樣點。測試的時候使用40mm圓截面，如果具有200r/min的回轉速度，具有2000Hz采樣頻率，能夠得到測試精確角度，此時進行分離能夠得到41.85m，相比較測量結果相差圓度儀0.48m。

2.5 四點法

相比較傳統的三點測量方式，四點法分離技術能夠適當抑制諧波問題，但需要在三點法上合理添加傳感器，這種分離技術的主要本質就是需要在系統測量圓度誤差的時候增加可以適當調節權函數的附加變量。因為這種方式增加了諧波系數，所以能夠在一定程度上增加分離精度，需要適當優化四點法中的諧波系數，以此形成這一種最大組合方式的權函數，能夠盡可能地降低由于形狀誤差諧波。從三點法發展到四點法，能夠在很大程度上改善分離精度，但是不能通過增加傳感器數目來增加精度。此外，如果增加傳感器數目，會增加誤差標定，因此也提高了調整和安全的難度。

2.6 混合法

傳統測量方式基本上使用的都是限位儀傳感器，在測量的時候很有可能造成噪音，影響分離精度。所以，在傳統三點法基礎上衍生了一種能夠測量高頻信號的分離方式，也就是混合法。主要應用原理實際上就是在頻域三點法中利用一個線位傳感器、一個角位儀傳感器、一個線位儀傳感器來代替三個線位移傳感器。經過實踐和分析可以發現，利用這種混合方式的分離技術來合理測量誤差的過程中，獲得的高頻信號與傳感器夾角沒有很大關系，并且不存在混合權函數零點，可以完全分離圓度誤差和主軸回轉誤差。

2.7 直徑變動量法

當擁有高精度球形精度的時候，圓度誤差與直徑變動量具有類似的數值，為了能夠最大限度地簡化分離技術算法，并且最大程度降低損傷球體表面的程度，形成了一種直徑動變量誤差分離技術，基本方式就是相隔180°放置相同的兩個光學位移傳感器，通過輸出兩個傳感器數據形成直徑變動量誤差分離方程，從而能夠保留諧波分量，以便于能夠合理地分離出非同步誤差和主軸回轉誤差，從而得到等效圓度誤差。

3 結語

總而言之，在測量精密鋼球圓度誤差的時候，使用多點法進行分析的過程中，基本上使用的都是離散采樣技術來采集鋼球赤道圓輪廓，形成以及合理計算誤差分離方程，從而得到主軸回轉誤差和鋼球圓度誤差。多點法測量圓度誤差分離技術的基本方式就是三點法，在使用的過程中，具有操作方便、精度高的特點，但是還是會存在一定的抑制諧波問題，所以需要進行充分

分析。

參考文獻

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（責任編輯：周 瓊）