軸承端面凸出量測量儀動作控制電路的改進

楊晨，宋亞芳，胡英貝

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

1 軸承端面凸出量測量儀

在精密軸系中，多采用成對安裝的角接觸球軸承。端面凸出量是角接觸球軸承的重要參數，其不但影響主軸的旋轉精度、剛度、振動、噪聲，還直接影響軸承的使用壽命。軸承端面凸出量測量儀能夠準確檢測單套軸承在一定預載荷作用下的端面凸出量。

如圖1所示，軸承端面凸出量測量儀主要由機械工作臺、電氣控制箱和計算機3部分組成。測量過程中主要有上升、下降、加載3個動作狀態。首先，通過電路控制氣路控制箱中電磁閥的通斷，從而增加氣路中的空氣壓力，使空氣主軸被頂起至被測軸承處；然后，通過電磁閥調節空氣壓力，使空氣主軸對被測軸承施加相應的軸向載荷，并用傳感器測量被測軸承的凸出量；測量結束后，降低氣路中的空氣壓力使空氣主軸降回原位。

1—傳感器；2—被測軸承；3—定位芯軸；4—空氣主軸；5—壓力表

2 存在的問題

實際使用過程中，生產檢測線上往往有多臺軸承端面凸出量測量儀同時工作，通常為2臺儀器配備1個插線板。這種情況下就會導致2臺儀器的動作互相干擾：其中一臺儀器電源開、關，或者人為操縱主軸上升、下降，另一臺就會在沒有指令的情況下自動上升或下降。這種干擾不僅極大影響了儀器使用的安全性(測量人員在放置被測軸承的時候很容易被自動上升的主軸夾住)，而且降低了檢測效率。經判斷，該干擾是由于動作控制電路的不完善造成的。

2.1 動作控制電路

原動作控制電路中，計算機輸出的5 V控制信號經過CD4050非反相六緩沖器提高輸出驅動能力后接入ULN2003。ULN2003為大電流驅動陣列, 其工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500 mA且可在關態時承受50 V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行，可直接驅動繼電器等負載。

軸承端面凸出量測量儀采用ULN2003驅動5路繼電器(圖2為其中1路),其中2路是通過繼電器控制電磁閥線圈通電產生磁力吸動閥芯，控制閥體的移動開啟或關閉不同的排氣孔，從而實現空氣主軸的上升、下降和加載動作。電磁閥具有反應靈敏的特性，其響應時間可短至幾個毫秒，所以對干擾信號的反應也特別靈敏，微弱的瞬時電流就能使其產生動作。在此電路的實際使用過程中，當2臺或2臺以上的儀器共用一個電源接插板同時工作時，電磁閥就會因為干擾自動開關，從而引發空氣主軸的誤動作。而單獨使用獨立電源時則不會互相干擾。

圖2 電氣控制電路(單路)Fig.2 Electrical control circuit(single-channel)

2.2 干擾源的判定

由于繼電器和電磁閥均為感性元件，都容易產生干擾，所以在對電路進行改進之前，必須確定干擾的產生位置[1]。因此，在繼電器線圈的兩端并聯1個發光二極管，當電磁閥兩端有電壓信號時，發光二極管就會被點亮，以此來判斷是否有干擾信號產生。

模擬產生干擾的工作環境：將2臺儀器的供電電源從1個插線板上引出；然后去除其中一臺儀器上繼電器所帶的所有負載(包括電磁閥)，并操作另一臺儀器電源開關和動作，同時觀察未帶負載這臺儀器上的發光二極管是否隨之點亮，判斷是否產生干擾。

通過多次重復試驗，發現其中一臺儀器電源開關或有上升、下降動作引發電源瞬時波動時，未帶負載儀器上與繼電器線圈并聯的發光二極管都會隨之點亮又熄滅，由于作為負載的電磁閥此時已被去除，并不在電路回路中，這說明干擾主要由繼電器電路產生。

3 動作控制電路的改進

繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，繼電器線圈為電感元件，當斷電時，由于線圈的電感作用，其電流不能突變，仍保持斷電前的電流值，必然強行通過斷路點(開關觸點間的空隙電阻或晶體管截止阻抗)而產生很高的沖擊電壓。不僅如此，由于其含有豐富的諧波，可通過線路間的分布電容、絕緣電阻侵入控制系統，導致誤動作。為防止元器件損壞、電路誤動作等，就必須采取抑制措施，由于斷路產生的瞬變電壓能量大、頻譜寬，僅僅采用濾波或隔離措施難以抑制瞬變干擾，需對控制電路進行整體改進。

3.1 續流二極管

續流二極管是指在繼電器線圈兩端并聯的反向二極管。增加續流二極管后，斷電時線圈的電流會通過續流二極管很快的放電，不會產生沖擊電壓，不僅保護了開關觸點(或晶體管)，而且能減小對周圍電路產生的干擾[2]。

在原有電路中，ULN2003內部電路已經集成了一個續流二極管，只需在使用時將9腳接負載電源正極即可。但在實際應用中發現僅僅接入續流二極管并不能完全消除干擾，還要加入其他抗干擾手段，于是嘗試在繼電器之前的電路中加入光耦隔離。

3.2 光耦隔離

光耦隔離就是采用光耦合器進行隔離。光耦合器的結構相當于將發光二極管和光敏三極管封裝在一起。改進后控制電路中采用的光耦合器為TLP521。如圖3所示，當控制器某輸出通道有輸出時，該通道TLP521中的發光二極管流過電流而發光，此光線使光電耦合器中的光敏三極管飽和導通，于是ULN2003控制繼電器線圈電觸點閉合。加入光耦隔離使ULN2003和繼電器組成的繼電器電路與之前的IO信號電路之間沒有電的直接連接，而是通過光感應傳遞信號，故能實現電氣隔離，防止由于電氣連接而引起干擾[3]。通過試驗發現，增加了光耦隔離后誤動作出現的頻率大幅度降低，但仍沒有完全消除。于是在分析原因后，又引入了電源隔離。

圖3 改進后的電氣控制電路(單路)Fig.3 Improved electrical control circuit (single-channel)

3.3 電源隔離

增加了光耦隔離后，雖然繼電器電路與之前的IO控制電路沒有了電的直接連接，但由于繼電器的工作電源與IO信號電路共用了計算機電源，沒有做到完全的電氣隔離。因此在改進后的電氣系統中引入了一組新的開關電源，供繼電器電路單獨使用。如圖3所示，ULN2003和繼電器組成的繼電器電路單獨使用一路5 V的P5V/PGND作為工作電源。這樣就完全避免了因繼電器線圈的電感作用引起的電源波動對其他電路的干擾。

4 結束語

通過分析軸承端面凸出量測量儀在使用過程中出現的干擾問題，提出了改進方法，根據繼電器特性在電路中增加了光耦隔離、電源隔離等抗干擾措施，通過綜合改進，消除了儀器由于干擾而產生的誤動作。在相同工作環境下進行反復試驗表明：改進后的電氣系統完全解決了動作干擾問題，未再出現主軸誤動作的情況，為客戶提供了更好的使用體驗。