一種大型滾動軸承旋轉精度測量儀

孫建勇，江巖，胡英貝，王冬燕，張文濤

(1.洛陽軸承研究所有限公司，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 471003；3.北京航天動力研究所，北京 100076)

套圈跳動是判斷精密軸承旋轉精度的重要技術指標[1]。目前，用于精密軸承套圈跳動測量的儀器基本能夠滿足內徑300 mm以下軸承的測量需求，無法精確測量更大尺寸軸承的套圈跳動。因此，研制了一種大型滾動軸承旋轉精度測量儀，同時引入軸系回轉精度誤差分離理論，分離出套圈的形狀誤差和跳動。

1 主要技術指標

根據大型滾動軸承的測量要求，測量儀需滿足：

1)內徑測量范圍300～1 600 mm，外徑測量范圍400～2 000 mm。

2)跳動測量重復性誤差不大于5 μm，形狀誤差測量重復性誤差不大于1 μm。

2 數學模型

常用的誤差分離方法有兩點法和三點法，兩點法由三點法發展而來，但其無法完全分離零件的偏心誤差，導致分離結果存在誤差，因此，軸向跳動測量采用兩點法，徑向跳動測量采用三點法。

2.1 軸向跳動測量(兩點法)

兩點法的測量原理如圖1所示，將2個特性非常接近的傳感器S1和S2在圓周方向相隔180°對稱安裝，軸承旋轉一圈采樣n個點，對測量點進行如下處理：1)求測量點數據的平均值；2)求殘余誤差并消除常數項；3)消除軸承安裝偏心對測量結果的影響；4)分離出軸承的端面跳動，求得軸承的回轉誤差信號[2-4]。

圖1 兩點法測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-point method measurement

傳感器在第i點測得的端面跳動信號S1(i)和S2(i)分別為

(1)

在第i點對應的180°位置則有

(2)

將(1),(2)式進行線性迭加可得軸承第i點的圓度誤差信號R(i)和回轉誤差信號E(i)，即

(3)

以此類推，可測得被測軸承上各點的圓度誤差信號和回轉誤差信號。

2.2 徑向跳動測量(三點法)

如圖2所示，將3個特性非常接近的傳感器互成角度安裝，用于測量轉臺軸承的徑向回轉誤差，測量具體步驟如下：

圖2 近似三點法測量原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of approximate three-point method measurement

1)三測頭信號的優化組合，消除組合信號中的回轉誤差量。

2)對組合信號進行快速傅里葉正變換，轉換為頻域信號。

3)將組合信號頻域值除以權函數，得到圓度誤差的頻域值。

4)對圓度誤差的頻域值進行快速傅里葉逆變換，還原為圓度誤差的時域信號。

5)從組合信號中剔除掉圓度誤差信號，從而分離出軸承的回轉誤差信號。

3 機械設計

如圖3所示，大型滾動軸承旋轉精度測量儀主要由工作臺、直線模組、直線導軌、驅動電動機、萬向聯軸節、傳感器及調整裝置等構成。

1—皮帶輪；2—驅動電動機；3—過渡軸；4—工作臺；5—萬向聯軸器；6—載荷塊；7—被測軸承；8—大理石工作臺；9—機架；10—調整直線模組(2套)；11—徑向傳感器及調整裝置(3套);12—軸向傳感器及調整裝置(2套)；13—定位直線導軌圖3 大型滾動軸承旋轉精度測量儀結構示意圖Fig.3 Structure diagram of measuring instrument for rotating accuracy of large-size rolling bearing

測量儀的工作原理為：通過定位直線導軌和調整直線模組對被測軸承進行定心；調整3個徑向傳感器，使其接觸被測軸承套圈的徑向表面，使2個軸向傳感器接觸軸承套圈的軸向表面；通過載荷塊對被測軸承套圈軸向進行加載，驅動電動機旋轉，通過皮帶驅動精密軸系回轉，進而通過萬向聯軸器及撥叉驅動被測軸承套圈旋轉；轉動一圈后通過計算機處理傳感器的測量數據，即可得到套圈的徑向、軸向跳動以及形狀誤差。其中，測量內圈時的軸承裝配定位如圖4所示。

1—電動機；2—磁環編碼器；3—過渡軸；4—被測軸承；5—載荷塊；6—徑向傳感器；7—軸向傳感器；8—限位塊；9—直線導軌圖4 軸承內圈跳動測量定位示意圖Fig.4 Positioning diagram of bearing inner ring runout measurment

對于不同尺寸軸承的測量，只需調整定位直線導軌和調整直線模組的滑座位置，同步調整傳感器安裝直線導軌滑座位置，即可實現測量。

4 軟件及電氣設計

4.1 電氣設計

測量儀電氣設計原理如圖5所示，計算機通過I/O電路板控制電磁閥，控制氣缸的升降和噴嘴的通斷，徑向和軸向傳感器通過前置檢測電路將測量數據傳輸至A/D數據卡，進入計算機測控軟件進行分析處理并輸出測量結果。

圖5 大型滾動軸承旋轉精度測量儀電氣原理圖Fig.5 Electrical schematic diagram of measuring instrument for rotating accuracy of large-size rolling bearing

4.2 軟件設計

測量儀軟件基于LabWindows/CVI虛擬儀器軟件開發平臺開發，運行于Windows操作系統上，測量主界面如圖6所示。

圖6 測量主界面圖Fig.6 Diagram of measuring main interface

在測量主界面中，可以對測量圈數進行設定，默認為3圈；需要更換被測軸承時，可以輸入定位位置，設置直線模組驅動速度及方式。測量完成后會顯示變化曲線和測量結果，圖形可以進行多倍率放大選擇；結果可保存或導出為Excel文件，也可直接進行打印。

5 結果分析

在該大型滾動軸承旋轉精度測量儀上對 61868型深溝球軸承(內徑340 mm，外徑420 mm，寬度38 mm)進行跳動測量，結果見表1。其中，重復性誤差采用極差計算方法，即重復性誤差等于測量結果樣本中最大值與最小值之差。

表1 61868軸承跳動測量結果Tab.1 Runout measurement results for 61868 bearing μm

由測量結果可知，該大型滾動軸承旋轉精度測量儀能夠分離出套圈跳動和形狀誤差，測量重復性誤差滿足設計要求。

6 結束語

研制了基于誤差分離的用于大型滾動軸承旋轉精度精確測量的專用儀器，在大型軸承旋轉精度測量的同時分離出其本身的形狀誤差，得到更為真實的旋轉精度。經過調試試驗，該測試儀器能夠滿足設計要求，目前，該測量儀已經交付客戶，使用穩定、可靠，取得了良好的效益。