全國
手機版|
關注公眾號|
下載手機APP
摘 要：benwenshejileyizhongnenggouduizhouchengneihuanyuandujinxingzhinengjiancedexitong。gaixitongcaiyongguangdianbianmaqidengjiaoducaiyang，shuzixianshi，yijiyushangweijixianglian，kefulechuantongyuanduceshixitongbunengfangfanzhuan，qiedushuchili、易出現誤收和誤廢、不具有數據處理功能的不足。
關鍵字：軸承檢測;位移傳感器;單片機;光電編碼器：圓度儀
滾動軸承是一種具有高度互換性的標準部件，它具有摩擦力小、啟動容易、潤滑簡單、便(bian)於(yu)更(geng)換(huan)等(deng)優(you)點(dian)，是(shi)各(ge)種(zhong)機(ji)械(xie)中(zhong)傳(chuan)遞(di)運(yun)動(dong)和(he)承(cheng)受(shou)載(zai)荷(he)的(de)重(zhong)要(yao)支(zhi)承(cheng)零(ling)件(jian)，在(zai)機(ji)械(xie)結(jie)構(gou)中(zhong)幾(ji)乎(hu)是(shi)不(bu)可(ke)缺(que)少(shao)的(de)部(bu)件(jian)。隨(sui)著(zhe)工(gong)業(ye)的(de)發(fa)展(zhan)，對(dui)軸(zhou)承(cheng)的(de)性(xing)能(neng)、壽命和可靠性提出了更高的要求。滾動軸承的性能、壽命和可靠性，取決於其設計、製造和檢測過程。而檢測是提高軸承性能重要的一個環節。
軸承內圈是與軸密切接觸的部件，其不僅存在著尺寸誤差，而且存在著圓度誤差、粗糙度誤差和波紋度誤差等。本文采用位移傳感器測量軸承內環的圓度，光電編碼器控製係統等角度采樣，控製與數據處理單元采用8位W78E52單片機。通過串口將數據傳到上位機，便於集中分析數據。外接LED，可以顯示數據處理的結果，讀數方便，從而實現了滾動軸承圓度檢測的智能化、數字化。
1 係統的總體設計
該係統主要由三個部分組成:檢測部分、信號采集與處理部分、輸入輸出部分，整體構架見圖1。檢測部分包括傳感器、光電編碼器、放大、濾波. 信號采集與處理部分負責AD轉換、係統的控製和采樣數據的存儲. 輸入輸出部分由LED和鍵盤構成（如圖1）。
圖1 係統整體框圖
軸承內環固定在一個浮動測頭、兩個固定測頭上。位移傳感器通過機械裝置與浮動測頭相連。光電編碼器控製傳感器等角度采樣，傳感器的信號經過放大、濾波進入A DC。單片機對ADC出來的信號進入處理與存貯。軸承內環旋轉一周，數據采集完畢。最後單片機找出3數據中的最大與最小值，並計算出差值，通過LED顯示出來。工件回轉一周的最大讀數差值F和圓度誤差f的關係為
式中 K——反映係數，由GBT 4380-1984查得[1]，即差值除以反映係數為圓度誤差。
2 檢測部分
2.1傳感器的選用
根據圓度儀標準JB/T 10028 1999，儀器誤差A級中，測量係統線性誤差不大於滿量程的2%，測量係統靈敏閥不大於0.02μm[2]。
本係統采用接觸式的測量方法，因此選用穩定性好、結構簡單可靠、抗幹擾性強等優點的差動變壓器式電感傳感器作為位移傳感器。
本係統選用的中原量儀E-DT-80SB型傳感器具有測量精度高,靈敏度高, 裝夾定位容易等優點，滿足圓度儀標準JB/T 10028 1999。雖然其動態響應頻率不高,但也已經能完全滿足圓度測量時的速度響應要求（采樣點） 。性能如下：
總行程（mm）： 3
測量範圍（mm）： ±0.5
線性誤差： ±0.5%
重複性誤差（μm） ：0.2
2.2差動變壓器式位移傳感器測量電路
差(cha)動(dong)變(bian)壓(ya)器(qi)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)是(shi)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)，若(ruo)用(yong)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)表(biao)測(ce)量(liang)，隻(zhi)能(neng)反(fan)映(ying)銜(xian)鐵(tie)拉(la)移(yi)的(de)大(da)小(xiao)，而(er)不(bu)能(neng)反(fan)映(ying)移(yi)動(dong)方(fang)向(xiang)，同(tong)時(shi)其(qi)測(ce)量(liang)值(zhi)中(zhong)將(jiang)包(bao)含(han)零(ling)點(dian)殘(can)餘(yu)電(dian)壓(ya)。故(gu)在(zai)實(shi)際(ji)測(ce)量(liang)時(shi)，通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)相(xiang)敏(min)檢(jian)波(bo)電(dian)路(lu)和(he)差(cha)動(dong)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)。相(xiang)敏(min)檢(jian)波(bo)電(dian)路(lu)，需(xu)要(yao)用(yong)初(chu)級(ji)激(ji)勵(li)電(dian)壓(ya)作(zuo)為(wei)相(xiang)位(wei)參(can)考(kao)來(lai)決(jue)定(ding)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)極(ji)性(xing)，這(zhe)就(jiu)需(xu)要(yao)有(you)恒(heng)定(ding)幅(fu)值(zhi)和(he)頻(pin)率(lv)的(de)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)源(yuan)，需(xu)要(yao)補(bu)償(chang)差(cha)動(dong)變(bian)壓(ya)器(qi)初(chu)級(ji)和(he)次(ci)級(ji)的(de)相(xiang)位(wei)偏(pian)移(yi)及(ji)溫(wen)度(du)、頻(pin)率(lv)波(bo)動(dong)造(zao)成(cheng)的(de)誤(wu)差(cha)。而(er)差(cha)動(dong)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)不(bu)必(bi)考(kao)慮(lv)相(xiang)位(wei)問(wen)題(ti)，電(dian)路(lu)也(ye)相(xiang)對(dui)比(bi)較(jiao)簡(jian)單(dan)。本(ben)文(wen)選(xuan)用(yong)差(cha)動(dong)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)對(dui)差(cha)動(dong)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)後(hou)期(qi)處(chu)理(li)（如圖2.1[3]）。
圖2.1 全波差動整流電路圖
2.3信號放大
傳感器出來的信號一般比較弱，通常隻有幾毫伏到幾十毫伏。本傳感器輸出信號範圍是0.028mv～100mv，而A/D轉換器要求滿量程輸入是±5v。故需放大以提高分辨率和降低噪音，也使調理後信號最大值和A/D最大輸入值相等，以提高轉換精度。就本題目而言，隻有一個通道信號輸入，為不致使放大最大信號超出ADC滿量程，其放大倍數
即信號放大電路采用增益K=50。
2.4濾波電路
在(zai)圓(yuan)度(du)測(ce)量(liang)中(zhong)，由(you)於(yu)各(ge)種(zhong)噪(zao)聲(sheng)信(xin)號(hao)的(de)影(ying)響(xiang)，使(shi)得(de)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)不(bu)可(ke)信(xin)，因(yin)此(ci)必(bi)須(xu)對(dui)原(yuan)始(shi)的(de)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)濾(lv)波(bo)，濾(lv)去(qu)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)高(gao)頻(pin)信(xin)號(hao)，取(qu)得(de)某(mou)特(te)定(ding)頻(pin)段(duan)的(de)信(xin)號(hao)。在(zai)本(ben)係(xi)統(tong)中(zhong)所(suo)用(yong)的(de)是(shi)二(er)階(jie)RC有源低通濾波（如圖2.2）。
2.5計數電路
計(ji)數(shu)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)用(yong)軟(ruan)件(jian)實(shi)現(xian)，也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)硬(ying)件(jian)實(shi)現(xian)。用(yong)純(chun)軟(ruan)件(jian)計(ji)數(shu)雖(sui)然(ran)電(dian)路(lu)簡(jian)單(dan)，但(dan)是(shi)計(ji)數(shu)速(su)度(du)慢(man)，容(rong)易(yi)出(chu)錯(cuo)。用(yong)外(wai)接(jie)計(ji)數(shu)芯(xin)片(pian)的(de)方(fang)法(fa)，雖(sui)然(ran)速(su)度(du)快(kuai)，但(dan)硬(ying)件(jian)電(dian)路(lu)複(fu)雜(za)，成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao)。綜(zong)合(he)這(zhe)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)，本(ben)文(wen)采(cai)用(yong)軟(ruan)硬(ying)結(jie)合(he)的(de)方(fang)式(shi)，即(ji)單(dan)片(pian)機(ji)內(nei)部(bu)的(de)計(ji)數(shu)器(qi)來(lai)實(shi)現(xian)計(ji)數(shu)。
手動旋轉軸承內環,速度不會過快也不會過慢,對於光電編碼器的分辨率, 最高響應頻率及允許最高轉速要求不高; 光電編碼器並不承受很大的外力,所以對其的力學性能要求也不高,考慮到工作環境,本文選擇光洋旋轉編碼器TRD-2E A完成係統設計。其性能規格如下：
項目: TRD-2E A
分辨率:1024脈衝/轉
輸出信號形式:A·B兩相
最高響應頻率:200kHz
容許最高轉速:5000rpm
起動扭矩 ≤0.001N·m
圖2.2 二階壓控電壓源低通濾波器電路
將光電編碼器的計數脈衝A端接D觸發器的D端和單片機的外部中斷INT1端，光電編碼器的B端接D觸發器的CLK端,經過D觸發器之後的脈衝即方向控製脈衝（DIR）接到單片機的外部中斷INT1端（如2.3圖[4]）。打開相應的中斷，並置T1的門控位GATE為1,這時，除需要將TR1置1外，還要使INT1引腳為高電平，才能啟動計數器。由表1可知，僅當DIR是高電平，並且A為(wei)正(zheng)或(huo)負(fu)跳(tiao)變(bian)時(shi)，軸(zhou)承(cheng)內(nei)環(huan)正(zheng)轉(zhuan)。所(suo)以(yi)當(dang)滿(man)足(zu)內(nei)環(huan)正(zheng)轉(zhuan)條(tiao)件(jian)後(hou)，傳(chuan)感(gan)器(qi)讀(du)數(shu)，並(bing)進(jin)行(xing)加(jia)計(ji)數(shu)。軸(zhou)承(cheng)內(nei)環(huan)轉(zhuan)動(dong)一(yi)周(zhou)，進(jin)入(ru)中(zhong)斷(duan)程(cheng)序(xu)，將(jiang)采(cai)集(ji)的(de)數(shu)據(ju)送(song)入(ru)PC，並計算出差值，從而得出圓度。
圖2.3 計數電路接線圖
此電路在軸承內環反轉和不轉時，不采集數據。從而保證了數據的準確性，排除了操作員的抖動引起內環反轉帶來的不準確性。
3. A/D轉換器的選擇
對於A/D轉換器的選擇來說，轉換率和分辨率是兩個重要參數。其設計如下[5]：
3.1.轉換率的選擇
係統中，光電編碼器控製著ADC的采樣，光電編碼器旋轉一周，ADC采樣1024次，手動旋轉光電編碼器旋轉一周用時最少0.8秒，即光電編碼器采樣率最大為1.25,因此ADC的轉換率要大於光電編碼器采樣率1.25。
3.2分辨率的選擇
傳感器測量範圍±0.5mm，測量精度1μm。通過實際測量，傳感器最大輸出信號為1.25V，即為傳感器最大測量位移±0.5mm，則當測頭徑向移動1μm，傳感器輸出信號電壓為u， 即u為傳感器最小輸出信號。根據分辨率公式4.1
本係統ADC分辨率實際選擇n=10。n取大值，A/D轉換精度提高，但價格昂貴，不夠經濟。實際中，傳感器輸出信號太弱小，需經放大電路放大，放大的信號送入A/D就可降低A/D的分辨率，故選擇n=10位。
綜上所有計算結果結合實際工作情況，聯係經濟條件決定采用MOTOROLA 公司生產的一種基於CMOS 製造工藝的雙積分型A/D轉換器MC14433。其工作性能如下：
3（1/2）位雙積分型ADC
工作電壓範圍為：雙電源4.5-8V,
A/D轉換精度為0.05%（11位二進製數），
對應於50-150kHz時鍾頻率，轉換率為4-10T/s（大於光電編碼器轉換率）。
