CN101067578A - 微型轴承摩擦力矩测量仪 - Google Patents
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Abstract
一种微型轴承摩擦力矩测量仪，属于测控技术领域。本发明包括：机械部分、电气部分和嵌入式系统，机械部分通过导线及USB接口与电气部分的输入端连接，电气部分的输入输出端分别通过USB接口与嵌入式系统输入输出端相连接。本发明采用数字图像处理技术、嵌入式技术和自动控制等技术，能精确测量微小轴承的摩擦力矩。该测量仪结构简单，操作方便，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种测控技术领域的测量仪器，具体是一种微型轴承摩擦力矩测量仪。
背景技术
轴承运转时，内圈、外圈、保持架和滚动体之间产生相对运动，同时也产生与转动方向相反的阻碍运动的综合力矩，就是轴承的摩擦力矩。摩擦力矩是轴承性能好坏的一项重要参数。摩擦力矩直接影响到轴承温度、噪声、振动和能量损耗，从而影响精密仪器的性能和信息传递的准确性。
滚动轴承的摩擦主要来自以下几个方面：
1)材料弹性滞后引起的纯滚动摩擦；
2)在滚动接触面上的差动滑动所引起的摩擦；
3)滚动体沿接触面中心法线的自旋转所引起的摩擦；
4)滑动接触部位的纯滑动摩擦；
5)润滑剂的粘性摩擦；
由于影响轴承的摩擦力矩的因素很多，相同型号的轴承，其摩擦力矩也不一定相同，要准确知道某一给定轴承的摩擦力矩值，就必须进行实际的测量。
目前国内外有多种用于微型轴承摩擦力矩的测量仪，这些测量仪都采用力传感器的形式测量摩擦力矩的大小。为了提高测量精度，其中测量系统的支撑多为空气支撑和磁悬浮支撑，机械机构复杂，不易加工，成本高；传动机构采用电机通过皮带驱动主轴，主轴由两套滚动轴承支撑，主轴另一端直接安装被测轴承，传动中皮带产生的径向力、振动和支撑滚动轴承的振动对被测轴承的固有摩擦力矩造成测量误差；另外所使用的吊丝式传感器精度也难以保证，也影响测量精度。
经对现有技术的文献检索发现，专利名称为：轴承摩擦力矩测量仪，公开号：CN 2604674Y。该专利提及的轴承摩擦力矩测试仪，其结构包括机械主机部分、电气部分、计算机部分和定标系统。电机通过同步带传动和摩擦传动二级传动方式，实现驱动被测轴承旋转，被测轴承产生的摩擦力矩，由整体式应变扭矩传感器转换成电信号，经放大、滤波、A/D转换，送入计算机进行数据处理。得到摩擦力矩测量结果和摩擦力矩变化曲线。该测量仪采用的测量方法依然存在机械结构复杂，传动机构引起的误差大的问题，因此对于微型轴承的摩擦力矩测量精度低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种微型轴承摩擦力矩测量仪。本发明采用数字图像处理技术、嵌入式技术和自动控制等技术，能精确测量微小轴承的摩擦力矩。该测量仪结构简单，操作方便，测量精度高。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：机械部分、电气部分和嵌入式系统，机械部分通过导线及USB接口与电气部分的输入端连接，电气部分的输入输出端分别通过USB接口与嵌入式系统输入输出端相连接；
所述的机械部分包括：摆针、被测轴承、轴承套、直流伺服电机、光电编码器、减速器、直流伺服电机系统的支架、测试轴支架、工业摄像机、支架、摄像机机距离调整机构、底座；直流伺服电机系统的支架、测试轴支架和摄像机距离调整机构分别安装于底座上；直流伺服电机、光电编码器及减速器直接连接固定于支架上并直接与测试轴连接固定；被测轴承的内环外套于测试轴上，轴承套外套于测试轴承的外环上，摆针直接固定于轴承套；工业摄像机通过安装柱固定于支架，支架与摄像机机距离调整机构相连接固定。
所述的摆针固定于在轴承套的外圈上。
所述的嵌入式系统、直流伺服电机以及光电编码器形成闭环控制系统。
所述的嵌入式系统通过USB接口与工业摄像机相连接。
所述的测试轴通过减速器直接与直流伺服电机相连接。
本发明的是通过测试加在轴承外圈的摆针偏转角大小来间接测试轴承的摩擦力矩。由于微型轴承的摩擦力矩很小，用扭矩传感器直接测量则存在很大的测量误差，所以通过间接测量轴承摩擦力矩克服重力力矩而产生的偏角来求得其摩擦力矩值。被测的轴承安装在水平的转轴上，轴承外圈固定摆针。当轴承的内圈随着转轴匀速转动时，由于存在着摩擦转动力矩，该摩擦力矩就会带动外圈和摆针转到一定角度，形成动态平衡。此时摆针产生的重力矩就等同于轴承摩擦力矩，测摩擦力矩就转换成了测重力矩。
由于采用了如上所述的技术方案，本发明有如下优点：
整体机械结构简单、成本低，并且满足了测试精度要求；由于在测量中，伺服电机直接驱动测量轴转动，消除了传统使用传感器测量中传动装置中存在摩擦力和振动等干扰因素，提高了测量的精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明工作过程涉及的各部分结构示意图。
图2为本发明机械结构示意图。
图中：1---摆针，2---被测轴承，3---轴承套，4---直流伺服电机，5---光电编码器，6---减速器，7---测试轴，8---直流伺服电机系统的支架，9---测试轴支架，10---工业摄像机，11---工业摄像机固定支架，12---摄像机机距离调整机构。13---底座
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1，图2所示，本实施例包括：机械部分、电气部分和嵌入式系统，机械部分通过导线及USB接口与电气部分的输入端连接，电气部分的输入输出端分别通过USB接口与嵌入式系统输入输出端相连接；所述的机械部分包括：摆针1、被测轴承2、轴承套3、直流伺服电机4、光电编码器5、减速器6、直流伺服电机系统的支架8、测试轴支架9、工业摄像机10、支架11、摄像机机距离调整机构12、底座13；直流伺服电机系统的支架8、测试轴支架9和摄像机距离调整机构12分别安装于底座13上；直流伺服电机4、光电编码器5及减速器6直接连接固定于支架8上并直接与测试轴7连接固定；被测轴承2的内环外套于测试轴7上，轴承套3外套于测试轴承7的外环上，摆针1直接固定于轴承套3；工业摄像机10通过安装柱固定于支架11，支架11与摄像机机距离调整机构12相连接固定。
如图1所示，嵌入式系统、直流伺服电机4以及光电编码器5形成闭环控制系统，提供轴承平稳的测试速度。数字摄像机采集图像，获得的图像数据通过USB接口送入嵌入式系统。经由软件进行数字图像处理，依次经过灰度化处理、二值化处理、轮廓提取，求出偏角值。然后通过公式求出摩擦力矩值，并在液晶屏上显示摩擦力矩值。
如图2所示，测量主轴7通过减速器6直接与直流伺服电机4相接，取代了传统测量仪中结构复杂的空气支承或磁悬浮支承，克服了皮带传动、滚动轴承支承的方法所带来的缺点，简化了仪器结构，降低了被测轴承的振动，提高了摩擦力矩测量的可靠性。
本实施例在测量时，嵌入式系统通过USB接口与电机控制器通讯来控制直流伺服电机4匀速旋转，经减速器6减速后直接带动测试轴7转动，进而带动被测轴承2的内圈转动，由于微型轴承的内外圈之间存在摩擦力，所以该摩擦力会驱动轴承外圈转动，由于在外圈上固定摆针1，摆针会产生一个与摩擦力大小成正比的偏角。嵌入式系统通过工业摄像头10以一定频率拍摄摆针1的图像，经过处理后可计算出正反向最大摩擦力矩、平均摩擦力矩、力矩差的结果和正反向轴承摩擦力矩变化曲线。通过鼠标、键盘实现人机对话进行测试操作，测量过程由嵌入式系统控制自动完成。测量结果液晶屏显示，也可存档和打印输出。采用数字图像处理的新技术，消除了机械加工和传动中存在加工误差和摩擦力的影响。
Claims (5)
1.一种微型轴承摩擦力矩测量仪，包括：机械部分、电气部分和嵌入式系统，机械部分通过导线及USB接口与电气部分的输入端连接，电气部分的输入输出端分别通过USB接口与嵌入式系统输入输出端相连接；其特征在于，所述的机械部分包括：摆针(1)、被测轴承(2)、轴承套(3)、直流伺服电机(4)、光电编码器(5)、减速器(6)、直流伺服电机系统的支架(8)、测试轴支架(9)、工业摄像机(10)、支架(11)、摄像机机距离调整机构(12)、底座(13)；直流伺服电机系统的支架(8)、测试轴支架(9)和摄像机距离调整机构(12)分别安装于底座(13)上；直流伺服电机(4)、光电编码器(5)及减速器(6)直接连接固定于支架(8)上并直接与测试轴(7)连接固定；被测轴承(2)的内环外套于测试轴(7)上，轴承套(3)外套于测试轴承(7)的外环上，摆针(1)直接固定于轴承套(3)；工业摄像机(10)通过安装柱固定于支架(11)，支架(11)与摄像机机距离调整机构(12)相连接固定。
2.如权利要求1所述的微型轴承摩擦力矩测量仪，其特征是，所述的摆针(1)固定于在轴承套(3)的外圈上。
3.如权利要求1所述的微型轴承摩擦力矩测量仪，其特征是，所述的嵌入式系统、直流伺服电机(4)以及光电编码器(5)形成闭环控制系统。
4.如权利要求1或3所述的微型轴承摩擦力矩测量仪，其特征是，所述的嵌入式系统通过USB接口与工业摄像机(10)相连接。
5.如权利要求1所述的微型轴承摩擦力矩测量仪，其特征是，所述的测试轴(7)通过减速器(6)直接与直流伺服电机(4)相连接。
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