CN112762847A - 基于双圆光栅的轴承内圈径向跳动测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双圆光栅的轴承内圈径向跳动测量装置及测量方法，包括旋转机构、心轴、待测轴承、两个圆光栅盘、读数头和线位移传感器。心轴由旋转机构控制旋转，由对径安装的读数头测量圆光栅盘测量平面内的心轴回转运动；线位移传感器用以测量包含心轴回转误差的轴承内圈径向跳动值，线位移传感器的测量方向与各个圆光栅盘对应的两个读数头的连线方向垂直。在心轴旋转过程中，获得双圆光栅的读数头数据，并据此计算得出心轴在待测轴承测量平面内沿线位移传感器测量方向的回转误差，再从线位移传感器的检测值中将该心轴的回转误差减去，得到轴承内圈径向跳动值。本发明相较于现有技术，其测量结果更加准确和可靠。

Description

基于双圆光栅的轴承内圈径向跳动测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于测试技术及仪器技术领域，具体涉及一种基于双圆光栅的轴承内圈径向跳动测量装置及测量方法。

背景技术

轴承是机械设备中的一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。轴承内圈径向跳动如果太大，会引起轴承的旋转精度及噪音。按照国标GB/T 307.2-2005，测量成套轴承的内圈径向跳动的方法有两种，分别是“14.1成套轴承内圈径向跳动的测量(主要方法)”和“14.2成套轴承内圈径向跳动的测量(另一种方法)”。其中的第二种方法，会引入心轴回转运动误差，测量结果中不但包含拟测量的轴承内圈跳动误差，而且包含心轴的回转误差，因此导致测量结果不精确。公开号为CN 203824457U的中国实用新型专利公开了一种轴承内圈径向跳动检测装置，该装置使用心轴组件带动轴承内圈旋转，并用千分表打在轴承外圈，用手轮带动心轴旋转一圈，千分表最大数值与最小数值之差即为轴承内圈径向跳动值。该方法的测量结果同样包含心轴回转运动误差，不能真实的反应轴承内圈径向跳动误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种更加准确的成套轴承内圈径向跳动测量装置及方法，利用旋转机构控制心轴旋转一周，可以计算出测量过程中的心轴回转误差，再用线位移传感器测量值减去心轴径向回转误差，从而得到不包含心轴回转误差的更加接近真实值的轴承内圈径向跳动值。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于双圆光栅的轴承内圈径向跳动测量装置，包括旋转机构、心轴和两个圆光栅盘，所述旋转机构用于控制所述心轴绕自身中心轴线旋转，所述的两个圆光栅盘以及待测轴承沿心轴的轴向间隔设置在心轴上，待测轴承的内圈随心轴旋转，外圈静止；每个圆光栅盘周围对径安装两个读数头，其中一个圆光栅盘对应的两个读数头连线与另一圆光栅盘对应的两个读数头连线平行，每个圆光栅盘所对应的两个读数头用于测量心轴在该圆光栅盘测量平面内的回转运动；所述待测轴承的径向方向设置线位移传感器，线位移测量传感器用于测量待测轴承测量平面内包含心轴回转误差的轴承内圈径向跳动值，线位移传感器的测量方向与各个圆光栅盘对应的两个读数头的连线方向垂直。

所述线位移传感器的传感器触头后设有弹性顶压元件，用于对轴承外圈进行止转定位并施加预紧力。

基于双圆光栅的轴承内圈径向跳动测量方法，该方法采用所述的测量装置，所述的两个圆光栅盘分别为第一圆光栅盘和第二圆光栅盘，第一圆光栅盘对应的两个读数头分别为读数头I和读数头II，第二圆光栅盘对应的两个读数头分别为读数头III和读数头IV；该方法包括如下步骤：

步骤一，设第一圆光栅盘和第二圆光栅盘所对应的测量平面分别为平面Q₁、平面Q₂，设待测轴承的测量平面为平面Q₃，在平面Q₁上以理论回转中心O₁为原点建立坐标系X₁O₁Y₁，在平面Q₂上以理论回转中心O₂为原点建立坐标系X₂O₂Y₂，在平面Q₃上以理论回转中心O₃为原点建立坐标系X₃O₃Y₃，O₁、O₂、O₃共线，并将其连线定义为Z轴，Z轴与心轴的轴向重合，R为第一圆光栅盘和第二圆光栅盘的半径；

步骤二，设各个读数头的初始读数为0，迎着Z轴正向看，设绕Z轴的顺时针转动方向为心轴及各平面旋转运动的正方向，在心轴旋转过程的某一时刻，θ为心轴理论旋转值，θ_A1、θ_B1分别为读数头I和读数头II的读数，θ_A2、θ_B2分别为读数头III和读数头IV的读数，α_A1、ε_A1为读数头I的读数、读数头II的读数分别与心轴理论旋转角度θ的误差值，α_A2、ε_A2为读数头III的读数、读数头IV的读数分别与心轴理论旋转角度O的误差值；则按照以下关系式：

θ_A1＝θ+α_A1＝θ+sin^-1(L(θ)₁/R)

θ_B1＝θ+ε_A1＝θ-sin^-1(L(θ)₁/R)

可得当心轴顺时针转过θ角后，心轴在X₁O₁Y₁坐标平面内Y方向上的回转运动误差量L(θ)₁：

同理，可得心轴顺时针转过θ角后，心轴在X₂O₂Y₂坐标平面的Y方向上的回转运动误差量L(θ)₂：

步骤三，将O₁O₂的距离记为L_AB，将O₁O₃的距离记为L_AC，由步骤二得出的L(θ)₁和L(θ)₂按下式推算出心轴在平面Q₃上的回转误差Δ_r(θ)：

步骤四，用心轴旋转θ角时的线位移传感器的测量值减去步骤三所得的Δ_r(θ)值，所得值为此时待测轴承的内圈径向跳动值。

本发明所述的测量装置还包括数据采集系统与数据处理系统。数据采集系统由各个读数头、线位移传感器的接口电路、数据采集与存储硬件电路和相关的软件组成，其作用是同步地记录各个读数头、线位移传感器的读数，为之后的数据处理系统提供数据。数据采集系统可由成品的运动控制卡、计数器卡实现，也可以采用基于FPGA的数据采集装置。

数据处理系统对数据采集系统获取和记录的各个读数头、传感器的测量数据进行分析和计算，从而计算出待测轴承所处平面的心轴径向回转误差。数据处理系统主要由软件完成其功能，所涉及的软件可运行在嵌入式计算机平台，也可以运行在基于PC的工控机系统，也可以运行在其他的计算机平台上。

本发明的有益效果是：利用本发明提供的测量装置可以在控制心轴旋转的过程中，获得双圆光栅的读数头数据，并据此计算得出心轴在待测轴承测量平面内Y向(即线位移传感器的测量方向)的回转误差，再从线位移传感器的检测值中将该心轴的回转误差减去，即可得到更加接近真实值的轴承内圈径向跳动值，相较于现有技术，其测量结果更加准确和可靠。

附图说明

图1为本发明所述测量装置的结构示意图；

图2为本发明所述测量方法中各平面坐标系的构建原理示意图；

图3为以平面Q₁为例，心轴的运动测量原理图；

图4为计算心轴回转误差的空间测量原理图；

图中标记：1、转台，2、心轴，3、读数头，301、读数头Ⅰ，302、读数头Ⅱ，303、读数头Ⅲ，304、读数头Ⅳ，4、第一圆光栅盘，5、第二圆光栅盘，6、线位移传感器，7、待测轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

参照附图1所示，一种基于双圆光栅的轴承内圈径向跳动测量装置包括旋转机构、心轴、第一圆光栅盘、第二圆光栅盘、四个读数头、待测轴承和线位移传感器。所述旋转机构采用转台，用于带动心轴绕其轴线旋转，所述心轴的一端固定连接在转台上，心轴呈水平状态；所述第一圆光栅盘、第二圆光栅盘和待测轴承在心轴上沿心轴的轴向、按照距离转台由近及远的顺序依次间隔设置在心轴上，心轴的旋转带动第一圆光栅盘、第二圆光栅盘和待测轴承的内圈同步旋转，待测轴承的外圈静止。第一圆光栅盘的周围对径安装两个读数头，第二圆光栅盘的周围对径安装另外两个读数头，并且第一圆光栅盘对应的两个读数头的连线与第二圆光栅盘对应的两个读数头的连线平行，所述读数头用于测量心轴在相应圆光栅盘所处平面内的回转运动；所述待测轴承的径向方向设置线位移传感器，线位移测量传感器用于测量待测轴承所在平面内包含心轴回转误差的轴承内圈径向跳动值，线位移传感器的测量方向与各个圆光栅盘对应的两个读数头的连线方向垂直。

作为优选，所述线位移传感器的传感器触头后设有弹性顶压元件，用于对轴承外圈进行止转定位并施加预紧力。

依据每个圆光栅盘所对应的两个读数头的读数可以计算出心轴在该圆光栅盘测量平面内沿线位移传感器测量方向的跳动值，根据心轴在两个圆光栅测量平面内的沿线位移传感器测量方向的跳动值可计算出心轴在待测轴承的待测平面内沿线位移传感器测量方向的跳动值，在线位移传感器测得数据中减去心轴跳动值后可得到更接近真实值的轴承内圈径向跳动值。

心轴转动时误差量值很小，两个圆光栅盘所处平面的两个相互垂直方向的径向跳动一般不超过100微米，而两个平面之间的距离远远大于100微米，因此可以把心轴的刚体空间运动近似分解为两个平面内相互独立的微幅刚体平面运动。由于被测心轴在旋转时误差量值很小，圆光栅盘和读数头之间的位置变化很小，因此读数头在测量中可以正常地计数。

利用上述装置对待测轴承的轴承内圈径向跳动进行测量时，为了便于说明，将第一圆光栅盘对应的两个读数头分别定义为读数头Ⅰ和读数头Ⅱ，将第二圆光栅盘对应的两个读数头分别定义为读数头Ⅲ和读数头Ⅳ。该方法的步骤如下：

步骤一，建立坐标系。如图2、3所示，设第一圆光栅盘和第二圆光栅盘所对应的测量平面分别为平面Q₁、平面Q₂，设待测轴承对应的测量平面为平面Q₃，在平面Q₁上以理论回转中心O₁为原点建立坐标系X₁O₁Y₁，在平面Q₂上以理论回转中心O₂为原点建立坐标系X₂O₂Y₂，在平面Q₃上以理论回转中心O₃为原点建立坐标系X₃O₃Y₃，O₁、O₂、O₃共线，并将O₁、O₂、O₃的连线定义为Z轴，因此，Z轴与心轴的轴向重合；定义R为第一圆光栅盘和第二圆光栅盘的半径；

步骤二，计算心轴在平面Q₁内Y₁方向的回转运动误差。设各个读数头的初始读数为0，迎着Z轴正向看，设绕Z轴的顺时针转动方向为心轴及各平面旋转运动的正方向，在心轴旋转过程的某一时刻，θ为心轴理论旋转值，θ_A1、θ_B1分别为读数头Ⅰ和读数头Ⅱ的读数，α_A1、ε_A1为读数头I的读数、读数头II的读数分别与心轴理论旋转角度θ的误差值，则结合图3可知，按照以下关系式：

θ_A1＝θ+α_A1＝θ+sin^-1(L(θ)₁/R)

θ_B1＝θ+ε_A1＝θ-sin^-1(L(θ)₁/R)

可得当心轴顺时针转过θ角后，心轴在X₁O₁Y₁坐标平面(即平面Q₁)内Y₁方向上的回转运动误差量L(θ)₁为：

步骤三，同理，计算心轴在平面Q₂内Y₂方向的回转运动误差。设各个读数头的初始读数为0，设绕Z轴的顺时针转动方向为心轴及各平面旋转运动的正方向，在心轴旋转过程的某一时刻，θ为心轴理论旋转值，θ_A2、θ_B2分别为读数头III和读数头IV的读数，α_A2、ε_A2为读数头III的读数、读数头IV的读数分别与心轴理论旋转角度θ的误差值；由以下关系式：

θ_A2＝θ+α_A2＝θ+sin^-1(L(θ)₂/R)

θ_B2＝θ+ε_A2＝θ-sin^-1(L(θ)₂/R)

可得当心轴顺时针转过θ角后，心轴在X₂O₂Y₂坐标平面(即平面Q₂)内Y₂方向上的回转运动误差量L(θ)₂为：

步骤四，计算心轴在平面Q₃中Y₃方向的回转运动误差。如图4所示，以迎着Z轴正向看，设绕Z轴的顺时针转动方向为正方向，将O₁O₂的距离记为L_AB，将O₁O₃的距离记为L_AC，图4中由曲线围成的图形表示心轴在对应平面内因回转误差而形成的轨迹，所述轨迹分别和相应的Y轴相交于点G、H、I，自G点向Y₃作垂线，相交于J点；从图4中可以看出，心轴顺时针旋转θ角后，心轴在平面Q₃内Y₃方向的回转运动误差Δr(θ)即图4中O₃I的长度，等于此时心轴在平面Q₁内Y₁方向的回转运动误差量L(θ)₁与ΔL之和，而ΔL为图4中线段JI的长度，L(θ)₁为图4中线段O₁G长度，同理L(θ)₂为图4中线段O₂H长度，根据相似三角形原理，结合前面所得的心轴在平面Q₁内Y₁方向的回转运动误差和心轴在平面Q₂内Y₂方向的回转运动误差可以计算得出心轴在平面Q3内Y3方向的回转运动误差Δr(θ)为：

步骤五，用线位移传感器测量值减去同一时刻的Δr(θ)值，所得值为待测轴承旋转θ角时的轴承内圈径向跳动值。

在上述方法中，心轴的运动测量原理如图3所示，圆O₁表示心轴出现径向跳动前的位置，圆O₁’表示心轴出现径向跳动后的位置，O₁到O₁’在Y1方向的距离就为心轴在平面Q₁内Y₁方向的回转运动误差L(θ)₁；以读数头Ⅰ为例，假设心轴不出现径向跳动，那么读数头Ⅰ此时读数为直线AD与圆O₁的交点A到直线BF与圆O₁的交点B的这段弧线的角度，即心轴旋转的角度θ，但是由于存在心轴的径向跳动，导致心轴跳动后，读数头Ⅰ的读数实际上应该为图中圆弧AC的角度，即θ_A1；同理，以读数头Ⅱ为例，假设心轴不出现径向跳动，那么读数头Ⅱ的读数为直线AD与圆O₁的交点D到直线BF与圆O₁的交点F的这段弧线的角度θ，但是由于存在心轴的径向跳动，导致心轴跳动后，读数头Ⅱ的读数实际上应该为图中圆弧DE的角度，即θ_B1。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.基于双圆光栅的轴承内圈径向跳动测量装置，其特征在于：包括旋转机构、心轴和两个圆光栅盘，所述旋转机构用于控制所述心轴绕自身中心轴线旋转，所述的两个圆光栅盘以及待测轴承沿心轴的轴向间隔设置在心轴上，待测轴承的内圈随心轴旋转，外圈静止；每个圆光栅盘周围对径安装两个读数头，其中一个圆光栅盘对应的两个读数头连线与另一圆光栅盘对应的两个读数头连线平行，每个圆光栅盘所对应的两个读数头用于测量心轴在该圆光栅盘测量平面内的回转运动；所述待测轴承的径向方向设置线位移传感器，线位移测量传感器用于测量待测轴承测量平面内包含心轴回转误差的轴承内圈径向跳动值，线位移传感器的测量方向与各个圆光栅盘对应的两个读数头的连线方向垂直。

2.根据权利要求1所述的基于双圆光栅的轴承内圈径向跳动测量装置，其特征在于：所述线位移传感器的传感器触头后设有弹性顶压元件，用于对轴承外圈进行止转定位并施加预紧力。

3.基于双圆光栅的轴承内圈径向跳动测量方法，该方法采用权利要求1所述的测量装置，所述的两个圆光栅盘分别为第一圆光栅盘和第二圆光栅盘，第一圆光栅盘对应的两个读数头分别为读数头I和读数头II，第二圆光栅盘对应的两个读数头分别为读数头III和读数头IV，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，设第一圆光栅盘和第二圆光栅盘所对应的测量平面分别为平面Q₁、平面Q₂，设待测轴承的测量平面为平面Q₃，在平面Q₁上以理论回转中心O₁为原点建立坐标系X₁O₁Y₁，在平面Q₂上以理论回转中心O₂为原点建立坐标系X₂O₂Y₂，在平面Q₃上以理论回转中心O₃为原点建立坐标系X₃O₃Y₃，O₁、O₂、O₃共线，并将其连线定义为Z轴，Z轴与心轴的轴向重合，R为第一圆光栅盘和第二圆光栅盘的半径；

步骤二，设各个读数头的初始读数为0，迎着Z轴正向看，设绕Z轴的顺时针转动方向为心轴及各平面旋转运动的正方向，在心轴旋转过程的某一时刻，θ为心轴理论旋转值，θ_A1、θ_B1分别为读数头I和读数头II的读数，θ_A2、θ_B2分别为读数头III和读数头IV的读数，α_A1、ε_A1为读数头I的读数、读数头II的读数分别与心轴理论旋转角度θ的误差值，α_A2、ε_A2为读数头III的读数、读数头IV的读数分别与心轴理论旋转角度θ的误差值；则按照以下关系式：

θ_A1＝θ+α_A1＝θ+sin^-1(L(θ)₁/R)

θ_B1＝θ+ε_A1＝θ-sin^-1(L(θ)₁/R)

可得当心轴顺时针转过θ角后，心轴在X₁O₁Y₁坐标平面内Y方向上的回转运动误差量L(θ)₁：

同理，可得心轴顺时针转过θ角后，心轴在X₂O₂Y₂坐标平面的Y方向上的回转运动误差量L(θ)₂：

步骤三，将O₁O₂的距离记为L_AB，将O₁O₃的距离记为L_AC，由步骤二得出的L(θ)₁和L(θ)₂按下式推算出心轴在平面Q₃上的回转误差Δ_r(θ)：

步骤四，用心轴旋转θ角时的线位移传感器的测量值减去步骤三所得的Δ_r(θ)值，所得值为此时待测轴承的内圈径向跳动值。

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