CN202133547U - 一种滚动轴承综合性能高精度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种滚动轴承综合性能高精度测量装置，该测量装置包括：花岗岩基座、伺服驱动系统、空气主轴支撑系统、精密芯轴、被测轴承、轴向空气加载模块、径向空气加载模块、旋转精度测量模块、振动测量模块、温度测量模块、动态转矩测量模块、供气模块、数据采集与处理模块。该测量装置采用伺服系统驱动空气主轴确保系统精度；采用空气加载装置实现被测轴承轴向力与径向力的非接触式加载模拟实际工况；采用多传感器分离系统误差提高测量精度，同时该装置可测量多种轴承性能参数。本实用新型涉及的滚动轴承测量装置功能全面，测量精度高，实现了轴向与径向载荷的非接触式加载和精确控制，且可精确控制被测轴承转速。

Description

一种滚动轴承综合性能高精度测量装置

技术领域

本实用新型属于测量领域，涉及一种滚动轴承综合性能高精度测量装置，尤其是一种滚动轴承旋转精度、动态转矩、振动和温度等综合性能的高精度测量装置。 

背景技术

滚动轴承是一种精密机械元件，广泛应用于航空航天、车辆、机床主轴、电机等重要工业系统，起着支撑和传递动力的作用。滚动轴承的旋转精度、动态转矩、振动、温升等性能直接影响到系统的动态特性，进而影响整机的工作性能。近年来，随着高档机床等高精度装备制造业的发展，提高滚动轴承的旋转精度性能，同时降低动态转矩、振动、温升等性能变得尤为重要。因此，采用行之有效的实验方法精确测量滚动轴承在轴向与径向的联合载荷作用下的旋转精度、动态转矩、振动、温升等性能，分析结构参数、加工质量和工作条件对滚动轴承旋转精度等性能的影响规律，揭示滚动轴承旋转精度等性能形成的物理学本质，对提高滚动轴承的设计、加工、使用水平，进而提高滚动轴承的服役性能具有十分重要的意义。 

美国专利公开说明书US 6,378,382 B1公开了一种滚动轴承径向旋转精度与动态转矩测量装置(DEVICE FOR MEASURING ROTATION ACCURACY ANDDYNAMIC TORQUE FOR RADIAL ROLLING BEARING)，该装置在滚动轴承的轴向施加非接触式载荷，同时对滚动轴承的NRRO(非重复性跳动精度)和动态力矩进行测量。但是，其一该装置无法实现轴承径向非接触式加载；无法模拟 轴承真实工况；其二该装置没有测量轴承三向加速度数据与温度数据，无法测量轴承的精确转角，监测信号不全面；其三该装置无法同步采集主轴误差，无法从轴承NRRO中分离空气主轴系统的旋转误差。 

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种滚动轴承综合性能高精度测量装置，实现系统误差同步分离，提高测量精度，最终获得轴向与径向联合载荷作用下滚动轴承旋转精度、动态转矩、振动以及温度等性能参数，进而评价滚动轴承综合性能。 

本实用新型的技术方案是这样实现的： 

空气主轴固定安装在花岗岩基座的中心孔内，圆光栅安装在空气主轴的下止盘轴端，伺服驱动系统通过弹性联轴器与空气主轴轴端相连，用于安装被测轴承的精密芯轴固联在空气主轴的上止盘轴端，精密测量套圈采用过渡配合安装在被测轴承的外圈，动态转矩测量臂、三轴加速度传感器和温度传感器分别安装在精密测量套圈的周向对应的螺纹孔和内部凹槽内，电容式传感器分布在精密芯轴测量轴段的径向及精密测量套圈的轴向和径向。 

精密位移台通过测量支架与花岗岩基座相连。 

电容式传感器固定安装在精密位移台上。 

轴向空气加载装置和径向空气加载装置以及数据采集系统安装于花岗岩基座上，动态转矩测量力传感器安装在轴向加载装置的支架上。 

本实用新型效果如下： 

采用高精度空气主轴作为被测滚动轴承的直接驱动元件，以保证测量系统的总体精度；伺服电机与空气主轴通过柔性联轴器连接并固定在减震性能 好的花岗岩基座上，以消除系统振动对实验系统精度的影响；采用高精度高可靠性的数据采集系统以及业界高精度的电容式位移传感器、温度传感器、力传感器以及微型化的三轴加速度传感器，高精度的测取被测对象的各种物理量。 

利用空气止推轴承实现滚动轴承轴向和径向的非接触式加载，通过调节气缸的压力以及采用力传感器，可以实时显示并控制作用在滚动轴承轴向和径向载荷的大小；非接触式加载保证轴承外圈在轴向和径向的运动不受约束，各个方向可自由运动，使得所测数据可以更加真实反映轴承外圈的动态特性；另外，摩擦力矩的测量也因为没有外界约束更准确。 

通过高性能驱动装置以及安装在空气主轴上的高精度圆光栅，可以精确测量轴承内圈的旋转角度以实现轴承径向跳动测量中的误差分离，使测量结果更准确；可以精确控制主轴的转速从数转/分钟到数千转/分钟，实现滚动轴承极低转速和较高转速性能的对比研究。 

可以通过更换芯轴以及精密测量套圈的方式适应多种型号和系列滚动轴承的测量需求； 

该系统同时对轴承驱动系统即高精度芯轴以及轴承的跳动信号进行测量，从轴承的跳动信号中分离芯轴的跳动误差，从而可以最大限度的消除轴承驱动系统误差对测量结果的影响。而在对驱动系统误差的估算过程中，采用三点误差分离法消除了芯轴的几何误差，进一步提高了测量精度。 

用于安装高精度位移传感器的测头支架结构经过特殊设计，使得传感器的探头伸出长度略低于测头支架，有效防止轴承故障或拆装过程中对高精度位移传感器的碰撞等，防止传感器的机械损坏。 

试验台同步采集被测轴承位移信号、芯轴位移信号、旋转角度信号、摩擦力信号、温度信号、被测轴承振动加速度信号，采集的信息全面，信号一致性好，更能真实反应各性能参数之间的内在联系。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明： 

图1本实用新型的一种滚动轴承综合性能高精度测量装置的原理图； 

图2本实用新型的一种滚动轴承综合性能高精度测量装置的结构图； 

图3本实用新型的精密测量套圈内温度传感器布局结构图。 

其中花岗岩基座(1)、伺服系统(2)、圆光栅(3)、空气主轴(4)、精密位移台导轨(5)，(10)、精密位移台(6)、支架(7)，(8)，(9)、电容式位移传感器与防护支架(11)、三轴加速度传感器(12)、精密测量套圈(13)、精密芯轴(14)、轴向空气加载装置(15)、被测轴承(16)、转矩测量臂(17)、动态转矩测量力传感器(18)、径向空气加载装置(19)、数据采集系统(20)、温度传感器(25)。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述： 

如图1所示，一种滚动轴承综合性能高精度测量装置包括：支撑整个装置花岗岩基座(1)，设置在花岗岩基座(1)安装孔内的空气主轴(4)，伺服驱动系统(2)与空气主轴(4)采用弹性联轴器连接，支撑被测轴承(16)的精密芯轴(14)固联于空气主轴(4)上止盘轴端，精密测量套圈(13)则与被测轴承(16)采用过渡配合连接，此外，轴向空气加载装置(15)和径向空气加载装置(19)以及数据采集系统(20)安装于花岗岩基座(1)上。测量装置中传感器包括，设置 在精密测量套圈(13)上的动态转矩测量臂(18)和三轴加速度传感器(12)，设置在精密测量套圈(13)内部的温度传感器，设置在测量支架上的精密位移台的电容式位移传感器(6)，设置在空气主轴(4)轴端的圆光栅(3)，设置在轴向空气加载装置(15)和径向空气加载装置(19)内部的力传感器。所述电容式位移传感器(6)测量精密芯轴(14)的径向跳动及精密测量套圈(13)的轴向和径向跳动，所述圆光栅测量空气主轴(4)的旋转角度，所述力传感器21测量轴承的动态转矩，所述三轴加速度传感器(12)测量精密测量套圈(13)的轴向和径向加速度，所述温度传感器测量被测轴承(16)外圈的温度分布，所述数据采集系统(20)同步获取所述各路传感器的信号并输入计算机进行处理和显示。 

所述精密芯轴(14)为三阶梯轴，可以安装不同两种内径系列的轴承进行实验。其下端通过锥形孔与所述空气主轴(4)上止盘轴端配合以便快速对心，采用沉头螺钉与所述空气主轴上止盘固联；所述伺服驱动系统(2)通过柔性联轴器与空气主轴下止盘轴端连接；安装在所述空气主轴下止盘轴端的圆光栅(3)精确采集空气主轴的旋转角度。精密芯轴与空气主轴上止盘链接部位法兰为固定尺寸，但精密芯轴其他部位结构可以改变，从而可以根据实验需要随时通过更换精密芯轴来扩大试验台的使用范围。 

所述空气加载系统分为轴向加载装置(15)和径向加载装置(19)，均通过支架固联于花岗岩基座(1)；所述轴向加载装置(15)和径向加载装置(19)均由支架、气缸、力传感器、推杆、空气止推轴承五部分组成，不同点在于轴向加载装置所用空气止推轴承的工作面为平面，而径向加载装置所用空气轴承的工作面为圆柱面。空气记载系统利用力传感器，可以精确控制施加的载荷。 

所述精密测量套圈根据实验轴承的外径，配套加工；采用轻质材料以减小对轴承运动的影响。该套圈采用过渡配合与轴承外圈连接，其周向靠近轴承表面均匀布置有温度传感器，用于测量轴承周向的温度分布。精密测量套圈外圈有局部精加工表面在精密套圈上直接加工或通过装配方式镶嵌在套圈上，用于和径向加载装置空气止推轴承配合实现径向加载。不同外径的精密测量套圈用于和径向加载机构配合的表面曲率相同，以便对于所有系列试验轴承只使用一套加载装置。套圈的圆周安装有一个定位销，用于和力传感器接触，实现转矩测量。 

所述力传感器通过支架固联于基座上，所述固联于精密测量套圈的转矩测量臂(17)与力传感器(18)接触，轴承内圈旋转产生的摩擦力传递到轴承外圈和精密测量套圈，使得精密套圈和力传感器之间有相对运动趋势，此时通过力传感器测量定位销的作用力，可推算被测滚动轴承启动及稳定运转时摩擦转矩。 

所述电容式位移传感器共六只，均通过传感器支架分别安装在对应的精密位移台上，精密位移台可在导轨上滑动，利用精密位移台可精确调整传感器距被测表面的距离，以保证实验在传感器的线性范围内进行。其中三只传感器位于同一水平面与芯轴旋转轴线垂直且呈特定角度对准精密芯轴旋转中心，用于测量芯轴准确的旋转精度；另外两只电容式位移传感器位于同一水平面与芯轴旋转轴线垂直且相互之间夹角90°，对准精密测量套圈且其交点通过旋转轴线，用于测量被测轴承的径向跳动。按照圆光栅所测的精确地角度，从被测轴承的径向跳动中减去芯轴旋转的跳动，可以获得实验轴承准确的径向跳动。最后一只传感器布置在精密测量套圈的轴向位置，用于测量被 测轴承的轴向跳动。 

所述数据采集系统(20)与所述电容式位移传感器控制器连接，采集精密测量套圈轴向与径向跳动位移和精密芯轴轴心的径向跳动位移信号；所述数据采集系统与所述三轴加速度传感器连接，采集精密测量套圈的振动加速度信号；所述数据采集系统与所述温度传感器连接，采集轴承外圈表面的温度变化信号；所述数据采集系统与所述力传感器动态转矩测量连接，采集所述轴承摩擦力信号；所述数据处理工作站与所述数据采集系统连接，实时显示各种测量数据以及对测量数据进行后处理。 

1)驱动系统包括伺服电机、电机驱动器和柔性联轴器，其中伺服电机安装在花岗岩基座内，柔性联轴器连接电机与空气主轴下止盘的轴端； 

2)空气主轴支撑包括空气主轴、圆光栅，空气主轴的壳体固联于花岗岩基座上，圆光栅安装在空气主轴下止盘轴端； 

3)精密芯轴与空气主轴上止盘轴端连接采用锥形孔定位，然后通过紧固螺钉与空气主轴上止盘固联在一起，随着空气主轴同步转动； 

4)被测轴承的内圈与精密芯轴选用过渡配合连接，其随着精密芯轴同步转动；被测轴承的外圈与精密测量套圈选用过渡配合连接，精密测量套圈具有三个方向的平动自由度和两个方向的转动自由度； 

5)空气加载模块分为轴向加载模块和径向加载模块两部分。轴向加载装置包括轴向加载支架、轴向气缸、轴向力传感器、轴向过渡杆和轴向空气轴承，轴向加载支架固定安装在花岗岩基座上，轴向气缸固定安装在轴向加载支架上，轴向力传感器固定安装在气缸的伸出端，并通过顶帽与轴向过渡杆的球窝相连，而过渡杆的顶帽则与轴向空气轴承 的球窝相连；径加载装置包括径向加载支架、径向气缸、径向力传感器、径向过渡杆和径向空气轴承，径向加载支架固定安装在花岗岩基座上，径向气缸固定安装在径向加载支架上，径向力传感器固定安装在气缸的伸出端，并通过顶帽与轴向过渡杆的球窝相连，而过渡杆的顶帽与径向空气轴承的球窝相连； 

6)旋转精度测量模块包括六只电容式位移传感器及其防护支架、精密位移台、以及三组支架。传感器三组支架固联于在花岗岩基座上，精密位移台固联于传感器支架上，电容式位移传感器及其防护支架固联于精密位移台上。通过调节精密位移台的行程，可精密和方便地控制传感器和被测表面的距离； 

7)振动测量模块的三轴加速度传感器固联在精密测量套圈径向的螺纹孔内(24)(见图3)；温度测量模块的温度传感器固联在精密测量套圈周向均布的凹槽内(26)(见图3)；动态转矩测量模块包括固联于精密测量套圈的测量臂和力传感器，其中测量臂通过螺纹固联在精密测量套圈径向的螺纹孔内(21)(见图3)，力传感器固联于轴向加载支架的侧壁上；旋转角度测量模块，通过固联于空气主轴下止盘轴端的圆光栅精确采集轴承旋转角度。 

采用本实用新型进行滚动轴承旋转精度、振动、动态转矩、温度分布以及旋转角度的测量时，具体实施过程包括下列步骤： 

1)将温度传感器安装到精密测量套圈径向的小孔内；将加速度传感器安装到精密测量套圈径向的螺孔内；将定位销插入精密测量套圈径向的销孔内； 

2)将精密芯轴安装在空气主轴上止盘轴端，调整好同轴度并拧紧紧固螺栓；将被测轴承安装到芯轴上；将精密测量套圈安装到被测轴承的外圈上； 

3)通过定位孔将轴向空气止推轴承的推力盘安装在精密测量套圈的上端面；控制轴向载荷施加的力传感器安装在气缸伸出段的端部，调节轴向气缸伸出段的长度，使得力传感器的顶帽与轴向过渡杆的球窝接触，轴向过渡杆的顶帽与轴向空气轴承的球窝接触； 

4)通过调节径向加载支架使径向气缸伸出段与轴承外圈高度相当，适当调节径向气缸伸出段的长度，使得径向力传感器的顶帽与径向过渡杆的球窝接触，径向过渡杆的顶帽与径向空气轴承的球窝接触，径向空气轴承与精密测量套圈上的空气轴承作用面接触，要求保证径向力传感器、径向过渡杆的中心线重合，并与径向空气轴承保持同一高度； 

5)轻微转动精密测量套圈，使得轴向布置的动态转矩测量臂紧靠在力传感器上，并将力传感器的示值归零； 

6)将六只电容式传感器装配于各自的防护支架中，并固联于精密位移台，调整传感器与被测体的距离，以保证传感器位于测量范围内； 

7)打开数据采集系统，检查各个通道的输入是否正常，调整所有的位移传感器保证其位于线性测量范围内； 

8)打开供气系统，检查空气主轴供气回路、轴向与径向加载系统的供气回路工作状态，开启伺服电机并调节转速至预定值； 

9)调节轴向和径向空气加载系统驱动气缸的推力，使得轴向力传感器和径向力传感器的示值与预定载荷接近且低于预定载荷值，调节轴向空 气轴承和径向空气轴承的调压器，使轴向空气轴承与精密测量套圈上端面之间和径向空气轴承和径向空气轴承作用块之间均形成稳定的气膜，微调轴向气缸和径向气缸的力直至轴向力传感器和径向力传感器的示值与预定载荷值一致。 

10)利用数采系统，采集精密测量套圈的跳动、芯轴的跳动、空气主轴的旋转角度、轴承的振动、轴承的动态转矩、轴承外圈的温度，根据需要，在计算机上实时监测和组合显示这些信息。 

11)一组数据测量完成之后，通过改变载荷值、转速和润滑条件，可以得到一个滚动轴承不同工作条件下的测量数据。 

12)一个滚动轴承测量完成之后，根据需要更换芯轴和精密测量套圈，重复上述步骤，如此，可以得到多组不同加工质量和不同结构参数滚动轴承的测量数据。 

首先它可以精确控制施加在滚动轴承轴向和径向非接触载荷的大小以及滚动轴承的旋转速度，然后采用圆光栅、三个高精度电容式位移传感器、一个三轴加速度传感器、一个力传感器和二十个温度传感器等同步采集轴承的旋转角度、径向与轴向跳动位移信号、三向加速度信号、动态转矩以及温度分布等，以此表征轴承的综合性能，同时该装置通过另外三只高精度电容位移传感器测量精密芯轴径向旋转误差，实现系统误差同步分离，提高测量精度，最终获得轴向与径向联合载荷作用下滚动轴承旋转精度、动态转矩、振动以及温度等性能参数，进而评价滚动轴承综合性能。 

Claims (4)

1.一种滚动轴承综合性能高精度测量装置，其特征在于，该装置包括：花岗岩基座(1)、空气主轴(4)、伺服驱动系统(2)、精密芯轴(14)、被测轴承(16)、精密测量套圈(13)、轴向空气加载装置(15)、径向空气加载装置(19)、动态转矩测量臂(17)、温度传感器(25)、三轴加速度传感器(12)、电容式位移传感器(11)及其精密位移台(6)、力传感器(18)、圆光栅(3)和数据采集系统(20)，空气主轴(4)固定安装在花岗岩基座(1)的中心孔内，圆光栅(3)安装在空气主轴(4)的下止盘轴端，伺服驱动系统(2)通过弹性联轴器与空气主轴(4)轴端相连，用于安装被测轴承(16)的精密芯轴(14)固联在空气主轴(4)的上止盘轴端，精密测量套圈(13)采用过渡配合安装在被测轴承(16)的外圈，动态转矩测量臂(17)、三轴加速度传感器(12)和温度传感器(25)分别安装在精密测量套圈的周向对应的螺纹孔(21，24)和内部凹槽(26)内，电容式传感器分布在精密芯轴测量轴段的径向及精密测量套圈的轴向和径向。

2.根据权利要求1所述的一种滚动轴承综合性能高精度测量装置，其特征在于，精密位移台通过测量支架(7)，(8)，(9)与花岗岩基座(1)相连。

3.根据权利要求1所述的一种滚动轴承综合性能高精度测量装置，其特征在于，电容式传感器固定安装在精密位移台上。

4.根据权利要求1所述的一种滚动轴承综合性能高精度测量装置，其特征在于，轴向空气加载装置(15)和径向空气加载装置(19)以及数据采集系统(20)安装于花岗岩基座(1)上，动态转矩测量力传感器安装在轴向加载装置的支架上。 

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