滚动轴承内外径智能检测仪的研制

　　摘　要：针对扭簧表在滚动轴承内外径检测中存在的读数困难、检定频繁等缺点，开发了一种滚动轴承内外径智能检测仪。该量仪在单片机系统控制下可实现对滚动轴承内外径的智能检测，具有显示、打印、超限报警等功能。在泰安轴承厂实际试用表明：该量仪测量精度和速度满足要求，性能稳定，应用前景良好。
　　叙词：滚动轴承；微处理机；检测
　　引言
　　滚动轴承是一种通用基础件，具有生产批量大、精度要求高等特点。滚动轴承的检测项目很多，归纳起来可分为内径、外径、跳动、振动等12个主项和宽度、互换性、倒角等6个次项，其中Z为重要的检测项目为内径和外径。对滚动轴承内（外）径检测的技术要求为：各公差等级滚动轴承的单一平面平均内（外）径偏差、单一平面的内（外）径变动量及单套轴承的内（外）径变动量不应超过GB307.1-84规定的数值^[1]。
　　目前，我国滚动轴承制造业在轴承尺寸精度的检测方面手段比较落后，仍采用扭簧表和相应的测量台架组成的检测系统，该系统自50年代至今基本上没有变化，已跟不上现代科学技术的发展，满足不了检测技术现代化的要求，并影响到产品质量的进一步提高。我国滚动轴承制造业生产批量大，质量检测工作任务繁重，进一步改造、更新检测设备，提高检测水平，是十分必要的。由扭簧表和相应测量台架组成的传统测试系统存在以下问题：①扭簧表采用指针示值的方式，由于灵敏度较高，测量过程中指针抖动，测量者读数吃力，在连续操作中容易出现误收和误废。②扭簧表本身检定频繁，使用周期短，可靠性差。③该测试系统不具有数据处理功能，不能自动判别滚动轴承尺寸精度的指标是否达到要求。针对以上问题，作者研制了一套滚动轴承内外径智能检测仪，变传统的机械式仪表为新型的智能化仪表，实现了滚动轴承检测的智能化、数字化。
　　1　工作原理
　　滚动轴承内外径智能检测仪工作原理如图1所示。由运算放大器和电阻、电容组成的振荡器输出正弦波信号，经缓冲放大后作为传感器的激励电源。当轴承套圈在台架上旋转引起传感器测头上、下移动偏离零位时，测量电桥输出一个与位移量成正比的交流电压信号，经放大器放大后，输送到相敏检波器解调，相敏检波器的参考电压同样由缓冲级的输出电压获得，与传感器的激励电源同频、同相，可判别出被测信号的极性并进行整流，因此，相敏检波器的输出信号可反映测头位移的大小和方向。由测量电路输出的双极性模拟信号，经极性变换后变成单极性信号，分两路进入8098单片机进行A/D转换，自动进行数据处理，然后显示、打印测量结果，并自动判别预置指标是否合格，超限则报警。 　　2　量仪设计
　　2.1 传感器的选择
　　由于该量仪用于滚动轴承内外径的精密检测，而且工厂对滚动轴承的测量一般是成批地进行，所以要求传感器测量精度高，稳定性强，装夹定位容易。为此，选用差动式电感传感器，其工作原理为：当工件尺寸变化时，测杆带动磁芯上、下移动，将尺寸的变化转变为线圈电感量的变化。
　　2.2 测量电路的设计
　　该量仪的测量电路主要由测量电桥、振荡器、量程变换、交流放大、相敏检波和直流放大部分组成^[2]，可以保证较高的精度和稳定性。
　　2.2.1 测量电桥
　　尺寸的微小变化经传感器转换成的电参数是很微弱的，必须经过放大电路才能进入单片机处理系统。但是电感传感器转换成的是电感量，不能直接进行放大。测量电桥是一种利用电桥不平衡时输出的电压与电桥桥臂上的阻抗成比例的原理来测量阻抗的电路，因此只要将电感传感器的电感线圈接入电桥作为桥臂，那么电桥就能将电感量的变化转换成电压输出，然后进行放大。
　　2.2.2 振荡电路
　　本量仪采用的是RC正弦波振荡器，它的作用：一是由它输出一定频率的正弦波电压，供给测量电桥，使传感器和电桥能将尺寸变化转化成交流电压的变化；二是由它为相敏检波器提供参考电压，用来比较放大器输出信号的相位，以确定工件尺寸的偏移方向。作为智能量仪的振荡电路，要求输出幅值稳定，频率稳定。本量仪采用的是文氏振荡电路，通过在放大负反馈回路中采用场效应管来自动调整反馈的强弱，以达到自动稳幅的目的。
　　2.2.3 交流放大
　　测量电桥输出的电压信号是很微弱的，必须经过交流放大处理之后，才能满足后继电路的要求。该量仪的交流放大电路由两级组成，前一级为T形反相比例运算放大电路，后一级为同相比例运算放大电路，由于两级放大均实现了深度负反馈，放大倍数相当稳定，因而保证了运算的精度和稳定性。
　　2.2.4 相敏检波
　　该量仪的相敏检波电路由模拟开关4066和电压比较器339共同组成，具有电路简单、可靠性好、调试方便等优点。经过相敏检波电路后，传感器测头的正向位移转变成与之成正比的正电压，反向位移转变成与之成正比的负电压。再经过低通滤波和直流放大之后，直接进入单片机系统进行A/D转换。
　　2.3 单片机硬件系统设计
　　通过分析比较，选用96系列的8098单片机作为本量仪的控制芯片，一是8098具有16位并行运算能力，特别适合滚动轴承内外径精度高速频繁检测的要求；二是8098自带10位A/D转换，既满足分辨率的要求，又给电路设计带来方便;三是8098自带监视跟踪定时器功能，确保程序可靠运行。该单片机硬件系统主要由8098单片机、A/D转换、存储器、键盘、显示器、打印机和报警器等部分组成，原理如图2所示，在软件系统控制下实现滚动轴承内外径的智能检测，具有显示、打印、超限报警等功能。 　　2.4 单片机软件系统设计
　　整个软件系统包括初始化程序、键盘扫描程序、查表与散转程序、存储程序、A/D转换与数字滤波程序、显示打印程序、单一径向平面检测程序、对称径向平面检测程序8个模块，在键盘的统一管理下，由这8个模块组合成量仪的4种工作方式，进行滚动轴承的检测工作。程序流程如图3所示。工作方式1，该量仪可以作为一般的电感测微仪使用;工作方式2，用于G、E、D、C级滚动轴承的圆度检测；工作方式3，用于B级滚动轴承的圆度检测;工作方式4，用于滚动轴承的圆柱度检测。通过在泰安轴承厂的试用，该软件设计达到了以下要求：检测精度和检测速度满足工厂的要求，能够对各精度等级滚动轴承的内外径各项指标进行检测，能够自动判别轴承是否合格。 　　3　性能指标
　　样机制备、调试之后，在自我实验测试的基础上，由山东省计量科学研究所进行技术鉴定，该量仪达到的技术指标如表1所示。 　　4　结论
　　（1）该量仪在原理上是可行的，在设计上是成功的，通过鉴定，达到了要求的技术指标。
　　（2）该量仪的创新在于变机械仪表为智能仪表，实现了滚动轴承检测的智能化和数字化。
　　（3）通过试用，反映良好，认为该量仪精度高，性能稳定，有较好的推广应用前景。
　　参考文献：
　　[1]李柱等.互换性与技术测量.北京:计量出版社，1984.
　　[2]王乃钊，赵秀珍.便携式智能数字测微仪.电子测量与仪器学报，1995，9（2）:32～37.