调心滚子轴承滚道曲率半径和中心位置测量仪

陈　虹

（广州大学，广东广州510006）

调心滚子轴承滚道曲率半径和中心位置测量仪

陈虹

（广州大学，广东广州510006）

调心滚子轴承的生产工艺设备落后，制造水准较低，测试手段较落后等因素直接影响其质量的提高。目前，国内制造厂家基本上采用样板法和测量双滚道对称度的方法来间接测量内圈滚道曲率半径和曲率中心位置。该方法误差大，精度低。介绍一种调心滚子轴承滚道曲率半径和中心位置测量仪，其使用方便，测量精度高，是适用于工序间检查站的测量仪器。

测量仪；曲率半径和中心位置；调心滚子轴承

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.021

0　引言

调心滚子轴承的生产工艺设备落后，制造水准较低，测试手段较落后等因素直接影响其质量的提高［1］。目前，国内制造厂家基本上采用样板法和测量双滚道对称度的方法来间接测量内圈滚道曲率半径和曲率中心位置。这种间接测量方法误差大，精度低。随着我国轴承工业发展，提高调心滚子轴承质量的研究势在必行。本文介绍一种测量自动调心滚子轴承内圈双滚道中心距专用测量仪，该仪器应用于车间检查站，实现对调心滚子轴承的内圈外滚道曲率半径偏差和曲率中心位置的测量，以控制曲率半径偏差和中心位置，为调心滚子轴承的制造工艺提供可靠的数据依据［2］。

1　仪器构成

1.1仪器结构

外滚道曲率中心位置测量仪由机械和电气两部分组成，主要包括：高精度滚道导轨、传动系统、升降系统、定位机构、封闭式光栅传感器、光栅细分接口卡和计算机及软件处理程序。电气原理框图如图1所示。

图1　测量仪电气原理框图

机械结构由基座、支架、齿形带轮、定导轨、动导轨、光栅传感器、轴承、偏心轴、微调旋钮、光栅传感器、吸板、V型铁和定位尺等组成。结构图如图2所示。

其中基座为仪器总底座基础，支架支撑固定定导轨，齿形带轮带动传动系统，定导轨与X方向平行，动导轨引导光栅传感器1读数头沿X轴方向移动，光栅传感器1测量X轴方向位移量，C1000085轴承与滚动导轨组成滚动组件，偏心轴用于调整C1000085轴承的预负荷，微调旋钮调整光栅传感器2位置，光栅传感器2测量Y轴方向位移量，吸板用于固定被测工件，V型铁用于被测工件定位。

1.2工作原理

本仪器采用直角坐标法测量双滚道轴承内圈曲率中心位置和曲率半径［3］。工件被测母线置于坐标系X0Y平面内，并与Y轴垂直，封闭式光栅传感器的光栅尺安装在定导轨上，光栅传感器的读数头与动导轨固定在一起，形成X轴。长度计位移传感器固定在动导轨上，测头沿Y轴方向随工件被测母线上下移动，测量时，调整Y轴方向光栅传感器的位置，使测头接触被测量工件轮廓时传感器的测量量程范围之内，测量时均匀转动手轮，封闭式光栅传感器测出X轴方向位移量，长度计位移传感器测出Y轴方向（工件母线轮廓）位移量，将这两个测量值分别通过接口与光栅细分计数卡连接并输入计算机，计算机程序采用最小二乘法分别计算出圆心位置及曲率半径，并将结果显示在计算机屏幕上。

1.3数学模型建立

调心滚子轴承的双沟道均为一段圆弧滚道，每段弧可视为整圆的一部分。圆的一般方程式：

其中A、B、C为常数，X、Y为圆上某点坐标值。

图2　测量仪结构示意图

实际测量中要测出圆弧上的一系列点Xi、Yi坐标值，因此：

Xi2+Yi2+A Xi+B Yi+C=ΔI；

根据最小二乘法：ΣΔi2=min；分别求导：

令：

则：

且：

解三元一次方程组，求出A，B，C，圆心半径为：（-A/2，-B/2），曲率半径为：

1.4精密导轨设计

本测量仪采用精密滚动导轨。定导轨采用GCr15材料制造，四个工作面两两相对，两相对面平行差为1 μm/200 mm，动导轨采用框架组合，并由16套C1000085精密微型轴承组成。轴承分别与动导轨工作面接触，组成滚动付。动、静导轨配合为可调式。实际工作时把动、静导轨调整为负间隙配合，以保证C1000085轴承有一定预负荷，以增加导轨刚性和精度，实测精度为2.3 μm/120 mm。

1.5传感器及电路设计

根据仪器工作原理，X坐标轴选用贵阳新天光电科技有限公司的封闭式光栅传感器，型号为JCXF1，测量量程为150 mm，分辨率1 μm；Y坐标轴选用德国海德汉公司的长度计，型号是MT1271，量程选用12 mm行程，精度±0.2 μm，直线式光栅传感器，两个光栅传感器分别通过光栅细分接口卡与计算机连接，光栅传感器将位移量转化为按正弦规律变化的四路电信号，经过放大电路进行增益调节放大后，再将电信号进行细分，通过计数器保存位移的变化量，并经过计算机系统总线传递给CPU进行随机采样，得到光栅传感器的数据，通过建立的数学模型计算得到调心滚子轴承的内圈外滚道曲率半径偏差值和曲率中心的位置坐标值。

本仪器的测量值可为调心滚子轴承的设计、生产工艺制定提供数据分析基础。

1.6计算机软件设计编程

计算机通过双路光栅细分计数卡接口分别接受X轴与Y轴的数据采集信息。先向细分卡发送指令，锁存当前X轴、Y轴的测量数据值，保证采样数据的准确性，计算机实时接受两个并行口送来的数据［4］，仪器处于调整状态时，将实时采集的X轴、Y轴的测量值显示在计算机屏幕上；处于测量状态时，先测量第一段弧，根据数学模型［5-7］计算出其圆心位置及半径值，然后手动抬起测头，越过平台挡边，再进行第二段弧的测量，计算出第二段弧的圆心位置及半径值，最后再计算出双滚道中心距离。软件流程图（程序略）如图3所示。

图3　软件流程图

2　主要技术指标

2.1测量范围

内径：ϕ20 mm～ϕ100 mm

2.2示值误差

中心距：±0.02 mm

曲率半径±0.1 mm

2.3示值重复性

中心距±0.02 mm

曲率半径±0.1 mm

3　测试验证

在环境温度20℃，相对湿度60%的实验条件下，以ϕ62.002 mm两个外径环规置于V型块上

定位进行测量，两个环规中心距为ϕ62.002 mm。重复测试30次数据值，如表1。

表1　R环规中心距重复性测量值

设测试误差为δ（mm）

中心距均小于误差±0.02 mm，满足设计指标。

4　结束语

该仪器原理正确，结构合理，操作方便。经用户使用，各项指标满足生产需求，为提高调心滚子轴承的质量提供了可靠的检测手段。该仪器功能单一，今后改进方向应该使功能多样性，进一步简化操作，使装调、使用更为方便。

［1］姜山，刘英华.双列偏心圆锥滚子轴承内滚道标准件测量方法［J］.哈尔滨轴承，2011（02）：78-79.

［2］钟华，李峰，孙晓惠.调心滚子轴承内圈滚道磨削方法和质量控制［J］.哈尔滨轴承，2011（01）：7-8，24.

［3］王长山，陈虹，朱孔敏.R9O3Z沟曲率测量仪［J］.轴承，1997（12）：35-38，42.

［4］郑学坚，周斌.微型计算机原理及其应用［M］.北京：清华大学出版社，2001.

［5］余泽通，王超，陈世超.最小条件下圆度误差计算［J］.机械研究与应用，2010（06）：67-68.

［6］岳奎.最小二乘圆法评定圆度误差的程序设计［J］.工具技术，2006（04）：79-81.

［7］黄建龙，秦建华，吕汝金，等.圆度误差最小区域法数学模型的建立及其测量方法［J］.兰州理工大学学报，2005（02）：40-42.

（编辑：向飞）

Spherical Roller Bearings Raceway Radius of Curvature and the Center Position Measuring Instrument

CHEN Hong
（Guangzhou University，Guangzhou510006，China）

Spherical roller bearing production equipment is relatively backward，lower manufacturing standards，testing means more backward a direct impact on improving the quality.At present，the domestic manufacturers are basically using the symmetry of the model law and strategies raceway method to indirectly measure the radius of curvature and the curvature center position of the inner ring raceway.Such indirect methods of measurement has errors，and the accuracy is low.This article describes a self-aligning roller bearing raceway curvature radius and center position measuring instrument，measuring and easy to use，high measurement accuracy for measuring instruments in the process between checkpoints.

measuring instrument；radius of curvature and the center of；spherical roller bearings.

TH133.3

A

1009-9492（2015）01-0079-03

2014-08-11

陈虹，女，1962年生，河南人，大学本科，高级工程师。研究领域：检测技术与自动化装置。已发表论文12篇。