轴承端面凸出量测量仪动作控制电路的改进

杨晨，宋亚芳，胡英贝

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

1 轴承端面凸出量测量仪

在精密轴系中，多采用成对安装的角接触球轴承。端面凸出量是角接触球轴承的重要参数，其不但影响主轴的旋转精度、刚度、振动、噪声，还直接影响轴承的使用寿命。轴承端面凸出量测量仪能够准确检测单套轴承在一定预载荷作用下的端面凸出量。

如图1所示，轴承端面凸出量测量仪主要由机械工作台、电气控制箱和计算机3部分组成。测量过程中主要有上升、下降、加载3个动作状态。首先，通过电路控制气路控制箱中电磁阀的通断，从而增加气路中的空气压力，使空气主轴被顶起至被测轴承处；然后，通过电磁阀调节空气压力，使空气主轴对被测轴承施加相应的轴向载荷，并用传感器测量被测轴承的凸出量；测量结束后，降低气路中的空气压力使空气主轴降回原位。

1—传感器；2—被测轴承；3—定位芯轴；4—空气主轴；5—压力表

2 存在的问题

实际使用过程中，生产检测线上往往有多台轴承端面凸出量测量仪同时工作，通常为2台仪器配备1个插线板。这种情况下就会导致2台仪器的动作互相干扰：其中一台仪器电源开、关，或者人为操纵主轴上升、下降，另一台就会在没有指令的情况下自动上升或下降。这种干扰不仅极大影响了仪器使用的安全性(测量人员在放置被测轴承的时候很容易被自动上升的主轴夹住)，而且降低了检测效率。经判断，该干扰是由于动作控制电路的不完善造成的。

2.1 动作控制电路

原动作控制电路中，计算机输出的5 V控制信号经过CD4050非反相六缓冲器提高输出驱动能力后接入ULN2003。ULN2003为大电流驱动阵列, 其工作电压高，工作电流大，灌电流可达500 mA且可在关态时承受50 V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行，可直接驱动继电器等负载。

轴承端面凸出量测量仪采用ULN2003驱动5路继电器(图2为其中1路),其中2路是通过继电器控制电磁阀线圈通电产生磁力吸动阀芯，控制阀体的移动开启或关闭不同的排气孔，从而实现空气主轴的上升、下降和加载动作。电磁阀具有反应灵敏的特性，其响应时间可短至几个毫秒，所以对干扰信号的反应也特别灵敏，微弱的瞬时电流就能使其产生动作。在此电路的实际使用过程中，当2台或2台以上的仪器共用一个电源接插板同时工作时，电磁阀就会因为干扰自动开关，从而引发空气主轴的误动作。而单独使用独立电源时则不会互相干扰。

图2 电气控制电路(单路)Fig.2 Electrical control circuit(single-channel)

2.2 干扰源的判定

由于继电器和电磁阀均为感性元件，都容易产生干扰，所以在对电路进行改进之前，必须确定干扰的产生位置[1]。因此，在继电器线圈的两端并联1个发光二极管，当电磁阀两端有电压信号时，发光二极管就会被点亮，以此来判断是否有干扰信号产生。

模拟产生干扰的工作环境：将2台仪器的供电电源从1个插线板上引出；然后去除其中一台仪器上继电器所带的所有负载(包括电磁阀)，并操作另一台仪器电源开关和动作，同时观察未带负载这台仪器上的发光二极管是否随之点亮，判断是否产生干扰。

通过多次重复试验，发现其中一台仪器电源开关或有上升、下降动作引发电源瞬时波动时，未带负载仪器上与继电器线圈并联的发光二极管都会随之点亮又熄灭，由于作为负载的电磁阀此时已被去除，并不在电路回路中，这说明干扰主要由继电器电路产生。

3 动作控制电路的改进

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，继电器线圈为电感元件，当断电时，由于线圈的电感作用，其电流不能突变，仍保持断电前的电流值，必然强行通过断路点(开关触点间的空隙电阻或晶体管截止阻抗)而产生很高的冲击电压。不仅如此，由于其含有丰富的谐波，可通过线路间的分布电容、绝缘电阻侵入控制系统，导致误动作。为防止元器件损坏、电路误动作等，就必须采取抑制措施，由于断路产生的瞬变电压能量大、频谱宽，仅仅采用滤波或隔离措施难以抑制瞬变干扰，需对控制电路进行整体改进。

3.1 续流二极管

续流二极管是指在继电器线圈两端并联的反向二极管。增加续流二极管后，断电时线圈的电流会通过续流二极管很快的放电，不会产生冲击电压，不仅保护了开关触点(或晶体管)，而且能减小对周围电路产生的干扰[2]。

在原有电路中，ULN2003内部电路已经集成了一个续流二极管，只需在使用时将9脚接负载电源正极即可。但在实际应用中发现仅仅接入续流二极管并不能完全消除干扰，还要加入其他抗干扰手段，于是尝试在继电器之前的电路中加入光耦隔离。

3.2 光耦隔离

光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离。光耦合器的结构相当于将发光二极管和光敏三极管封装在一起。改进后控制电路中采用的光耦合器为TLP521。如图3所示，当控制器某输出通道有输出时，该通道TLP521中的发光二极管流过电流而发光，此光线使光电耦合器中的光敏三极管饱和导通，于是ULN2003控制继电器线圈电触点闭合。加入光耦隔离使ULN2003和继电器组成的继电器电路与之前的IO信号电路之间没有电的直接连接，而是通过光感应传递信号，故能实现电气隔离，防止由于电气连接而引起干扰[3]。通过试验发现，增加了光耦隔离后误动作出现的频率大幅度降低，但仍没有完全消除。于是在分析原因后，又引入了电源隔离。

图3 改进后的电气控制电路(单路)Fig.3 Improved electrical control circuit (single-channel)

3.3 电源隔离

增加了光耦隔离后，虽然继电器电路与之前的IO控制电路没有了电的直接连接，但由于继电器的工作电源与IO信号电路共用了计算机电源，没有做到完全的电气隔离。因此在改进后的电气系统中引入了一组新的开关电源，供继电器电路单独使用。如图3所示，ULN2003和继电器组成的继电器电路单独使用一路5 V的P5V/PGND作为工作电源。这样就完全避免了因继电器线圈的电感作用引起的电源波动对其他电路的干扰。

4 结束语

通过分析轴承端面凸出量测量仪在使用过程中出现的干扰问题，提出了改进方法，根据继电器特性在电路中增加了光耦隔离、电源隔离等抗干扰措施，通过综合改进，消除了仪器由于干扰而产生的误动作。在相同工作环境下进行反复试验表明：改进后的电气系统完全解决了动作干扰问题，未再出现主轴误动作的情况，为客户提供了更好的使用体验。