一种冲压外圈轴承高度测量装置研究＊

邓 琦，张仁杰

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

轴承是机械设备中的通用零部件，它经常与轴系配合使用，按运动元件摩擦性质的不同，可分为滚动轴承和滑动轴承。轴承质量的好坏在一定程度上会影响轴系的回转精度，国家制定了相应的标准对轴承外形尺寸进行明确规定。现分析一种无内圈、冲压外圈、带保持架的滚针轴承的冲压外圈宽度测量方法。无内圈、冲压外圈、带保持架的滚针轴承的结构不同于普通滚针轴承，在生产过程中，先装好外圈（其中一边已卷边）和保持架，然后装入滚针，在确保无漏针之后，对另外一边进行卷边，其剖视图如图1所示。

参考GB／T 12764－2009《无内圈、冲压外圈滚针轴承外形尺寸和公差》和GB／T 24608－2009《滚动轴承及其商品零件检验规则》，其冲压外圈宽度作为主要质量参数，必须对其进行测量，以保证此通用件和其他工件配合。

常规采用量规和游标卡尺等人工手段对轴承高度进行检测，不仅工作效率低，而且工人劳动强度大，容易因疲劳操作引起漏检、误检。手工检测轴承产品的质量已经不能适应现代化高速生产的需求，设计一种自动检测滚针轴承冲压外圈宽度的方法显得尤为重要［1］。

图1 轴承剖视图Fig.1 Section view

1 测量原理

国家标准规定了滚动轴承的内外圈单一宽度的测量方法［2］。将被测轴承套圈任一端面支撑于3个均布、等高的固定支点上，内孔表面用两个互成90°的适当的径向支点对套圈进行定心。将调零后的指示仪表（如位移传感器）置于套圈的另一端面上、一固定支点的正上方。旋转套圈一周，测量并记录套圈最大和最小单一宽度Csmax和Csmin。测量示意图见图2。

2 测量装置设计

结合一般测控系统的结构组成，测高装置的设计方案见图3。指示仪表采用3个DA系列高精度直流变压器位移传感器，相隔120°对称安装。为防止噪声干扰，经滤波环节［3］后的3组位移信号进入多路选择器，由多路选择器74LS153按次序传送给A／D转换芯片。采用AT89S52单片机作为控制芯片，控制传感器信号流经多路选择器的次序，并控制A／D转换的启动和读取A／D转换的结果，将A／D转换的结果进行分析处理之后送给LCD进行显示，同时由串口向外发送高度值。

图2 套圈单一宽度测量示意图Fig.2 Ring width schematic

图3 装置结构图Fig.3 Instrument structure

实际测量时，3个位移传感器每隔120°对称安装于轴承冲压外圈轴向垂直线上。每测完一面3个测量点的高度值后将轴承翻转，测量另一端面3个高度位置，每个轴承得到6个高度测量数据。

2.1 DA0.5位移传感器

国标［4］对冲压外圈滚针轴承的高度（宽度）公差也做了规定。对于任意直径的轴承，其高度公差值为（－0.3，0）mm，其中上偏差为0mm，下偏差为－0.3mm。

根据实际测量精度和速度需求选择DA系列高精度直流差动式变压器位移传感器。DA系列位移传感器结构原理见图4，主要由原方绕组1、两个匝数相等的副边绕组4和7、动铁芯6、导磁外壳3、骨架5等六部分组成。其工作原理图如图5所示，当原边绕组通以交流激励电压时，在变压器副边的两个线圈里感应出完全相等同的电动势。由于反向串联，这两个感应电势相互抵消，从而使传感器在平衡位置的输出为零。当动铁芯产生位移，由于磁阻的影响，两个副边绕组的磁通将发生一正一负的差动变化，故导致其感应电势也发生相应的改变，失去平衡，使得传感器有对应于动铁芯位移的电压输出量。差动变压器的输出电压在理想状态下与输入位移成线性关系［5］。

图4 位移传感器结构原理图Fig.4 Structure of sensor

图5 位移传感器工作原理图Fig.5 Principle of displacement sensor

位移传感器的性能指标包括量程，线性误差，分辨力，重复精度等。所选的DA0.5差动变压式位移传感器的性能指标如下：

2.2 A／D转换器

由位移传感器输出的信号为－10～10V，一般的A／D转换器的模拟输入只有0～5V，如果选用这些芯片，会存在烧毁芯片的危险。MAX176是12位串行A／D转换器，片内有采样保持器，能将模拟信号快速捕获并转换为数字信号（捕获时间为0.4μs，最长转换时间为3.5μs），其模拟输入电压范围为－15～15 V。该芯片是DIP8封装，体积小巧，有利于减少仪器整体体积。

MAX176是12位串行A／D转换器，转换结果分两个字节串行输出，输出数据格式如图6所示。此数据格式不便于后续运算处理，还必须通过程序将其改变成图7所示的数据格式。

图6 MAX176数据输出格式Fig.6 Data output format

图7 转换后数据格式Fig.7 Convered data format

2.3 AT89S52单片机

装置需要与PC机进行数据通信，采用串口通信方式。由于PC机串口采用RS232电平，而单片机端的串口通信采用TTL电平，故必须进行电平转换。在此选用了兼容RS232标准的MAX232芯片，该器件符合美国电子工业协会／电信工业协会的TIA／EIA－232－F标准，每一个接收器将TIA／EIA－232－F电平转换成0～5VTTL／CMOS电平。每一个发送器将TTL／CMOS电平转换成TIA／EIA－232－F电平。

测高装置实现功能不复杂，所需运算量小，因此选择实用的单片机AT89S52。此芯片支持ISP，支持自制简易编程器烧写程序，功耗低，性能灵活。

单片机接口做如下安排：

（1）P1.5～P1.7分别接 MAX176的CONVST、CLOCK、DATA端；

（2）P3.2～P3.3接输出通道，控制继电器；P3.4接输入通道，获得接近开关传递的物位信号；

（3）P1.0接多路选择芯片74LS157的1G端，P1.1～P1.2接74LS157的 A、B端，P1.3接74LS153的1Y端；

（4）P0和P2.0～P2.3分别接LCD显示和键盘；P2.5～P2.7分别接LCD1062的RS、RW 和EN端；

（5）P3.0和P3.1分别接 MAX232的R1out和R1in。

在此，只使用了28个I／O口，富余4个I／O口，其中包括1个外部中断、2个计数器等资源。还可以接入更多的开关量信号，具有较大的扩展潜力。

2.4 软件设计

根据系统要求，软件分为单片机软件和PC机软件。单片机软件完成了标定系统，接收、处理测量数据，与PC机通信等任务；PC机实现了外部通信，显示测试结果等任务。

传感器采集信号经多路选择器后，由单片机控制，按次序进行A／D转换，转换的6个数据存储在不同的单元里，将每一端面测得的3个数据分为一组，取每组的平均值，将两个陸均值分别与设定公差值进行比较，若都符合公差极限则产品合格；若都不符合公差极限则产品不合格；若只有一个均值符合公差极限则测试不够准确，改为手动测量。

单片机部分程序使用keil C软件编写，编程语言为C51；PC机部分程序用VB编写［6］。

2.5 界面

显示装置由液晶显示器和计算机界面组成。液晶显示器显示提示信息，如放置标准量块、设置极值等；计算机界面提供极值设置功能，并将测量结果以列表和折线图两种方式显示。PC机显示界面如图8所示。

图8 PC机显示界面Fig.8 PC display interface

3 结 论

设计了一种基于单片机的无内圈、冲压外圈轴承的高度测量装置，它能按轴承装配流水线的节拍连续获取轴承零件的高度尺寸，并做出合格与不合格判断。其优点在于：（1）基于传感器和电子电路的现代检测技术，减少了人工重复劳动，避免了由于工人疲劳操作带来的经济损失；（2）操作便捷，可利用键盘和PC机灵活设置公差极限值，适合不同型号产品的测量；（3）提供了良好的人机界面，并将历史数据保存，便于进行质量控制。

［1］王春莉，王 哲，田亚欧，等.高精度尺寸测量仪设计［J］.哈尔滨轴承，2007（1）：46－47.

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB／T 307.2－2005滚动轴承 测量和检验的原则及方法［S］.北京：中国标准出版社，2005.

［3］张学明，宓韵萍，江 军.等.光纤电压传感器信号处理电路的设计［J］.光学仪器，2006，28（2）：31－35.

［4］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB／T 12764－2009滚动轴承 无内圈、冲压外圈滚针轴承外形尺寸和公差［S］.北京：中国标准出版社，2009.

［5］强锡富.传感器［M］.北京：机械工业出版社，2004：67－70.

［6］陈 涛.单片机应用及C51程序设计［M］.北京：机械工业出版社，2008：140－141.