激光干涉接触式轴承表面轮廓综合测量

激光干涉接触式轴承表面轮廓综合测量 激光干涉接触式轴承表面轮廓综合测量 — ISSN100— 0-3762轴承2OO6年4期CN41—1148/THBeating2OO6,No.433—36 激光干涉接触式轴承表面轮廓综合测量 孙艳玲1,2谢铁邦2 (1.湖北裹樊学院机械工程系,湖北裹樊441053;2.华中科技大学机械学院仪器系,湖北武汉430074) 摘要:介绍了一种可用于测量滚动轴承曲面形貌的表面轮廓综合测量仪,在测量中应使杠杆处于平衡位置,以 减小测量力;用衍射光栅干涉位移传感器作为位移测量系统代替传统的电感位移传感器;:向工作台采用粗, 细两级驱动定位.利用步进电机驱动斜面导轨进行粗级定位以扩大量程,压电陶瓷做微位移驱动实现精密定 位以提高测量精度.论述了该仪器的整体结构,测量原理,工作台的定位控制以及衍射光栅干涉信号的处理. 关键词:滚动轴承;表面轮廓测量仪;衍射光栅;压电陶瓷 中圈分类号:TH133.33;IP806.1文献标识码:B文章编号:1(130—3762(2o06)04—0033一o4 零件表面形貌在很大程度上决定了 零部件的使用性能,轴承套圈滚道和滚 动体表面质量是影响轴承振动值的重要 因素.为了满足滚动轴承曲面形状误 差,波纹度和表面粗糙度的测量,开发大衍射 量程,高精度的轮廓测量仪是非常必要 的.英国Taylor公司研制的使用激光干皿 涉传感技术的系列测量系统…1,用He— Ne激光器作为光源,波长作为长度 量,扩大了仪器的动态测量范围.它可 在几个毫米测量范围内得到纳米级的 分辨率,但是存在着杠杆轴线绕支点转动时所形 成的弧线对测量探针在,方向坐标的影响,从 而造成测量误差,并且随着测量范围的增大,测量 力越来越大,对工件的划伤及测头的磨损越来越 严重.本文介绍的这种装置改变了传统的工件垂 直方向上不动,而杠杆触针随轮廓表面的起伏上 下移动的思路,采用保持杠杆始终处于平衡位置 而使工件上下移动的方法来进行测量,保证了高 精度,小测量力的需要. 1测量仪的结构与测量原理 仪器的结构示意图见图I. 测量时,被测工件置于向工作台上,杠杆 一 侧的触针始终接触被测工件表面,操作者通过 收稿日期1200~一12—01;修回日期12006—01—04 作者简介:孙艳玲(1973一),女,湖北襄樊人,讲师,华中科 技大学硕士(在读),研究方向为测试计量技术与仪器. 图1仪器蛄构示意图 用户界面对测量的各种参数进行设置,并发出测 量命令,计算机接受命令后发出驱动控制指令使 步进电机通过联轴器驱动向工作台沿直线导 轨移动,工件则沿轴方向移动,在某一待测部 位得到一个测量点的坐标;杠杆一侧的触针随 表面轮廓的起伏而上下移动,带动杠杆绕支点旋 转,引起电感式位移传感器输出电信号,偏移其零 位;信号经放大,A/D转换处理送人计算机,由驱 动程序控制向驱动电机驱动斜面导轨副上下移 动,并经过压电陶瓷微调,带动工件随之上下移 动,最终使杠杆回到平衡位置.杠杆是否回到平 衡位置由电感式位移传感器是否处于零位来判 断.工件上下移动的距离由安置在向工作台的 衍射光栅干涉位移传感器测得,该距离即为零件 表面轮廓在该测量点方向上的变动,该信号经 光电信号处理电路(前置放大,细分,辨向,计数) 送到计算机,即为一个采集到的向坐标.如此 重复该过程,可得到一系列数据,由计算机的表面 ?34?<轴承)2OO6.No.4 轮廓评定软件根据实际需要对数据进行拟合或滤 波评定处理,提取表面形貌信息,获取评定参数和 曲线图. 2衍射光栅位移测量系统的光学原 理及基本光路 光栅干涉测量系统的光学原理如图2所示. 反剩 I一\\/ 一u(+1|+'× 敷 . D 直角棱镜 光栅 图2光学原理囤 激光器发出的光入射到反射光栅,经反射光 栅一次衍射后形成+1级和一1级两束衍射光,通 过置于两侧的直角棱镜将+1级和一1级衍射光 反射回光栅并汇聚于光栅上另一点,经过二次衍 射后,(+l,+1)级和(一1,一1)级两束衍射光将 在垂直于轴放置的光电探测器上形成干涉条 纹[2-3].当图中反射光栅沿轴方向上下运动 时,将引起干涉条纹的相移,如果将光栅固定在测 量工作台上,通过探测条纹的变化即可反映出工 件的位移即工件表面的高低不平度.当光栅移动 时,干涉条纹将发生相移.由基本的干涉理论,可 推导出 ,():2+2嘲(一4~ine)(1) 式中:为入射光的波长;d为光栅常数;s为光 栅的位移;,为入射轴线与(+1, +1)级或(一1,一1)级衍射光之 间的夹角. (1)式表明,当光栅静止时 在光电探测器处形成有明暗相 间的干涉条纹,当光栅移动了一 个光栅节距时,干涉条纹相位变 化8,即四个条纹常数.在此基 础上,如果光电探测器采用四象 限光电阵列,并把光电阵列面置 于适当的位置,使光电阵列各相 向 工 作 台 ——— 向 工 作 臼 邻两个象限之间接收到的信号相位差为{+h,二 则可以得到4个相差詈的光强信号,通过对此4 个信号的差分,辨向,计数与细分处理,就可以得 到条纹的整体相位变化情况.本系统采用的光 栅,其光栅常数为1/1200mm,其4倍频脉冲分辨 率r计算如下HJ ,,' r=4x4面5o瑚(2) 结合实际信号的有效性,进一步通过A/D转 换并用软件对正弦信号在1/4周期内进行5O细 分,即可以使工作台分辨率提高到1ILrn左右. 本系统选取DA650—1—5型半导体激光器, 波长为65011111,功率为1mW,无需配备稳频装置. 3测控电路 测量系统的电路包括电感位移传感器信号的 处理,向步进电机和压电陶瓷的驱动,向步进 电机的闭环驱动及两路光栅干涉信号的处 理llJ.电路总体框图见图3. 电感传感器输出电信号经放大,A/D转换后 送人计算机,计算机经过程序处理后通过D/A转 换输出,控制向电机以及高压驱动电源的输出 电压,进而控制压电陶瓷的伸缩,使工作台精确运 动.工作台的运动会引起固定在工作台上的反射 光栅产生位移,引起干涉条纹的相移.经光电接 收和前置放大后,整形输出的两路正交方波信号 由可编程逻辑器件CAt,16V8和单片机AT89C2051 完成辨向四细分和计数,同时未经整形的两路模 拟信号经A/D转换后送入计算机以获得干涉条 纹的瞬时相位,实现1/4周期内的精确细分.茹 向工作台的电机驱动和光栅尺输出信号处理电路 的原理与向工作台相同. 竺羹鐾竺竺H竺H -- flf_—压电陶瓷高压卜——一 衍射光栅 光栅尺 向步进电机驱动电路 单片机计数电路 与A/D转换电路 信号处理电路 图3电路框图 D/A或I/O转换 计 算 机 孙艳玲等:激光干涉接触式轴承表面轮廓综合测量 3.1干涉条纹的细分电路原理 3.1.1四细分辨向电路的设计 在本系统中,采用4个PIN光电二极管作为 光电转换元件将干涉条纹的变化转换为电信号的 变化,它们等间隔地放置在一个干涉条纹周期内, 4个输出信号的相位依次相差90~,将l,3路信号 和4路信号分别相减,经过前置放大电路,在运放 输出端可得到理论相差为90~的两路正交信号. 这两路信号Iin和整形为方波信号后送人 GAL16V8进行四倍频细分和辨向处理l6】,然后送 到A'r89c2051单片机实现干涉条纹的计数. GAL16V8输出的P+和P一信号分别送到单片机 的定时/计数端口TO和T1[7-8],原理图见图4. 电陶瓷微位移的理论分辨率为0.6nln.通过性 能测试试验得到该压电陶瓷的微位移与加载电压 有较大的迟滞误差,所以,在系统中利用电感式位 移传感器在零位附近具有良好的线性度这,特 点,依据传感器输出信号是否小于允许误差的检 测来实现闭环控制,以提高定位的准确度. 4测量实例 利用本测量仪对24110轴承外圈滚道进行测 量,采样长度Z为0.25r啪,采样间距0.5tan,评 定长度fn=51.经过对原始曲线进行最小二乘多 项式拟合,高斯滤波处理,利用最小二乘法找到评 定中线进行评定,测得为0.153tan.图5是 图4四细分辨向电路原理图 3.1.21/4周期内的细分 用GAL和单片机只实现了对信号的四细分, 四细分后的分辨率为50nln,未达到工作台垂直 分辨率1llln的要求,故还须对干涉条纹进一步细 分.如图4所示,对sin和信号采用l2位A/ D芯片AD574转换,并由计算机读出采样值,就可 以通过软件计算出干涉条纹信号的瞬时相位角为 日=arctan-(3) 由于A/D转换芯片是12位的,理论上可以 对一个条纹周期内的信号进行2他的细分,在本系 统中实际采用50细分即可达到要求. 3.2压电陶瓷驱动原理 本系统采用WI'DS0810025型电致伸缩陶瓷 微位移器,在无负载作用下,电压从0变化到200 V,位移增加20nln.对于压电陶瓷的驱动采用计 算机通过译码电路向l6位D/A转换芯片AD669 写入适当的数字量,AD669输出的模拟电压量用 于控制高压驱动电源的电压输出,从而驱动压电 陶瓷产生位移.驱动电源采用直流放大式高压驱 动电源.对于l6位D/A芯片,在20nln范围内压 一 次测量和评定曲线. 5结束语 本文介绍了基于垂直位移扫描工作 的表面轮廓仪的工作原理,其具有以下 特点:(1)整体采用闭环控制.(2)杠杆 在测量时无需旋转.(3)电感位移传感 器在零位附近有良好的线性特征.(4) 采用衍射光栅干涉装置来测量位移. (5)对工件的垂直移动采用了步进电机 和压电陶瓷双驱动.这5项措施为该仪 器的测量精度提供了有力保证,使仪器在垂直方 向上的分辨率可达到lnm.非常适用于滚动轴承 mm )原始测量曲线 (b)评定曲线 图524110滚动轴承外圈滚道 .36.<轴承)9.o06.No.4 (上接第6页) 在系统摩擦力矩的作用下,转动系统将做减 速运动 M=FfT'f 式中:M为摩擦力矩;Ff为系统摩擦阻力;r/为 摩擦半径;,为系统摩擦系数;W为转动系统的重 力. 设超声波轴承产生的总动摩擦力矩为l, 球轴承产生的总动摩擦力矩为肘2 对于类型A,有l+=MA 对于类型日,有2M2=MB MA和MB分别为轴承A和日的总动摩擦力 矩,可试算求得 '1 l=一寺,=寺B(4) 2.3试验条件 工作电压:130V,由AG1200任意波信号发生 器和70581010MI'Iz频域功率放大器提供;谐振频 率:l9.73kHz;输入功率:120w;温度:室温2o?; 霍尔传感器,伟福仿真器,Fourier仪,电压表. 2.4试验结果 所用重物的重力分别为W1=7.48132N和 w2=3.969N,在重物wl和分别作用下,测得 重物的加速度分别为口1和口2.由(3)式可计算出 轴承的总动摩擦力矩.测试结果见表1. 寰1超声波径向悬浮轴承动摩擦力矩测试结果 轴承类型fdl/(m?日')fa2/(m?8)倒_/(N?Il1) Al6.38203I4.7371474.126815 BI6.213347l4.5622797.49l2156 代入(4)式可计算出 M1=0.380737N'm M2=3.746078N'm 从试验结果可以看出,由超声波支承的轴颈 与轴承之间的摩擦系数仅为深沟球轴承的10%. 3结束语 利用动载荷径向轴承的Reynolds方程,得出 了在郎之万振子所产生的超声振动中,轴颈与轴 承之间气膜动压力的表达式,并用试验验证了气 体动压润滑能大幅度降低轴颈与轴承间的摩擦系 数,从而改善工作状态下轴颈与轴承的磨损.压 电振子处于纵向振动状态时,能产生超声波幅射, 振动表面附近,也就是轴承与轴颈之间的间隙处 会形成高于外部环境的辐射压.正是由于该辐射 压的存在,减少了轴承刚开始转动阶段轴颈与轴 承之间的磨损,弥补了以往气体动压轴承对转速 要求高及承载能力有限的不足.提高了轴承的工 作性能.延长了使用寿命,为进一步研究超声波悬 浮轴承提供了理论及试验基础. 参考文献: [1]常颖,杨志刚,吴博达等.超声波轴承悬浮性能及 承载能力的实验研究[J].压电与声光,2004,27(2): 197—199. 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