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飞7 4 1 9 6 7 轮对轴颈、轴承测量及其选配方法的研究 摘要 随着现代铁路运输的发展，列车的运行速度和载重量不断增加， 对轮轴的配合也提出了更高要求它直接关系到行车速度和行车安 全。高精度的轴颈、轴承测量和优化选配是实现轮轴良好配合的关键。 目前铁路现场轴颈、轴承的测量与选配存在测量精度和测量效率低等 问题。 为此，本文提出种新的轴颈、轴承测量方法并从理论上对误 差因索进行了详细分析，研制了机电体化的轴颈和轴承测量仪器， 实现了自动定位和测量：编写配套的程序，实现了对测量数据的管理 和自动选配。实验表明，陔系统的重复测量精度( 3o ) 在2 “m ，已应 用于铁路现场可满足现场测量的要求。 关键词：轴颈测量轴承测量瞄准与定位自动选配 s t u d y o nj o u r n a l & r o l l e r b e a r i n g d i a m e t e r m e a s u r i n g a n d m a t c h i n g m e t h o d a b s t r a 畦 w i t ht h e d e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，ah j 【g h a c c u r a c y m a t c h i n go f j o u r n a lr o l l e rb e a r i n g s ，w h i c h a r ei m p o r t a n tt of r e i g h tc a r s s p e e da n ds a f e t y , i se x p e c t c dd u e t ot h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h er a i l w a y i n d u s t r y h i g hp r e c i s em e a s u r e m e n to fd i a m e t e ro fj o u m a la n dr o l l e r b e a r i n ga n dh o w t om a t c ht h e ma r et w ok e yp r o b l e m st h a th a v e n tb e e n s o l v e dp r o p e r l yb e c a u s eo fl o w p r e c i s i o na n d l o w - l e v e la u t o m a t i o n an e wm e t h o dt of i xt h e s ep r o b l e m si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r m e a s u r e m e n te r r o ri s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y i nd e t a i l t w o p r o t o t y p e s - - t h e j o u r n a lm e t e r sa n dt h er o l l e r b e a r i n g m e t e r sa l e d e s i g n e da n d m a d eb a s e do nt h i sn e wm e t h o d t h e s y s t e m s c a na i ma ta n d m e a s u r ed i a m e t e r sa u t o m a t i c a l l y ac + + p r o g r a mi s d e s i g n e d f o rt h e a u t o m a t i ca l l o c a t i o na l g o r i t h m t h em e a s u r i n ga n dc a l c u l a t i o nr e s u l ti s m a n a g e d a n dm a i n t a i n e d b y t h ep r o g r a mb a s e daa c c e s sd a t a b a s ea sw e l l t h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t st h ea c c u r a c y ( 3 a ) w i t h i n2 a mi so b t a i n e d t h e s y s t e m h a sa l r e a d yb e e nu s e di nal o c a lr e p a i r i n gp l a n ts u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：j o u r n a ld i a m e t e rm e a s u r e m e n t ，r o l l e r b e a r i n g i n t e r d i a m e t e r m e a s u r e m e n t ，a i m i n g a ta n d p o s i t i o n i n g ， a u t o m a t i ca i l o c a t i o n l j 第一章综述 第一章综述 1 1 高精度轴径测量及选配方法的提出 随着我国铁路事业的发展，列车速度进一步提高，相应地对车辆 运用检修质量提出了更高的要求。而目前车辆检修部门使用的检修设 备，有些比较落后，精度和自动化程度较低，其实现较高的检修技术 指标有明显的困难，因而，设备的更新改造是车辆检修部门当前的一 项重要工作。现实的需求，使得应用现代机械与电子技术开发研制具 有高可靠性、高自动化程度及其它先进性能的车辆修造仪器，随之成 为许多相关的科技人员较为关注的丌发研究内容。就铁路货车段修过 程而言轮轴检修是其重要内容之一，其中大部分工艺指标与列车运 行安全有直接关系。因而对工艺过程、设备性能和人员累质的要求 都比较高。轮轴检修中的一项重要工序就是轴承、轴颈测曩与选配 它要求测量精度高，计算准确，选配细致合理。但就目前的实际操作 过程看，存在以下问题： 1 测量的随机误差较大。对轴承、轴颈的测量，现普遍使用的还 是传统的机械式内径百分表和外径千分尺。这种测量工具无可靠的定 位机构，操作时3 个方向( x 、y 、z ) 的准确性完全凭操作者的视觉和感 觉来判断，操作者的经验、精神状态以及周围环境都会对测量值的准 确性产生很大影响试验表明即使最有经验的操作者。也很难保证测 量位置与方向与测量值的一致性，必然存在随机误差，而且分散性较 第一章综述 大。 2 人工方法计算与选配，不但繁琐，也易出错。轴承、轴颈多数 技术指标是由测量值经过计算得到的，而在选配时也还要对数值作比 较与计算。以每天检修4 辆车为例，则有3 2 轴颈和3 2 套轴承，需进行 4 4 8 次测量，7 0 2 次算术运算，其间还穿插一定量的数据抄录、比较与 核对过程。可见数据处理量很大，人工方法完成非常繁琐，不但容易 出错，选配也难以保证细致合理。针对上述情况，并考虑未来技术管 理的需要我们开发研制了货车轴承、轴颈的测量与选配系统。它采 用机电一体化设计，结合现代传感器技术和计算机技术，能实现准确 测盘、数掘存贮与数据传输，并配有数据处理与选配软件。对提高检 修指标和技术管理水平有重要意义。 1 2 轴径测量的难点与关键问题 实现高精度的轴径测量。必须解决两个关键的问题：一是直径位 置的瞄准与定位，二是直径两点间距离的精确测量。由于传感器技术 的发展，距离测量已不是障碍如各种电感、光栅传感器可以达到很 高的精度，完全可以满足测量的要求。所以，问题归结为直径的精确 定位，同时满足简单实用、造价低廉等优点。 1 3 轴径测量方法综述 目前轴径的测量主要分为接触式测量和非接触式测量。如下图所 示： 第一章综述 广卡尺测量( 机械卡尺、电子卡尺 ，- 接触法 il l。v 型测量法 轴径测量、，影像法 i i i l 非接触法 屯称为倒锥判为不合 格 二、轴颈测量的极限误差 根据测量值传递的误差理论，检测仪器的极限测量误差应该小于 第二章轴颈、轴承铡量方法的研究 或等于被测工件允许的极限误差下面将对此极限根据上表的段 修标准，轴颈的公差值为0 0 5 2 r a m ，查表公差与配合，尺寸至 5 0 0 m m ，孔、轴公差带与配合( g b l 8 0 1 - - 7 9 ) ，0 0 5 2 公差带的公 差为8 级。 根据形状与位置公差检测( g b l 9 5 8 - - 8 0 ) ，“极限测量的总 误差允许占公差值的1 0 一3 3 ”，查表得到8 级公差允许的极 限测量误差占给定公差的1 6 。 由此算出测量允许的极限误差为： d = 0 0 5 2 m m x1 6 = 8 3 2 p r n 前文曾论述l 级百分表和l 级千分尺不能满足测量的要求， 正是基于上述的原因。本文测量系统的设计将以此为依据，保证测 量的极限误差小于允许值。 表2 2 轴承技术要求 1 ：件名 测量内容技术要求测量方法 称 测量位置在距内圈大端面1 5 m m 处。 同一断面在测量相互垂直的2 个 轴承 内径 刊3 定o o s o 直径其算术平均值为断面直 1 9 7 7 2 6 径；以两内圈内径的平均值为 内圈直径 内圈圆度 s o 0 3 8 同一断面最大直径和最小直径的差 内圈圆柱度 s 0 0 1 3 两内圈的直径差 第二章轴颈、轴承测量方法的研究 三、轴承测量的技术要求及极限误差 表2 2 列出了轴承检修的技术要求：根据轴承的公差带，同样可 以算出轴承内圈测量允许的极限误差为8 3 2 p m ，这里不再详细说明。 2 2 轴颈测量方法的研究 一、测量原理 前文已论述，轴径的测量要解决两个关键问题一是直径的瞄准 与定位，二是两瞄准点间距离的测量。综合前面的各种测量方法，木 文提出利用v 形槽定位精度高、稳定性好的特点来实现直径的瞄准与 定位，片j 变电雎位移传感器来测量位移量：采用比较测量法，用微位 移传感器测量被测件与标准件的差值，其原理如图所示图2 1 所示： 设d l 为标准轴件。其直径值是已知的，岛为被测轴件，口为v 型 槽的夹角的半角。在v 型榴的两侧各有一个位移传感器，v 型槠 被测轴颈 标准轴颈 v 型定位榴 位移传感器 图2 1 轴颈测量原理 骑放在轴什上并与之相切，保证定位的精度与稳定性。测量时，先 测量标准轴，然后测量被测轴件，两者直径的差值由传感器记录得到， 第二章轴颈、轴承测量方法的研究 设为缸，而标准件的直径值是己知的，设为d 标，则被测件的直径值 d 耐2 d k + 出 出j ：测量机构相切放在轴件上，可以在轴向旋转，从而测量任一 方向的直径值。满足前文提出的同一端面相隔6 0 。测量的要求；在沿 轴件轴线方向，用两对传感器，可以同时测量两个端面的直径值。更 详细情况将在第三章机械部分讨论。 二、误差分析 上面的测量方法虽然满足测量的要求，但存在原理上的测量误差： 由于成本或加工精度的原因，也由于直径变化引起直径中心的偏移， 而传感器是固定在v 型槽上的。这就导致位移传感器不可能完全瞄准 亩径处它总是在测量一段弦长而不是直径，从而给测量带来了误差。 下丽将对这种定位引起的测照误蔗进行分析看能否满足测量的要求。 一 一 岛。 一 弋 7 厂八 - p - 羔j 二j j 汕 _ _ - 池 1 图2 2 轴颈定位误差分析 如图2 2 所示，设d l ，d 2 分别为标准件、被测件的直径，1 、也 第二章轴颈、轴承测量方法的研究 分别为冥对应的半径，5 l ，5 2 分别是标准件、被测件的传感器示值 a 为v 形槽的半角，占为测量臂对标准件的偏移量，k 为直径变化g 起的标准件与被测件圆心偏移量，由几何关系可知： ：垒二垒 2 - i z s l n 口 j l = 2 靠2 一万2 2 - 2 屯= 2 一p + ) 2 2 - 3 由于鱼 l ，互丛 l2 4 ，l吒 驴z ( ，一筹 铲：吃 - 一警 传感器变煽，吨喝刊一 学 被测件直径：d ：= d 。一厶 毋詈一学捶掣1r 2iq地 2 - 5 2 - 6 2 - 7 2 - 8 2 - 9 从上式可知，测量误差与标准件和被测件的直径差、测量臂的 定位误差占及角a 有关。d 、d ：、占、口分别取值，代入式2 9 计算 锫_ 二束轴颈、轴承测量方法的研究 测量误差，如表2 3 。 由表2 - 3 可知。在1 3 0 0 2 唧的测量范围内，最大误差为 1 1 8 m 。在铁路检修现场，被测轴件通常为r d 2 型轴，其段修允许公 差为中13 0 ：3 0 5 2 ，实际测量中轴的直径变化不会超出- + 0 2m m 的范 表2 3 误差计算 d l ( m m )d 2 ( 啪)d ( m )a ( d e g )d 2 ( a m ) 1 3 01 2 9 8o 24 5一1 1 8 1 3 01 3 00 24 50 1 3 01 3 0 2o 24 5o 5 6 围。而且机构的定位误差可控制在j 内，所以由定位引起测量误差应小 于1 1 8 岫，这个精度完全可以满足测蠡的要求，故该测量方法在理论 上是可行的。 2 3 轴承内圈直径测量方法的研究 一、；j | 1 9 量原理 轴承内圈直径的测量与轴颈的测量类似。也采用比较测量法，但 定位原理不同，如下图所示： 图2 3 中测量臂在机械定位臂的中垂线上，使测量臂瞄准直径： 在测量臂的一端固定有位移传感器测量直径的变化量。图2 4 是轴 向定位的示意图。图2 3 中的测量臂、定位臂通过连接体和定位座连 接，定位座紧靠在轴承端面上保证测量臂和轴承轴线方向垂直。 为了能同时测量两个断面的直径值，在图2 4 的连接体上固定2 套测量、定位臂：测量臂、定位臂以及连接体、定位座都是固定在一 第二章轴颈、轴承测量方法的研究 体的，可以整体旋转，测量不同方向的直径值，满足测量的要求。更 详细的讨论在第三章的机械设计部分。 机械定位臂 i 兰l2 3 径向定位原理 量臀 传感器 图2 , 4 轴向定 奇原理 二、误差分析 同轴颈测量一样，由于加工精度和成木的原因，图2 3 中的测量 臂不可能完全瞄准直径；同时在轴线方向，测量臂不可能与轴线完全 垂直，m 魁有定的夹角。对上述两利懈况都给测量带来了误差，下 面将分别讨论，看这种误差是否能满足测量要求的极限误差。 1 径向定位误差分析 图2 5 径向定位误差分析 如图2 5 所示，设占为测量臂对于圆心的偏移量，d 和d ：分别为 第二章轴颈、轴承测量方法的研究 标准件、被测件的直径，i 、也分别为其对应的半径，o l ，s 2 分别 是标准件、被测件的传感器示值，由几何关系可知： 驴2 舸 s 2 ：2 丽5= 2 一2 由于鱼 ( 1 ，旦 1 ， r ir 2 2 1 0 2 1 1 2 一1 2 略去高阶小量，则 驴z - - 一割 z 圳 沪：屯( 1 _ 筹 s = s 2 - - $ 1 - - - - 2 ，一( 譬一书 测量值： 碰= d i + 血 所以径向定位误差带来测量误差： 2 一1 4 2 1 5 2 1 6 d 2 ：呸一d 2 ：壁一壁2 一1 7 ，ir 2 2 轴向定位误差分析 如图2 6 所示。设a 为测量臂与轴承端面的夹角，d ，d ：分别为 标准件、被测件的直径，由几何关系： 曲；：( d 2 一d t y 塑1 2 - 1 8 、c o s 口 由于口很小，所以 第二章轴颈、轴承测量方法的研究 略去高阶小量， j 一：1 + 三口2 2 - 1 9 c o s d2 d ；：( d ：一d 1 ) 垂 2 2 0 则系统总的测量误差 图2 6 轴向定位误差分析 d ；压面尹 2 2 1 取a = 2 。，d i 、d 2 、j 分别取值，带入式2 2 l ，计算测量误差， 如表2 4 n 示。 表2 , 4 误差计算 d i ( r a m )岛( m )d ( m m )a d ( u m ) 1 3 01 2 9 8l0 1 2 1 3 01 3 010 1 3 01 3 0 21o 1 2 从表可以看出，在测量范围1 3 0 0 2 i n r n 内，误差为a d = 0 1 t i m 。 在实际铁路检修现场，被测的轴承通常为1 9 7 7 2 6 型轴承，其公差为 第二章轴颈、轴承测量方法的研究 巾1 3 01 00 5 0 ，即直径变化在j o p m 内，实际测量中直径的变化不会超出 o 2 t 1 1 1 n 的范围；而且机构的定位误差可控制在上述的j 和6 t 内，故由 定位带来的测量误差应小于0 1 2p m ，这个精度远小于允许的极限误 差，完全可以满足测量的要求，所以该测量方法理论上是可行的。 2 4 小结 综合各种测量方法，考虑铁路现场的检修条件，本文提出一种新 的轴颈、轴承定位和测量方法，实现了自动定位，减小了人3 - $ f j 量的 随机性。通过理论分析，这种测量方法的定位误差小于允许的极限误 差，完全可以满足测量要求。 第三章轴颈、轴承测量系统的研制 第三章轴颈、轴承测量系统的研制 3 1 测量系统的总体实现方案 轴颈、轴承测量是机电一体化测量系统，涉及机械、电子、计算 机等技术，其实现的总体方案如下图所示： 定 田 5 i 位 机盟 构 及 片 传 机 感 器 幽3 i 系统总体方案 被测件( 轴颈或轴承) 直径的变化引起安装在定位机构上位移传感 器的电压变化传感器电压信号经前簧滤波放大后，在单片机的控制 下究成的数掘采集与存储，山液晶显示屏实时显示，功能键盘完成标 定、测量等功能。p c 通过r s 一2 3 2 与单片机通信。完成数据的传送便 于后续数据的分析和轴承选配、压装。 3 2 轴颈、轴承测量系统的机械设计 一、几个考虑的问题 定位机构是整个测量系统的核心部分它的设计与加工直接决定 了测量的精度，需要考虑以下一些因素： 1 测量定位机构要有一定的刚度，这样才能保证v 型槽或定位架 第三章轴颈、轴承测量系统的研制 轴 么 心仫户 丑例 掰斧 图2 2 轴颈定位主视| 玺| 图3 3 轴承定位主视图 传感器 - 1 9 第二章轴颈、轴承测量系统的研制 测量时不变形。 2 测量机构要有一定重量或弹力，使机构与轴件紧密相切，保证 测量过程稳定，同时不能太重以方便测量。 二、定位机构 图3 2 、图3 3 是定位机构的主视图，图中从轴向剖面详细描述 了机构定位原理的实现。 三、标准件的设计 除上述定位机构外，还需设计一个空心轴和一个轴承孔，作为标 准件。标准件按照出厂新造轴颈和轴承的尺寸加工，并希望膨胀系数 小，工作表面有一定的硬度，详细的描述见第四章。 3 3 轴颈测量系统的电路设计 一、传感器原理 传感器将直径变化量值转换为电信号，是实现自动化测量的核心 组件。本文采用差动变压器式位移传感器来实现这一转换。与简单电 感位移传感器相比，差动变压器式传感器增加了一个线圈，羞动输出 灵敏度高了一倍非线性得到了较好改善，图3 4 是其原理图。 图3 4 传感器原理图 第三章轴颈、轴承测量系统的研制 当衔铁位于中心位置时，两个线圈感应电势相等，此时输出电压 为零；当衔铁离开中心位置上下移动时，两个线圈的电感不同，有电 压输出。传感器输出为交流信号，接入整流电路( 如相敏检波) 后，可 以判断位移的大小和方向。图3 j 是输出特性曲线，其输出的电压值 是非线性的。 i 乜臆帕值v l “。 铁心位置x 幽3 5 传感器特性曲线 目前，市场上已有相关产品，本文选取中原量仪生产的e - d 1 - 8 0 s b 传感器，其基本参数如下： 袭3 1 传感器性能参数 l 示值变动( un 1 )测量力( n )总行程( m )前行程( m )外形尺寸( m ) i o 10 5 6 - 0 8 43i i - i 2巾8 8 7 二、数据采集方案 硬件电路的功能是对各位置直径值进行测量、显示与存储，以及 与p c 间的通信。i c l 8 0 3 8 产生正弦交流信号，对差动变压器传感器激 励，当位移有变化时，传感器输出电压值发生变化，电压信号经整流、 低通滤波和放大处理后，由m a x l l 0 完成a d 转换，在单片机a t 8 9 c 5 2 的控制下，测量数据实时显示在l c d 屏上并存入串行e e p r o m 2 4 c 6 4 。通 第三蕈轴颈、轴承测量系统的研制 过m a x 2 3 2 ，p c 可以和单片机通信。实现数据的传输。图3 6 数据采集 的原理图。 图3 6 数据采集原理图 三、主要芯片性能 1 模数转换m a x l l 0 a d 转换器是把模拟量转换为数字量的接口，是数据采集系统中一 个不可缺少的环节。它可以将一个或多个模拟信号变为数宇信号，以 便微处理器进行处理。因为本系统的目的之一是提高测量精度，所以 a d 转换的精度很重要。在电源及参考电源稳定的情况下，a d 的精度 主要决定于a d 的分辨率，所以为了得到好的分辨率应采用位数较 高的 d 器件。但是此时价格也会相应增加。这里采用g l a x i1 0 ，它是 1 5 位( 1 位符号位) 的串行a d c ，分辨率达：1 2 1 4 1 0 0 = 0 0 0 6 1 ；转 换时间为2 0 m s ，可满足系统采样要求，同时成本较低。 2 微控制器a t 8 9 c 5 2 微控制器是数据采集系统的核心部分，它有多种实现方案，这里 第三章轴颈、轴承测量系统的研制 采用a t 8 9 c 5 2 ，它属于m c s 一5 1 系列芯片，内部集成了：8 位c p u ， 1 2 8 字节r a m ，8 k 字节f l a s hr o m ，一个全双工串行口。5 1 单片机 价格低廉，功能强大，技术非常成熟，可以满足可以测量的要求。 3 数据存储器2 4 c 6 4 本系统的一个特点是数据的转储所以需要一个非易失的存储器 来存储采集到的数据。本文采用2 4 c 6 4 ，它是基于i 总线的串行 e e p r o m ，有3 2 k 6 4 k b y t e 的存储量，只用两根数据线，接口简单； 操作电压低，读写方便且功耗低，是理想的存储器。 测量数据以浮点数的格式存放，符合 e e e - 7 5 4 标准，其格式如下： 表3 2 数据存放格式 地址+ o+ 1+ 2 + 3 i l 内容s e e e e e e ee m m m m m m mm m m m 删m m m m m m m m m 其中： 3 l 位：符号位s ： 3 0 2 3 位：指数位e ： 2 2 0 位：系数位m ： 存放时高位在左，低位在右。 4 通信模块 数据采集完成后，需要和p c 通信，完成数据传输，便于分析和选 配1 ：文采厂nr s 2 3 2 巾行总线它足骨步串行通信中广泛使用的标准 总线接口方便，最大传输速率可达2 0 k b 。微控制器a t 8 9 c 5 2 中集成 了一个全双工的异步通信串行口，接入m a x 2 3 2 串行口驱动器后，完 成t t l 电平到r s 2 3 2 电平的转换实现异步串行通信。 第二三章轴颈、轴承测量系统的研制 5 显示模块 单片机系统中使用的显示器主要有l e d 和l c d 两种。l c d 体积小， 重量轻，功耗极低，并且还能显示汉字。本系统采用h s l 2 2 3 2 一l 显示 模块，它由3 2 行、1 2 2 列个像素组成，上面1 6 行为主区，下面1 6 行 为从区。每8 行对应1 个字节的8 位，所以屏上共有1 2 2 ( 3 2 8 ) 个 显示单元，这1 2 2 4 个显示单元和显示r a m 区4 8 8 个字节相对应，每 一字节的内容和屏上相应位置的亮暗对应。h s l 2 2 3 2 1 能显示2 0 * 4 个 5 * 7 点阵的字符，或者7 * 2 个汉字，每个汉字占3 2 字节。当显示汉字 时，先从字库中提取要显示的汉字的点阵码，然后写入相应的r a m 单 元即可。 四、数据采集软件 图3 7 描述了在单片机控n - f 硬件系统的数据采集过程：采集系 统由书程序和中断服务程序组成。辛程序中有采样和显示子程序，丰 程序进行连续的采样和显示，同时丌放串行口接收中断r i 和外部中断 i n t o 当上位机发送命令字或键盘被按下时，转入中断服务程序，完 成相关功能后返回。 3 4 轴承测量系统的电路设计 轴承测量系统的电路硬件与轴颈系统基本类似。这里不再详细讨 论。 3 5 电路系统的标定 一、标定方法 硬件系统功能实现后，需要对其标定，以确定输入位移值和输出 数字量间的精确关系，这其中包括差动变压器传感器位移一电压转换 第三章轴颈、轴承测量系统的研制 过程的非线性关系，传感器输出电压值一量化值问的比率关系。 本文采用光栅尺对测量系统进行标定，它的灵敏度可达0 0 5 9 m 图3 7 数据采集流程 能从源头保证测量的精度。图3 8 是标定的简要示意图：把光栅尺和 传感器的静止部分和精密位移台固定，然后移动位移台则光栅尺和 第三章轴颈，轴承测量系统的研制 传感器有相等位移，记录光栅尺和测量系统的读数。 图3 8 标定示意图 二、标定结果及处理 按照上述方法，在传感器0 5m m 行程内取2 1 个点，大约每o 0 5 m 采样一次，得到数据。 使用o r i g i n 对测量数据进行最, j , - - 乘法线性拟合，得到表3 3 和 图3 9 。 表3 3 线性拟台结果 y = a + b 冰x p a r a m e t e r v a l u ee r r o r a b 1 3 0 1 9 6 4 0 9 8 6 8 6 1 7 9 6 4 4 e - 4 5 9 2 7 5 4 e - 4 s d np 2 l 0 0 0 0 l 从拟合结果可以看出相关系数为r = i ，这表明在此测量范围内，用 第三章轴颈、轴承测量系统的研制 线性关系是合理的，但斜率b = o 9 8 6 8 6 ，偏小，即测量值被缩小。 卫 t - 拍2 墨 卜1 3 0 0 1 2 9 a 1 曲e 0 6- o - o2o 00 20 4o b xa x i s t i t l e l ! j9 线性拟台曲线 修改斜率系数后，重复标定，对测量数据进行拟合，得到和表3 4 和图3 1 0 。由表可知，曲线斜率为0 9 9 9 3 4 接近l ，同时标准差减小 进一半，比较理想传感器标定完成 我3 4 线性拟台结果 y = a + b 掌x p a r a m e t e rv a | u ee r r o r _ _ - - a b 1 3 0 2 0 7 1 4 0 9 9 9 3 4 1 0 8 8 1 7 e - 4 3 5 9 3 0 7 e - 4 rs dnp 4 9 8 6 5 6 e - 4 2 l 0 o o o l - 2 7 第三章轴颈、轴承测量系统的研制 图1 0 线性拟合曲线 对轴颈、轴承测罱系统中的8 只传感器重复上述工作，完成硬件 采集系统标定。 图3 1l 轴颈测量系统实物图 m 妣 引 ； m m m a i i ! l s ! ) v 第三章轴颈、轴承测量系统的研制 3 6 小结 硬件标定完成以后，要完成最后的安装，把传感器固定到定位机 构卜。安装时以标准轴件为基准，使传感器工作在电压零点附近，以 便得到较好的线性关系，图3 1 l 和图3 1 2 是最后安装完成后的实物 图： 图3 1 2 轴承测量系统实物图 2 9 第四章实验结果厦分析 第四章实验结果及分析 4 1 测量仪的标定 一、标准件的测量 如前文所述，由于测量采用比较法，需要知道标准件的绝对尺 寸，作为比较的基准。下面是标准轴承孔示意图： 0 圈4 1 标准轴承孔尺寸 图中标明位置l 、位置2 是检修标准要求测量的直径值，需要知 道其绝对尺寸。标准轴承孔的直径由计量院长度处用三坐标测量机 ( c m m ) 进行测量，以保证测量的精度和权威性。 标准空心轴件的测量与此相类似这里不再详细讨论。 二、测量步骤 测量仪首次测量或经过长时间使用后需要校准，即用标准件对测 量仪进行标定，校准完成后就可进行实际的测量。轴颈测量仪、轴承 第四章实验结果及分析 测量仪面板上有相应的校准、测量键，在这些功能键的控制下，完成 多个截面、同一截面上多个方向直径值的测量。 4 2 测量系统的误差 一、测量系统的误差源 下图是测量系统的总误差及其分类。 洲 量 总 误 茄 屯路误差 温度误差 定位误差 测最力误差 传感器非线性误著 a i d 转换误差 噪声误差 轴向定位误差 径向定位误差 图4 2 测懿系统的误差分类 二、误差分析 1 电路误差电路部分的误差来自三个方面一是传感器的非 线性误差在位移量转化为电压的过程中产生：二是a d 转换误 差。由予模数转换芯片分辨率的限制在把电压值转为数值时，产生 了误差；三是噪声误差，由于电路系统的干扰，电源电压波动等因素， 也给测量带来误差。由第三章的讨论可知，以光栅尺为比较基准，电 路部分误差为： 6 - = 3 a 3xo 4 9 = 1 5 9 i n 实际测量中，由于传感器工作在很小的范围，比标定时的o 6 m m 第q 章实验结果及分析 小很多，工作区几乎接近线性所以误差小于l 。5 岬。 2 温度误差在长度测量中规定的标准温度为2 0 c ，但实验测 量温度总会与标准温度有一定的偏离。并且仪器、基准件和被测件三 者的温度有差别。若它们所用的材料不同时，因温度引起的测量误差 可按下式计算： 8 l = ( 口2 一口1 ) ( 7 2 2 0 ) + 睇l ( 7 2 一i ) 】 式中：l 一被测轴件长度 7 2 、7 l 一被测件与测量仪温度 a 2 、a l 。一被测件与洌0 量仪的线膨胀系数 存本试验中，被测件与测量仪所用材料都为钢，且两者之问f l 勺温 度相近，故此项误差可忽略不计，但测量仪和被测件温度相差较大时， 由此带来的误差必须修正。 3 定位误差定位误差是测量误差的主要来源，由第二章的讨论 可知，对轴颈测量仪，理论计算的最大误差为： 占2 1 1 8g m u 肘轴承测量仪，定位误差为： 占3 0 1 2 岬 4 测量力误差在测量过程中，为了保证接触可靠，必须有定 的测量力。测量力必然会使被测件和量仪产生弹性变形，从而引起测 量误差。在本文中，电感传感器的测力在0 5 n 一0 8 n ，钢制被测轴件 的压陷量很小，可忽略不计。 综上，可以得到轴颈测量仪的理论计算误差为： 第四章实验结果及分析 i = 撕雨= 打丁再万= 1 9 1 t u n 轴承测量仪的理论计算误差为： 2 = 丽= 丁了丽：i 5 1 肛m 4 3 实验结果 一、轴颈测量仪实验 在本实验中，对轴的三个截面进行1 6 次测量，得到如下表所示 的结果： 表4 1 轴壬负础最数据 面 次八 截面l截面2截面3 l1 3 0 0 4 7 0 1 3 0 0 5 1 81 6 5 0 9 4 1 21 3 0 0 4 6 11 3 0 0 5 2 3 1 6 5 0 9 3 3 31 3 0 0 4 6 8 1 3 0 0 5 2 21 6 5 0 9 4 4 41 3 0 0 4 7 7 1 3 0 0 5 2 01 6 5 0 9 4 8 51 3 0 0 4 6 8 1 3 0 0 5 1 01 6 5 0 9 3 6 61 3 0 0 4 7 4 1 3 0 0 5 1 41 6 5 0 9 4 0 71 3 0 0 4 7 7 1 3 0 0 5 1 71 6 5 0 9 4 3 81 3 0 0 4 7 0 1 3 0 0 5 1 l1 6 5 0 9 3 8 91 3 0 0 4 7 4 1 3 0 0 5 1 71 6 5 0 9 4 3 1 01 3 0 0 4 6 9 1 3 0 0 5 1 l1 6 5 0 9 3 3 l l1 3 0 0 4 7 6 1 3 0 0 5 1 61 6 5 0 9 4 3 1 21 3 0 0 4 7 7 1 3 0 0 5 1 61 6 5 0 9 4 1 1 31 3 0 0 4 7 1 1 3 0 0 5 1 61 6 5 0 9 4 0 1 41 3 0 0 4 7 41 3 0 0 5 1 41 6 5 0 9 4 4 1 51 3 0 0 4 7 l1 3 0 0 5 1 11 6 5 0 9 3 5 1 61 3 0 0 4 7 41 3 0 0 5 0 9 1 6 5 0 9 4 l 理想值( a m ) 1 3 0 0 4 71 3 0 0 5 2 1 6 5 0 9 4 平均值( m )1 3 0 0 4 7 21 3 0 0 5 1 5 1 6 5 0 9 4 4 3o ( p m ) 1 31 31 3 3 3 第四章实验结果及分析 从结果可以看出，轴颈测量仪具有很好的重复性，1 6 次的重复精 度( 3o ) 为1 3u m ；同时，多次测量的平均值接近理想值，最大绝对 误差为分别为0 7 a m ，1 0 p m ，0 8 p m 。 二、轴承测量仪实验 下表是对一轴承内孔两个截面的多测测量结果： 表4 , 2 轴承测量数据 霞面 次氏 截面1截面2 l1 2 9 9 7 2 9 1 2 9 9 7 3 7 21 2 9 9 7 3 l1 2 9 9 7 3 9 31 2 9 9 7 2 61 2 9 9 7 3 9 41 2 9 9 7 3 21 2 9 9 7 3 9 51 2 9 9 7 2 5 1 2 9 9 7 3 9 61 2 9 9 7 2 9 1 2 9 9 7 4 0 71 2 9 9 7 2 l 1 2 9 9 7 3 6 81 2 9 9 7 3 0 1 2 9 9 7 3 7 91 2 9 9 7 3 41 2 9 9 7 4 0 1 01 2 9 9 7 3 21 2 9 9 7 3 8 1 11 2 9 9 7 2 9 1 2 9 9 7 3 4 1 21 2 9 9 7 2 91 2 9 9 7 4 1 1 31 2 9 9 7 3 21 2 9 9 7 4 1 1 41 2 9 9 7 3 4 1 2 9 9 7 4 0 1 51 2 9 9 7 3 4 1 2 9 9 7 3 5 1 61 2 9 9 7 3 51 2 9 9 7 3 5 理想值( m )1 2 9 9 7 31 2 9 9 7 5 平均值( 蕊)1 2 9 9 7 3 0 1 2 9 9 7 4 4 3o ( g m ) 1 _ 1 o 9 从表4 2 可以看出，在1 6 次测量中，轴承测量仪有较好的重复精 第四章实验结果及分析 度( 3o ) ，最大为1 1 , a m ：多次测量的平均值接近理想值，最大的绝 对跌差分别为0 9p m 。1 j u m 。 三、小结 根据上述的理论计算和实验，轴颈测量仪和轴承测量仪有较好的 稳定性，重复精度高，最大的绝对误差小于理论的计算值，小于检修 允r i ：的极限误差8 p m 这表明系统的设计是合理的，可以满足实际测 量的要求。 第五章自动选配算法及其软件实现 第五章自动选配及其软件实现 5 1 软件的总体设计 一、概述 轴颈、轴承数据采集完成以后需要对数据按照检修标准进行分 析确定合格轴件和报废轴件，同时可以查询轴件任测量数据。对 于合格的轴颈和轴承。按要求的过盈量进行自动选配，输出轴颈表、 轴承表和选配表。本软件就是为了满足上述功能。 二、数据的存储与访问 目前计算机存储管理数据普遍采用的方法有文档管理和数据库 管理。但是与文档相关的所有对象只能在某个单独的磁盘文件中进行 顺序读或写。当文档打丌时，文档的所有数据都必须被读进内存中； i 叫当巫新过的文档被关闭时，所有的数据都必须被写回磁盘中。显然， 如果文档比虚存空阃还要大的话，那么此时是无法对它进行序列化 的。即使文档不大也不必每次程序运行时都对所有的数据进行读和 写。而采用数据库可以进行数据的随机访问。 数据库技术由于数据库信息容量大，分类、统计和检索方便。使 用灵活而且便于维护而得到非常广泛的应用。本课题选用的是微软公 司的a c c e s s 关系数据库管理系统。之所以采用a c c e s s 数据库是由 它独有的特点决定的： 1 提供高级的用户接口 数据是以一定的物理形式存储在数据库中的。如果让用户直接访 问这种物理形式的数据，势必要求用户了解许多实现的细节，例如数 据的物理地址、物理快的结构、指针以及用于控制的各种标志和附加 第五章自动选配算法及其软件实现 信息等。而且。应用程序将依赖于数据的物理结构，不利于数据的独 立性。a c c e s s 隐蔽了这些实现的细节，使用户看到的数据和他们平常 所使用的数据一样。这种抽象掉物理存储细节的数据形式称为逻辑形 式；通过a c c e s s 数据的物理形式和逻辑形式能够相互对应。 2 查询处理和优化 这罩的查询泛指用户对数据库的访问请求，不但包括数据检索， 也包括修改数据和定义新的数据等请求。由于用户用非过程数据库语 言查询数据库查询处理过程的拟定和优化就由a c c e s s 来完成。 a c c e s s 的查询处理和优化的性能是非常领先的。 3 恢复功能 数据库不但要在正常的情况下保持一致性在故障情况下，甚至 数据库本身遭到破坏时，a c c e s s 也能恢复到一致的状态。 4 宠雅性约束检查 数据都要遵守定的约束，即使在程序设计语言中也是如此。最 简单的约束就是数据类型说明。通过数据类型检查，可以发现某些程 序错误。由于数据库中的数据是持久和共享的，其正确性非常重要， 在保证数据的正确性方面a c c e s s 采取了更多的措施。在a c c e s s 中 不但对数据进行语法检查，还对数据进行语义检查。数据在于以上的 约束称为完整性约束。a c c e s s 的完整性约束程度非常完备。 5 访问控制 数据库是共享资源，但不是任何用户都可以不受限制的访问任何 数据。a c c e s s 有控制用户访问权限的功能，这种功能口q 访问控制。访 问控制不但可以规定用户访问的范围，而且还可以限制用户进行的操 作。充分保证数据的安全与可靠。 第五章自动选配算法及萁软件实现 三、开发环境 本文采用v i s u a lc + + 完成选配管理软件的开发。v i s u a lc + + 是 一个优秀、方便、高效的集成开发工具，开发系统包括一个c ，c + + 编 译器，一个链接器和一个基于图形的编程辅助工具包，它可以帮助生 成程序的基本代码、定义c + + 类、处理w i n d o w s 消息和完成其它任 务，u 0v i s u a lc + + 鄙提供了良好的数据库编程环境，并在m f c 中 提供了各种数据库应用类，用它可以方便的完成的对数据库操作，包 括数掘的添加、查询、删除等。 5 2 选配算法研究 一，选配的基本原理 要实现轴承轴颈的自动选配，设计一种好的算法很有必要下面 对此作一介绍。本文在设计选配算法时考虑了以下问题： 1 依据轴颈来选择相应的轴承。 2 ，超限项的轴承轴颈视为不合格件，存入不合格组件袁，不能参 力| l 选配。 3 以轴颈、轴承截面直径的平均值参加选配。 选配算法基本原理是：将参加选配的轴颈外径、轴承内径值分别 都由大到小排列，在要求的过盈量范围内，根据轴颈来选择轴承，用 最大的轴颈配合最大的轴承孔，这样可以保证较高的选配率。选配结 束后，生成选配表和剩余表，没有选配成功的轴件放入剩余表参加下 次选配。 二、选配过程描述 图5 1 给出了详细的选配流程图，n 是轴颈直径值由大n 4 , 的一 组排列，m 是轴承直径值由大到小的排列，一是要求的最小过盈量， 鹞五章臼动选配算法及】e 软件实现 图5 1 选配流程图 3 9 第五章自动选配算法及其软件实现 j 2 是要求的最大过盈量。选配开始时，分别取出最大的轴颈、轴 承直径值，如果计算过盈量b f 在要求的范围，则选配成功，然后 取山下个轴颈、轴承值进行下一次选配：如果计算过盈量小于 要求的最小过盈量j l ，则放弃该轴承，对下个轴承进行计算， 直到满足配合条件：反之计算过盈量大于要求的最大过盈量j 2 ， 则放弃i 幺轴颈，对下一个轴颈进行计算，最后给出选配表和剩余 表。 5 3 程序的实现 一、程序的整体结构 图5 2 描述了应用程序和数掘库、系统的结构关系和组成程序 的各个模块。 i 。一。 图5 2 程序整体结构 - 4 0 - 第五章自础选配算法及其软件实现 如上图所示，应用程序 m m s ( m e a s u r e & m a t es y s t e m ) 通 过o d b c 连接数据库。o d b c 是一个不同类型数据库的通用 接口，它提供了和各种数据库管 理系统相对应的o d b c 驱动程 序通过这些驱动程序，应用程 序就可以实现对不同数据库的 蛳”f f , i 种啤仃6 个模块绢 j j 兑：数掷：输入秧块、数抛显刁i 模 块、公茬设定模块、选配模块、 搬表打印和用户管理模块每个 i 疆哺丽函忑磊_ 一 圈qi n s p e c 曰。 c a b o u t d l 9 卧喀c a u t o l n p u t d i g 田- c b c a r i n p u t d i g 卧j