连续递增轴向力下微型轴承轴向位移的刚度曲线测试方法

摘要

一种连续递增轴向力下微型轴承轴向位移的刚度曲线测试方法，涉及到测试装置和监控装置，把测力传感器联接在气缸的输出轴端，使气缸、测力传感器、微型轴承、位移传感器位均处于同一垂直线上，通过测力传感器就能直接测量气缸产生的轴向拉力，这样做的好处是测力传感器所测得的拉力就是施加在微型轴承上的轴向力，有效消除其它间接环节可能产生的影响，所测轴向力直接可靠，该轴向力被测力传感器测得并记录下来，位移传感器将微型轴承在对应轴向力下产生的轴向位移也实时记录下来，最后通过计算机的存储、处理后自动生成刚度曲线，该刚度曲线为优化微型轴承的设计、降低微型轴承的噪音以及提高微型轴承的使用寿命提供了重要的参考依据。

说明书

技术领域

    本发明属于轴承检测技术领域，尤其涉及到一种连续递增轴向力下微型轴承轴向位移的刚度曲线测试方法。

背景技术

固定被测轴承的外圈，向被测轴承的内圈施加连续递增轴向力并测得内圈的轴向位移，对改进轴承设计是非常重要的，测试表明，轴向位移在初期是明显可测的，但随着连续递增的轴向力其轴向位移逐渐趋于变小直至趋近于零，连续递增的轴向力随着测试时间与其对应的轴向位移之间的关系曲线简称为刚度曲线。

刚度曲线可以从一个侧面反映轴承在连续轴向力下可以承受的轴向位移处于什么范围，即在该轴向力下轴承的旋转精度可以达到几级，这对优化轴承设计、降低轴承噪音以及提高轴承的使用寿命具有非常重要的设计参考价值。

国内尚没有专用于微型轴承刚度曲线的测试设备，这是由于人们对此要求不高而致，即便有要求通常也是通过向微型轴承的内圈吊砝码并通过千分表来简易测出轴向位移，虽然砝码的重量可以人为调整，但砝码重量的调整并不是一个连续的持续过程，因此所绘制的刚度曲线多为非曲线态，非曲线态的刚度曲线对微型轴承的设计改进意义不大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种连续递增轴向力下微型轴承轴向位移的刚度曲线测试方法，该刚度曲线测试方法通过气缸的精密控制可以对微型轴承施加连续递增轴向力，该轴向力被测力传感器测得并记录下来，位移传感器将微型轴承在对应轴向力下产生的轴向位移也实时记录下来，最后通过计算机的存储、处理后自动生成刚度曲线，该刚度曲线为优化微型轴承的设计、降低微型轴承的噪音以及提高微型轴承的使用寿命提供了重要的参考依据。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种连续递增轴向力下微型轴承轴向位移的刚度曲线测试方法，该测试方法涉及到测试装置和监控装置，所述测试装置包含地脚、机架、精密调压阀、面板、底板、立柱、联接件、气缸、测力传感器、拉钩、横板、定位座、芯轴、位移传感器、支架、过滤减压分水器、电磁阀、减压阀、单向节流阀以及拉绳，测力传感器用于对气缸输出拉力的检测，位移传感器用于对微型轴承轴向位移的检测，精密调压阀、过滤减压分水器、电磁阀、减压阀以及单向节流阀均用于控制气缸的输出拉力，设定微型轴承的最大许用轴向力F≤10000 g，通过精密调压阀调节气缸使测力传感器测试出的轴向拉力不能大于F，所述拉绳承受的拉力≥F，所述拉绳和芯轴的重量相对微型轴承而言忽略不计； 

所述监控装置为所述测试装置的测试提供控制保障，所述监控装置包含前置电路、放大器、A/D转换器、计算机、I/O口，所述前置电路含有高精度激励源和带通滤波器，位移传感器和所述前置电路、测力传感器和所述放大器均归口于所述A/D转换器，气缸输出轴作用于测力传感器，所述A/D转换器与所述计算机和所述I/O口串接，所述I/O口依次控制电磁阀、单向节流阀和气缸，人工手动调节精密调压阀，计算机对位移传感器测试出的轴向位移数值和测力传感器测试出的轴向拉力数值在对应时间内能自动制作成刚度曲线；

本发明的特征如下：

在所述测试装置中，机架底部四周配置四个地脚，机架内按监控需求配置联接有过滤减压分水器、电磁阀、减压阀及单向节流阀，机架上端设置面板且上端一侧配置精密调压阀，两个立柱分别与横板及底板构成框架并通过螺栓被固定在面板上端，气缸通过联接件被固定在面板上并使气缸的输出轴轴线垂直于面板水平面，在气缸的输出轴端联接测力传感器，拉钩联接在测力传感器的上端正中即拉钩的中心线与气缸的输出轴轴线重合，横板的上端配装定位座且上端一侧配置支架，支架的悬臂上配装位移传感器，定位座的中心孔轴线与气缸的输出轴轴线重合； 

测试前先调节机架底部四周配置的四个地脚使面板处于水平状态，然后把微型轴承放入定位座的中心孔内并在微型轴承的内圈中放入与所述内圈内径匹配的芯轴，定位座相对微型轴承起到刚性水平支撑作用，将所述拉绳穿过芯轴的中心孔后与拉钩联接，调节支架悬臂上配装的位移传感器使其与芯轴上端面接触并使位移传感器的垂直轴线与气缸的输出轴轴线重合；

启动所述监控装置使气缸先处于未动状态并将微型轴承的所述F输入所述计算机中，通过精密调压阀调节气缸使测力传感器测试出的轴向拉力不能大于所述F；在电磁阀、单向节流阀的配合下，人工手动调节精密调压阀使气缸先处于初始状态，在所述初始状态时气缸虽有向下微量运动但只是为了绷紧所述拉绳，此时测力传感器测试出的轴向拉力等于零且位移传感器测试出的轴向位移等于零并同时记录在计算机中；继续人工手动调节精密调压阀使气缸处于测试状态，所述测试状态时测力传感器在预定时间t秒对微型轴承测试出从零连续递增到所述F的轴向拉力，与此同时位移传感器在对应时间段内也能对微型轴承测试出从零连续递增到某一定值的轴向位移, 最后通过计算机的存储、处理后对微型轴承自动生成刚度曲线。

上述气缸采用FESTO紧凑型双作用气缸。

上述测力传感器采用EVT-14C高精度微型拉压两用测力传感器。

上述位移传感器采用瑞士TESA公司生产的GT21高精度轴向位移传感器。

在所述计算机中采用了ADLink公司生产的PCI9111多功能数据采集卡。

所述预定时间t采用5秒≤t≤30秒。

由于采用了如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：

1、本发明根据阿贝原则，把测力传感器联接在气缸的输出轴端，使气缸、测力传感器、微型轴承、位移传感器位均处于同一垂直线上，通过测力传感器就能直接测量气缸产生的轴向拉力，这样做的好处是测力传感器所测得的拉力就是施加在微型轴承上的轴向力，有效消除其它间接环节可能产生的影响，所测轴向力直接可靠。

2、本发明使用的测试装置具有安装使用方便、生产一致性好、便于质量控制、适合批量化生产等特点。

3、通过本发明能分析出微型轴承刚度性能的影响因素并提供可靠的检测分析数据，依此来改进微型轴承的设计参数，或是改进微型轴承的加工工艺等，从而提高微型轴承的产品质量。

附图说明

图1是本发明的测试装置结构示意简图；

图2是本发明的监控装置原理示意简图；

图1中：1-地脚；2-机架；3-精密调压阀；4-面板；5-底板；6-立柱；7-联接件；8-气缸；9-测力传感器；10-拉钩；11-横板；12-定位座；13-微型轴承；14-芯轴；15-位移传感器；16-支架；17-过滤减压分水器；18-电磁阀；19-减压阀；20-单向节流阀。

具体实施方式

本发明是一种连续递增轴向力下微型轴承轴向位移的刚度曲线测试方法，通过对气缸的精密控制可以对微型轴承施加连续递增轴向力，该轴向力被测力传感器测得并记录下来，位移传感器将微型轴承在对应轴向力下产生的轴向位移也实时记录下来，最后通过计算机的存储、处理后自动生成刚度曲线，该刚度曲线为优化微型轴承的设计、降低微型轴承的噪音以及提高微型轴承的使用寿命提供了重要的参考依据。

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进。

结合图1，本发明的刚度曲线测试方法涉及到测试装置和监控装置，所述测试装置包含地脚1、机架2、精密调压阀3、面板4、底板5、立柱6、联接件7、气缸8、测力传感器9、拉钩10、横板11、定位座12、芯轴14、位移传感器15、支架16、过滤减压分水器17、电磁阀18、减压阀19、单向节流阀20以及拉绳，测力传感器9用于对气缸8输出拉力的检测，位移传感器15用于对微型轴承13轴向位移的检测，精密调压阀3、过滤减压分水器17、电磁阀18、减压阀19以及单向节流阀20均用于控制气缸8的输出拉力，设定微型轴承13的最大许用轴向力F≤10000 g，通过精密调压阀3调节气缸8使测力传感器9测试出的轴向拉力不能大于F，所述拉绳承受的拉力≥F，所述拉绳和芯轴14的重量相对微型轴承13而言忽略不计,也可将所述拉绳和芯轴14的重量计入计算机中并与测力传感器9所测出的轴向拉力相加，忽略不计或是计入对本领域普通技术人员并不是难事。 

上述气缸8采用FESTO紧凑型双作用气缸。

上述测力传感器9采用EVT-14C高精度微型拉压两用测力传感器， EVT-14C的性能指标参考如下： 

输出灵敏度：1.5 ± 5% mV / V       零点输出：± 2 % FS

非线性： 0.05～0.1 % FS             滞后性：0.03～0.05 % FS

重复性：0.05 % FS                   蠕变（30分钟) ：0.05 % FS

温度灵敏度漂移：0.05 % FS/ 10oC    零点温度漂移：0.05 % FS/ 10oC

安全超载 ：120 % FS                极限超载：200 % FS

防护等级 ：IP67                  测力量程达到10Kg

上述位移传感器15采用瑞士TESA公司生产的GT21高精度轴向位移传感器，GT21的性能指标参考如下：

重复误差：0.01μm           测量范围：±0.2mm

测量力：0.63N               频率响应：60Hz

防护等级：IP65

结合图2，所述监控装置为所述测试装置的测试提供控制保障，所述监控装置包含前置电路、放大器、A/D转换器、计算机、I/O口，所述前置电路含有高精度激励源和带通滤波器，位移传感器和所述前置电路、测力传感器和所述放大器均归口于所述A/D转换器，气缸8输出轴作用于测力传感器，所述A/D转换器与所述计算机和所述I/O口串接，所述I/O口依次控制电磁阀18、单向节流阀20和气缸8，人工手动调节精密调压阀3，计算机对位移传感器测试出的轴向位移数值和测力传感器测试出的轴向拉力数值在对应时间内能自动制作成刚度曲线；

在所述计算机中采用了ADLink公司生产的PCI9111多功能数据采集卡，PCI9111多功能数据采集卡能用来实现对位移传感器及测力传感器的输出数字进行采集分析，其性能指标参考如下：

转换器：ADS774或兼容芯片

分辨率：12位

转换类型：逐次逼近

输入通道：16路单端

双极性：±10V、±5V、±2.5V、±1.25V、±0.625V 单极性：0～10V、0～5V、0～2.5V、0～1.25V

转换时间：8μs

采样率：最大110K

过压保护：连续的最大至±30V

精度：

增益＝1、2、40.01% of FSR ±1LSB增益＝8、160.02% of FSR ±1LSB

输入阻抗：10MΩ

触发模式：软件触发、内部定时器触发、外部触发

数据传输：程序控制、中断、DMA

本发明的刚度曲线测试方法如下：

在所述测试装置中，机架2底部四周配置四个地脚1，机架2内按监控需求配置联接有过滤减压分水器17、电磁阀18、减压阀19及单向节流阀20，机架2上端设置面板4且上端一侧配置精密调压阀3，两个立柱6分别与横板11及底板5构成框架并通过螺栓被固定在面板4上端，气缸8通过联接件7被固定在面板4上并使气缸8的输出轴轴线垂直于面板4水平面，在气缸8的输出轴端联接测力传感器9，拉钩10联接在测力传感器9的上端正中即拉钩10的中心线与气缸8的输出轴轴线重合，此时测力传感器9的中心轴线也与气缸8的输出轴轴线重合，可以保证测力传感器9所检测到的即时拉力是气缸8在该时刻的实际拉力，这对提高测力传感器9的检测准确性非常重要。横板11 的上端配装定位座12且上端一侧配置支架16，支架16的悬臂上配装位移传感器15，定位座12的中心孔轴线与气缸8的输出轴轴线重合，该轴线重合在装配时予以检验。 

测试前先调节机架2底部四周配置的四个地脚1使面板4处于水平状态，在面板4上放置水平尺即可调节到水平状态，然后把微型轴承13放入定位座12的中心孔内并在微型轴承13的内圈中放入与所述内圈内径匹配的芯轴14，定位座12相对微型轴承13起到刚性水平支撑作用，刚性水平支撑可以保证微型轴承13所测的轴向位移是准确的，这一点尤为主要，同时注意定位座12的中心孔尺寸必须根据微型轴承13的外径来确定，将所述拉绳穿过芯轴14的中心孔后与拉钩10联接，调节支架16悬臂上配装的位移传感器15使其与芯轴14上端面接触并使位移传感器15的垂直轴线与气缸8的输出轴轴线重合。

启动所述监控装置使气缸8先处于未动状态并将微型轴承13的所述F输入所述计算机中，通过精密调压阀3调节气缸8使测力传感器9测试出的轴向拉力不能大于所述F；在电磁阀18、单向节流阀20的配合下，人工手动调节精密调压阀3使气缸8先处于初始状态，在所述初始状态时气缸8虽有向下微量运动但只是为了绷紧所述拉绳，此时测力传感器9测试出的轴向拉力等于零且位移传感器15测试出的轴向位移等于零并同时记录在计算机中，所述初始状态实际上类似于是所述监控装置的一种找基准微调过程。

继续人工手动调节精密调压阀3使气缸8处于测试状态，所述测试状态时测力传感器9在预定时间t秒对微型轴承13测试出从零连续递增到所述F的轴向拉力，与此同时位移传感器15在对应时间段内也能对微型轴承13测试出从零连续递增到某一定值的轴向位移, 最后通过计算机的存储、处理后对微型轴承13自动生成刚度曲线。

上述预定时间t秒通常根据微型轴承所能承受的最大轴向力而自定，建议t≥5秒，最好采用5秒≤t≤30秒，将t维持在一定时段内不会因测试而对微型轴承造成不必要的损害，同时所述测试装置也必须满足该要求。

电磁阀、单向节流阀及精密调压阀均用于控制气缸，保证微型轴承13在测试过程中其轴向力处于连续递增状态，当测试过程结束后通过减压阀19对气缸泄压。

将微型轴承放置于具有刚性平面的定位座上，定位座用于固定微型轴承的外圈，气缸对微型轴承的内圈施加轴向力，通过联接在气缸输出轴端的测力传感器测得轴向力，这样既可以通过改变气缸的压强来实现轴向力的连续递增，又可以通过位移传感器测得微型轴承的轴向位移并经计算机记录、处理后自动生成刚度曲线，连续递增的轴向力随着测试时间与其对应的轴向位移之间的关系曲线简称为刚度曲线。