摘要: 由於（yú）鐵路客車軸承滾子（zǐ）磨削加工精度難以控製，介紹了一種采用CBN 砂輪高速點接（jiē）觸磨削滾子的新方法，重點對其在線檢（jiǎn）測係統做了深（shēn）入的研究。確定了在線檢測係（xì）統的總體方案，設計了測頭機構，闡述並分析了測（cè）量原理。

關鍵詞: 滾動軸承; 滾（gǔn）子; 精密磨削; 在線檢測

1 前（qián）言（yán）

      隨著（zhe）列車速度的提高和運行距（jù）離的增加，對車輪軸承質量的要（yào）求也（yě）隨之提高［1］。目前（qián），國內鐵（tiě）路客車正常（cháng）運（yùn）行速度不超過160 km/h，車輪最高轉速為1 000 r /min，車（chē）軸所（suǒ）受載荷為148． 96kN，最大軸向載荷為59． 6 ～ 74． 5 kN，車輪軸承采（cǎi）用脂潤滑。滾子質量在很大程度上影響著軸承的使用壽命（mìng）和（hé）動（dòng）態性能。由於（yú）鐵路客車使用環境（jìng）的特殊性，要（yào）求在磨削加工中同一組滾子直徑變動量≤2 μm，長度變（biàn）動量≤10 μm。

      磨削加工往往作（zuò）為終加工工序（xù），對工（gōng）件的最終精度（dù）有直接的影響。鐵路客車常用軸承有圓柱滾子軸（zhóu）承和圓錐滾子（zǐ）軸承，滾子素線常采用邊緣對數曲線修形，一般為修形砂輪切入（rù）式（shì）磨削加工，其原理如圖1 所示（shì）。這（zhè）種加工方法（fǎ）要經常用金剛筆或金剛滾輪對砂輪進行修形，修形後的砂輪外形很難保證與所需滾子外形素線一致，同一批滾子（zǐ）的直徑（jìng）變動量（liàng）難以控製，容易造（zào）成滾子滾動麵素線的對稱（chēng）度不高，表麵粗糙度控製有限，且頻繁修形造成工作效率較低。

      針對現有技術的不足，設計了一（yī）種采用CBN砂輪高速點（diǎn）接觸磨削滾子軌跡的新方法。該方法集多種輪廓磨削（xuē）加工工藝於一體（tǐ），一次（cì）裝夾可完成多個表麵的磨削加工，不僅提高加工效率，還可以（yǐ）保證工件的形狀（zhuàng）和（hé）位置精度。

      在線檢測技術是一種基於計算機控製的檢測（cè）技術，其檢測過程由數控程序（xù）控製，通過工控機的（de）處理得（dé）出檢測結果並做出相應的處理。將在線檢測技術應用於鐵路（lù）軸承滾子的磨削加工中，可減少工件（jiàn）裝夾次數，有效保證工件的重複定位精度，對提高滾子質（zhì）量將有著質（zhì）的變化。因此，研究設計了與上述磨削加工方法有機結合的在線檢測係統。

2 總體（tǐ）方案（àn）

      軸承滾子精密磨削（xuē）機（jī）床在線檢測係統由（yóu）雷尼紹（shào）測頭係統和相應的檢（jiǎn）測軟件結（jié）合機床本體構成。係統借助機床上的部分硬件，在不改變機床本身性能的基礎上，加入（rù）三（sān）坐（zuò）標測量機的主要（yào）功能，實現在線檢測（cè）和（hé）反（fǎn）饋控製（zhì）［3］，總體方案如圖2所示。該係統由雷尼紹測頭，嵌入式運動控製器，人機界麵，X 軸、Y 軸伺服電動機及伺服驅動器等相關部件（jiàn）組成。係（xì）統工作時，在X 軸、Y 軸伺（sì）服電動機的配合下，工件與（yǔ）測頭測針接觸產生觸發信號。信號經處理後由（yóu）專用（yòng）I /O 接口傳輸（shū）給嵌入式運動控製器，測量軟件結合（hé）同時反饋回的伺服電動機的位置信息，進行計算、補（bǔ）償等數據處理工作，得出檢測結果，完成檢測工作。

3 測（cè）頭（tóu）機構

      在線檢測係統的測頭機構主（zhǔ）要由測頭座和2個雷（léi）尼紹LP2 測頭構成，LP2 測頭固定在測頭座上，其結構如圖3 所示

      測針是LP2 測頭的重要組成部（bù）分，在線測量過程中與工件接觸，對在線測量的完成（chéng）和準確與否起著關鍵性的作用。測針通常分為球狀測針和柱狀（zhuàng）測針。本在線（xiàn）檢測的實質是取得工件各縱截麵的最大直徑值。如果選擇球（qiú）狀（zhuàng）測針，測針與工（gōng）件的接觸實際上是空間（jiān）內點（diǎn）與線的接觸，測量時測針接觸點所在的水平麵與工件中心線所在的水（shuǐ）平麵很難重合，實際測（cè）量值將小（xiǎo）於測量截麵處工件的最大直徑，將（jiāng）不可避免地產生誤差; 而（ér）采用柱（zhù）狀測針（zhēn）時測針（zhēn）與工件的接觸實際上為空間內兩條直線之間（jiān）相交（jiāo），由空間內兩條不重合的（de）直線相（xiàng）交隻有一個交（jiāo）點可知，測量時測針與工件之間的（de）接觸點與工件（jiàn）水平中心線重合，可避免產生（shēng）誤差，測量示意圖如圖4 所（suǒ）示。

4 檢測原理

     4． 1 工件坐標係的建立

      在線檢測係統的作用（yòng）是在機床磨削滾子後，對磨削（xuē）後滾子（zǐ）的縱（zòng）向截麵直徑進行（háng）在線（xiàn）測量（liàng）並將測量（liàng）結果反饋給控製中心。在此（cǐ），以（yǐ）一種滾動麵素（sù）線中間為圓（yuán）弧曲線，兩（liǎng）端為對數曲線（xiàn）修形的滾子為例闡述（shù）測量原（yuán）理。設滾子（zǐ）最大直徑為（wéi）Φm，有效接觸長度為L，滾動麵圓弧（hú）部分素線的半徑（jìng）為R，對數修形部分素線的（de）方程為y = aln［1 － ( 2x /L) 2］－ 1 ( 其中a 為根據（jù）工況和材料（liào）性質決定的常數) 。測（cè）量時，工件固定在機床上的（de）兩個頂尖之間，所（suǒ）建立的（de）工件坐標係如（rú）圖5 所（suǒ）示（shì），其中α，β 點為（wéi）圓弧曲線（xiàn）與對數曲線的切點。

     在工件坐（zuò）標係中，α 與β 點所在的截麵的直徑分別（bié）為

     其餘（yú）任意一點xi所在的截（jié）麵的直徑φi為

      4． 2 測量過（guò）程及原理

      測（cè）量過程及原理示意圖如圖3 所示。在線檢測時，測頭機構不動，被測工件與所在的工作台一起在X 軸、Y 軸電動機的配（pèi）合下運（yùn）動（dòng）。當係統測量工件xi點所在截（jié）麵的直徑時，X 軸伺服電動機拖動縱向托板向前運（yùn）動（dòng），當測針與工件接觸後，測頭產（chǎn）生（shēng）一個觸發信號經傳輸器傳（chuán）送到（dào）運動控製器中，控製X 軸（zhóu）伺（sì）服電動（dòng）機反（fǎn）方（fāng）向( 即向後) 運動，並記錄下此時X 軸伺服電（diàn）動（dòng）機的位置。當工（gōng）件與第（dì）2 個測針接（jiē）觸時，測頭再次產生一個（gè）觸發信號傳送給運動控製器（qì），控製X 軸伺（sì）服電動機反方向運動至（zhì）開始檢測位置( 即工件處於兩個測針正（zhèng）中間的（de）位置) ，同時記錄下此時X 軸的位置。2 個（gè）觸發（fā）信號之間X 軸電動機拖動（dòng）托板運動的（de）距離為（wéi）hi，事（shì）先標（biāo）定好的2 個測針之間的距離（lí）為H，則xi點所在的截麵的直徑Φi為

      則xi點所在截麵的直徑的實際測量（liàng）值與理論值之間的差值為Ci = Φi － Φi，該差值將作為機床下一步工作的（de）重要依據。

5 檢測程序

      在線檢測技術能（néng）否準確實現的關鍵主（zhǔ）要體現在（zài）檢測程序的編（biān）製上，檢測程序編製質量直接影響到檢（jiǎn）測（cè）效果的好壞（huài）［4］。根據雷（léi）尼紹廠商提供的工具測量軟件，結合深圳固高公司的運動控製器編程（chéng）語法，在Windows XP 操作環境下（xià）運用VC + +開發了專用（yòng）的測（cè）量軟件。該測量（liàng）程序采用模塊化結（jié）構（gòu）設計，主要包括數據采集模塊、通信模塊、顯示模塊、數據處理模塊和鍵盤中斷子程序等。軟件總流程圖如圖6 所示。

      基於固高運動控製器編（biān）程語法的檢測子程序部分程序段如下:

#CETOU 標號

SP 2000 初始速度

BGY Y 軸運動

AI 1 1#停止脈衝

APY ＜ return ＞ 查詢並報告Y 軸位置

PRY － 2000 Y 軸反向（xiàng）運動

AI 2 2#停（tíng）止脈衝

APY ＜ return ＞ 查詢並（bìng）報告（gào）Y 軸位置

……

EN 結束

6 結束語

       目前，上（shàng）述滾子磨削加工機床已完（wán）成了論證和設計工作，正處於樣（yàng）機的生（shēng）產和調試階段。若（ruò）能實現數（shù）控軸承滾子（zǐ）磨床加工過程的在線檢（jiǎn）測，將減少工件的裝夾（jiá）次數，既能（néng）保（bǎo）證磨削加工的精度，又可擴大數控磨削機床的功能，改善機（jī）床的（de）性能及工作效率，降低工人（rén）的勞動強度，對提高國產（chǎn）鐵路軸承滾子的整體品質也有（yǒu）一定的現實意義。