摘要: 由於鐵路客車軸承滾（gǔn）子磨削（xuē）加工精度難以控製，介紹了一種（zhǒng）采用CBN 砂輪高速（sù）點接觸磨（mó）削滾子的新方法，重點對其在線檢測係統做了深入的（de）研究。確定了在線檢測係統的總體方案，設計了測頭（tóu）機構，闡（chǎn）述並分析了測量原理。

關鍵詞: 滾動軸承; 滾子; 精密（mì）磨削（xuē）; 在線檢測

1 前言

      隨著列車速度的提高和運行（háng）距離的增加，對車輪（lún）軸承質量的要求也隨之提高［1］。目前，國內鐵路客車正常運（yùn）行（háng）速度不超（chāo）過160 km/h，車輪最高轉速為1 000 r /min，車軸所受載荷為148． 96kN，最（zuì）大軸向載荷為59． 6 ～ 74． 5 kN，車輪軸承采用（yòng）脂潤滑。滾子質量在很大程度（dù）上影響著軸承的使用壽命和動態性能（néng）。由於鐵路（lù）客車使用環境的特殊性，要求在磨削加工（gōng）中同一組滾子直徑變動量≤2 μm，長度變動量≤10 μm。

      磨削加工往往（wǎng）作為終加工工（gōng）序，對工件的最終精度（dù）有直接的（de）影（yǐng）響。鐵路客車常用軸（zhóu）承有圓柱滾子軸承和圓錐滾子（zǐ）軸承（chéng），滾子素線常采用邊緣對數曲線修形，一般為修形砂輪切入式磨削加工，其原理如圖1 所示。這種加工方法要經常用金剛筆或金剛滾輪對砂輪進（jìn）行修形，修（xiū）形後（hòu）的砂輪外形（xíng）很難保證與所需滾子（zǐ）外形素線一致，同一批滾子的直徑變動量難以控製（zhì），容易造成滾（gǔn）子滾（gǔn）動麵素線的對稱度不高，表麵粗糙度（dù）控製有限（xiàn），且頻（pín）繁修形造成工作效率較低。

      針對（duì）現有技術的不足，設計了一種采用CBN砂輪高速點接（jiē）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（yī）體（tǐ），一次裝夾（jiá）可完成多個表（biǎo）麵的磨削（xuē）加工，不（bú）僅提高加工效（xiào）率，還可以保證工件的形狀和位置（zhì）精度。

      在線（xiàn）檢測技（jì）術是一種基於計算（suàn）機控製的檢測技術，其檢測（cè）過程由數控（kòng）程序控製，通過工控（kòng）機（jī）的處理得出（chū）檢測結果並做出相應的處理。將在線檢測技術應用於鐵路軸承滾子的磨削加工中（zhōng），可減少工件裝夾次數，有效保證工件的重複定位精（jīng）度，對（duì）提高滾子質量將有著質（zhì）的變（biàn）化。因（yīn）此，研究設計了與上述磨削加工方法有機結合的在線檢測（cè）係統。

2 總體方案

      軸承滾子精密磨（mó）削機床在線檢測係統由雷尼紹測頭係統和相應的檢測軟件結（jié）合機床（chuáng）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（jiā）入三坐標測量機的主要功能，實現在（zài）線檢測和反饋控製［3］，總體方（fāng）案如圖（tú）2所示。該係（xì）統由（yóu）雷尼紹測頭，嵌入式（shì）運（yùn）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組成。係統工作時，在X 軸、Y 軸伺服（fú）電動機的（de）配合下，工件與測頭測針接觸產生觸發信號。信號經處理後由專用I /O 接口傳輸（shū）給嵌入式（shì）運動控製器，測量軟件結合同時反饋回（huí）的伺服電動機（jī）的位（wèi）置信息，進行計算（suàn）、補償等數據處理工（gōng）作，得出檢測（cè）結果，完成檢測工（gōng）作。

3 測頭（tóu）機構

      在線檢測係統的測頭機構主要由測頭座（zuò）和2個雷尼紹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 測頭的重要組成部分，在線測量過程中與工（gōng）件接觸，對（duì）在線測量的（de）完成和準確與（yǔ）否起著關鍵性的作用。測針通（tōng）常分為球狀測針和柱狀測針。本在線檢（jiǎn）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）狀測針，測針與工件的接觸實際上（shàng）是空間內點與線的接觸，測量（liàng）時測針接觸點所在的水平麵（miàn）與工件中心線所在的水平麵很難重合，實際測量值將小於測量截麵處工件的最大直徑（jìng），將不可避（bì）免地產生誤（wù）差; 而采用柱狀（zhuàng）測針時測針與工（gōng）件的接觸實際上為空間內兩條直線之間相交，由空間內兩條不重合的直線相交隻有一個交點可知，測量時測針與工件之間（jiān）的接觸點與工件水平中心線重合，可避（bì）免產生誤差，測（cè）量示意圖如圖4 所示。

4 檢測原理

     4． 1 工件坐標係的建立

      在線檢測係統的作用是在機床磨削滾（gǔn）子後，對磨削後滾子的縱向截（jié）麵直徑進行在線測量並將測量結果反（fǎn）饋給控製中心。在此，以一種滾動麵素線中間為圓弧（hú）曲線，兩端為對數曲線修形（xíng）的滾子為例闡述測量原理。設滾（gǔn）子最大直徑為Φm，有效接觸長度為L，滾動麵圓弧部分素線的半徑為R，對數修形（xíng）部分（fèn）素線的方程為y = aln［1 － ( 2x /L) 2］－ 1 ( 其中a 為根據（jù）工況和材料（liào）性質決（jué）定的常數) 。測量時，工件固定（dìng）在機床上的（de）兩個頂尖之間，所建立的工件坐標係如圖5 所示（shì），其中α，β 點為圓弧曲（qǔ）線與對數曲線的切（qiē）點（diǎn）。

     在工件坐標係中，α 與β 點所在的截麵的直徑分別為（wéi）

     其餘任意一點xi所在（zài）的截麵的（de）直徑φi為

      4． 2 測量（liàng）過程及（jí）原理

      測量過程及原理示意圖如（rú）圖3 所示。在（zài）線檢測時，測（cè）頭機構不動，被測（cè）工件與所在（zài）的工作台一起在X 軸、Y 軸電動機的配合下運動。當係（xì）統測量工件xi點所在（zài）截麵的直徑（jìng）時，X 軸伺服電動機拖動縱向托板向前運動，當測針與（yǔ）工件接（jiē）觸後，測頭產生一個觸發信號經傳輸器傳送到運動控製器中，控製X 軸伺服電動機反方向( 即向後) 運動，並記錄下此時X 軸伺服電動機的位置。當（dāng）工件與第2 個測針（zhēn）接觸時（shí），測頭再次產生一個觸發信號傳送給運動控製器，控製X 軸伺服電動機反方（fāng）向運（yùn）動至開始檢測位置( 即工件處於兩個測針正中間的位置) ，同時記錄下（xià）此時X 軸的位置。2 個觸發信號之間X 軸電動機拖動托板運動的距離為hi，事（shì）先標定好的2 個測針之間的距離為H，則xi點所在的（de）截麵的直徑Φi為

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

5 檢測程（chéng）序

      在（zài）線檢（jiǎn）測技術能否準（zhǔn）確實現的（de）關鍵主要體現在檢測（cè）程序的編製上，檢測程序編製質量（liàng）直（zhí）接影響到檢測效果（guǒ）的好壞［4］。根據雷尼紹廠商提供的工具測量軟件，結合深圳固（gù）高公司的運動控製器（qì）編（biān）程（chéng）語法（fǎ），在Windows XP 操作（zuò）環境下運用VC + +開發了專用的測量軟件（jiàn）。該測量程序采用模塊化結構（gòu）設計，主要包括數據采集模塊、通信模塊、顯示模塊、數據處（chù）理模塊和鍵盤中斷子程序等。軟（ruǎn）件總流程圖如圖6 所示。

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

#CETOU 標號

SP 2000 初始速（sù）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 軸反向運動

AI 2 2#停止脈衝（chōng）

APY ＜ return ＞ 查詢並報告Y 軸位置

……

EN 結束（shù）

6 結束語（yǔ）

       目前，上（shàng）述滾子磨削加工機床已完成了論證和設計工作，正處於樣（yàng）機的生產（chǎn）和調試階段。若能實現數控軸承滾（gǔn）子磨床加工過程的在線檢測，將減（jiǎn）少（shǎo）工件的裝夾次數，既能保證磨削加（jiā）工的精度，又可擴大數控磨削機床的功能（néng），改善機床的性能及工作效率，降低工人的勞動強度，對提高國產鐵路軸承滾子的整體品（pǐn）質也有一定的現實意義。