摘（zhāi）要: 由於鐵路客車軸承滾子磨削加工精度難（nán）以控製，介紹（shào）了一種采用CBN 砂輪高速點（diǎn）接觸磨削滾子的新方法，重點對其在線檢測（cè）係統做了深入的（de）研究。確定（dìng）了在線檢測係統的總體方案，設計了測頭機（jī）構，闡述並分析了（le）測（cè）量原理。

關鍵詞: 滾動軸承; 滾子（zǐ）; 精密磨削; 在線檢測

1 前言

      隨著列車速度（dù）的提高和運行距離的增加，對（duì）車輪軸承質量的要求也隨之提高［1］。目前，國內鐵路客車正常運行速度不超過160 km/h，車輪最（zuì）高轉速為1 000 r /min，車軸所受（shòu）載荷為148． 96kN，最（zuì）大軸向載荷為59． 6 ～ 74． 5 kN，車輪軸承采用脂（zhī）潤滑。滾子質量在（zài）很大程度上（shàng）影響著（zhe）軸（zhóu）承（chéng）的使（shǐ）用壽命和動態性能。由（yóu）於鐵路客車使用環境的特殊（shū）性，要求（qiú）在磨削（xuē）加工中同一組滾（gǔn）子直徑變動量≤2 μm，長度變動量≤10 μm。

      磨削加工往往作為終加工工序，對工件（jiàn）的最終精度有直接的影（yǐng）響。鐵路客車常用軸承有圓柱滾子軸承和圓（yuán）錐滾子軸承，滾子素線常（cháng）采（cǎi）用邊緣對數曲線（xiàn）修形（xíng），一（yī）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（fāng）法要經常用金剛（gāng）筆或金剛滾（gǔn）輪對砂輪進（jìn）行（háng）修形，修形後的砂輪外形很難保證與所需滾子外（wài）形素線一致，同一批滾子的直徑變動量難以控製，容易造成滾（gǔn）子（zǐ）滾動麵素線的對稱度不高，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，設計了一種采用CBN砂輪高速點接觸（chù）磨削滾子軌跡的新方法。該（gāi）方法集（jí）多種輪廓磨削加工工藝於一體，一次裝夾可完成多個表麵的磨（mó）削加工，不僅（jǐn）提高加工效率，還可以保（bǎo）證工件的形（xíng）狀和（hé）位置精度。

      在線（xiàn）檢測技術是一種基於計算機控製的檢測技術，其（qí）檢測（cè）過程（chéng）由數控程序控製，通過工控機的（de）處理（lǐ）得出檢測結果並做出相應的處理。將在線檢測技術應用（yòng）於鐵路軸承滾子的磨削加工中，可減少（shǎo）工件裝夾次數，有效保證工件的重複（fù）定位精度，對提高滾子質量將有著質的變化。因此，研（yán）究設計了與上述磨削加工方法有機結（jié）合的在線檢測係統。

2 總體（tǐ）方案

      軸（zhóu）承（chéng）滾子精密磨削機床在線檢測（cè）係統由雷尼紹測頭係（xì）統和相應的檢測軟件結（jié）合機床本體構成。係（xì）統借助機床上（shàng）的（de）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（gōng）能（néng），實現在線檢測和反（fǎn）饋控製［3］，總體方案如圖2所示（shì）。該係統由雷尼紹測頭（tóu），嵌入式運動控製（zhì）器（qì），人機界麵，X 軸、Y 軸伺服電動機及伺（sì）服驅動器等相關部件組成。係統工作時，在X 軸、Y 軸伺服電動機的配（pèi）合下（xià），工件與測頭測針接觸產生觸（chù）發信號。信號（hào）經處理後由專用I /O 接口傳輸給嵌入式運動控（kòng）製器，測量（liàng）軟件結合同時反饋回的伺服電動機的位置信息，進行計算、補（bǔ）償（cháng）等數據處（chù）理工（gōng）作，得出檢測結果，完成檢測工作。

3 測頭（tóu）機構

      在線檢測係統的測頭機構主要由測頭座和（hé）2個（gè）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（suǒ）示

      測針（zhēn）是（shì）LP2 測頭的重要組成部分，在線測量過程中與工件接（jiē）觸，對在線測量的完成和準確與否起著關鍵（jiàn）性的作用。測針通常分為球狀測針和柱狀測針。本在線檢測的實（shí）質是取得工件各縱截麵（miàn）的最大直徑值。如果選（xuǎn）擇球狀測（cè）針，測針與工件的接觸實際上是空間內點（diǎn）與線的（de）接觸，測量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（miàn）很難（nán）重合（hé），實際測量值將小於測量截麵（miàn）處工（gōng）件的最大直徑，將不可避免（miǎn）地產生誤差; 而采用柱狀（zhuàng）測針時（shí）測針與（yǔ）工件（jiàn）的接（jiē）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（cè）量時測針與工件之間的接觸（chù）點與工件水平（píng）中心線重合，可避免產生誤差，測量（liàng）示意圖如圖4 所示。

4 檢測（cè）原理

     4． 1 工件坐標係的建立

      在線（xiàn）檢測係統的作用（yòng）是在機床磨削滾子後（hòu），對磨削後滾子的縱向截麵直徑進行（háng）在線測量並將測量結果反饋給控製中（zhōng）心。在此，以一種（zhǒng）滾動麵素線中間為圓弧曲線，兩端為對數曲線修形的滾子（zǐ）為例（lì）闡述測量原理。設滾子最大直（zhí）徑為（wéi）Φm，有效接（jiē）觸長度為L，滾動麵圓弧部分素線的半徑（jìng）為（wéi）R，對數修形部分素線的方（fāng）程為y = aln［1 － ( 2x /L) 2］－ 1 ( 其中a 為根據工況和材料性質決定的常數（shù）) 。測（cè）量時，工件固定在機床上的兩個頂尖之間，所建立的工件坐標（biāo）係如圖5 所示，其中α，β 點為圓弧曲線與對數曲線的（de）切點。

     在工件坐標（biāo）係（xì）中，α 與β 點所在的截麵的直徑分別為

     其餘任意一點xi所在的截麵的直徑φi為

      4． 2 測量（liàng）過程及原理

      測量過程及原理示意圖如圖3 所示（shì）。在線檢測時，測頭機構不動，被測工件與所在的工（gōng）作台一起在X 軸、Y 軸電動機的配合下運動（dòng）。當（dāng）係統測量（liàng）工（gōng）件xi點所在截麵的直徑時（shí），X 軸伺服電（diàn）動機拖動縱向托板向（xiàng）前（qián）運動，當（dāng）測針與工件接觸後，測頭產生（shēng）一個觸發（fā）信號經（jīng）傳輸器（qì）傳送（sòng）到（dào）運動控製器中，控製X 軸伺服電動機反方向（xiàng）( 即向後（hòu）) 運動（dòng），並記錄下此時X 軸伺服（fú）電動機的位置（zhì）。當工件（jiàn）與第2 個測針接觸時，測頭再次產生一個觸發信號（hào）傳送給運動控（kòng）製器，控製X 軸伺服電動機反方向運動至（zhì）開始檢測位置( 即工件處於兩（liǎng）個測針正中間的位置) ，同時記錄下此時X 軸的位置。2 個（gè）觸發信（xìn）號之間X 軸電動機拖動（dòng）托板運動的距離為hi，事先標定好的2 個測針之間的距（jù）離為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（cè）量值與（yǔ）理論值之間的差值為（wéi）Ci = Φi － Φi，該差值將（jiāng）作為機床下一步工作（zuò）的重要依（yī）據。

5 檢測程序

      在線檢測技術能否準確（què）實現的關（guān）鍵主要（yào）體現在檢測程序的編製上，檢測程序編製質量直（zhí）接影（yǐng）響到檢測效果的好壞［4］。根據雷尼紹廠商提供的工（gōng）具測量軟（ruǎn）件，結合深（shēn）圳固高公司的運動控製器編程語法，在Windows XP 操作環境下運用VC + +開發了專用的測量軟件（jiàn）。該測量程序采用模塊化結構設計，主（zhǔ）要包括數據采集模塊、通（tōng）信模塊、顯示模塊、數據處理模塊和鍵盤中（zhōng）斷子程序等（děng）。軟件總流程圖如圖6 所示。

      基於固（gù）高運動（dòng）控製器編程語法的檢測（cè）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（tíng）止脈衝

APY ＜ return ＞ 查（chá）詢並報告Y 軸位置

PRY － 2000 Y 軸反向運動（dòng）

AI 2 2#停止脈衝

APY ＜ return ＞ 查詢並（bìng）報告Y 軸位置

……

EN 結束

6 結束語

       目（mù）前，上述滾子（zǐ）磨削加工機床已完成了論證和（hé）設計工作，正處於樣機的生產和調試階段（duàn）。若能實現數（shù）控軸承滾子磨（mó）床加工過程的在線檢測，將減少（shǎo）工件的裝夾次數，既能保證磨（mó）削加工的精度，又可擴大數控磨削機床的功能，改善機床的性能及工作效率（lǜ），降低工（gōng）人的勞動（dòng）強度，對提高（gāo）國產鐵路（lù）軸承滾子的整體品（pǐn）質也有一定的現實意義。