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CN110567626B - 一种间接式轴承预紧力测量方法及系统 - Google Patents

一种间接式轴承预紧力测量方法及系统 Download PDF

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CN110567626B CN201910941810.XA CN201910941810A CN110567626B CN 110567626 B CN110567626 B CN 110567626B CN 201910941810 A CN201910941810 A CN 201910941810A CN 110567626 B CN110567626 B CN 110567626B
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Abstract

本发明公开了一种间接式轴承预紧力测量方法及系统，属于高精度仪器仪表测量领域，首先通过有限元仿真模拟轴系壳体不同预紧力下的变形情况；然后由设计的间接式轴承预紧力测量系统检测轴承装配过程中不同预紧力下壳体的变形情况；最后将由有限元仿真得到的变形情况与检测得到的变形情况进行匹配，根据匹配结果获得实际装配下，轴承壳体变形对应的预紧力大小，从而实现轴承装配过程中预紧力的监控。通过本发明可以较客观的定量检测出轴承预紧装配过程中由不同压缩量导致的预紧力大小的变化情况，从而提高轴系装配质量。

Description

一种间接式轴承预紧力测量方法及系统
技术领域
本发明属于高精度仪器仪表测量领域，更具体地，涉及一种间接式轴承预紧力测量方法及系统。
背景技术
高精度导航产品如天文导航设备、惯性导航设备等对轴系的精度、运转灵活性和轴系回转响应性要求较高。而轴承预紧力直接影响轴系的轴晃精度、运转灵活性以及伺服控制系统的响应性。轴承实际装配时，由于壳体与轴的加工误差的存在会导致轴承内外圈产生一定得倾斜，形成角度误差；由于载荷的分布不均，同样会使滚珠以及内外圈滚道变形。并且，与轴承配合的轴以及壳体精度受机床加工能力的影响，特别是弱刚性的轴和壳体，很难保证其加工精度。因此，即使采用高精度的轴承，由于轴和壳体加工精度的限制，以及预紧力的施加难以把控，导致装配后轴系精度不可控、轴承运转卡顿及摩擦力矩波动较大等问题。
目前，对于高精度轴系产品，轴承预紧力的控制对轴系回转精度、运转灵活性以及轴系伺服系统的响应灵敏性至关重要。然而，轴承安装后由于产品的密封性和完备性，很难有直接有效的方法去测量轴承的预紧力，只能预先通过设计预紧量等方法来大致把控轴承预紧力的范围，十分依赖装配人员的经验。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种间接式轴承预紧力测量方法及系统，由此解决针对高精度轴系预紧力的严格控制问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种间接式轴承预紧力测量系统，包括：轴系壳体、连接板、单自由度电动滑台、二自由度激光位移传感器、轴承以及回转轴；
其中，所述回转轴通过所述轴承安装在所述轴系壳体上，在所述轴系壳体底部通过所述连接板将所述单自由度电动滑台与所述轴系壳体连接，所述二自由度激光位移传感器安装在所述单自由度电动滑台上，能够随所述单自由度电动滑台沿y向移动。
优选地，工作时，所述单自由度电动滑台产生y方向的运动，所述二自由度激光位移传感器能够直接测量x方向和z方向的距离，通过所述单自由度电动滑台及所述二自由度激光位移传感器的配合，从而能够测量局部面积所有采样点的位置变化。
按照本发明的另一方面，提供了一种间接式轴承预紧力测量方法，应用于上述任意一项所述的间接式轴承预紧力测量系统，所述方法包括：
(1)通过有限元仿真模拟轴系壳体不同预紧力下的变形情况；
(2)由所述间接式轴承预紧力测量系统检测轴承装配过程中不同预紧力下壳体的变形情况；
(3)将由有限元仿真得到的变形情况与检测得到的变形情况进行匹配，根据匹配结果获得实际装配下，轴承壳体变形对应的预紧力大小，从而实现轴承装配过程中预紧力的监控。
优选地，步骤(1)包括：
通过有限元仿真获得变形表面的节点坐标，然后基于二元线性回归法求解所述变形表面的拟合平面旋量参数，用所述旋量参数表示不同预紧力下壳体的变形情况。
优选地，由
Figure BDA0002223109670000021
确定所述变形表面的拟合平面旋量参数，其中，α为旋转轴线与端面法向量绕x轴的夹角，β为旋转轴线与端面法向量绕y轴的夹角，w为壳体变形面沿z向的位移，
Figure BDA0002223109670000031
n表示所述变形表面的采样点数量，xi表示第i个采样点的轴向坐标，yi表示第i个采样点的径向坐标，zi表示第i个采样点的法向坐标，i＝1,…,n。
优选地，由
Figure BDA0002223109670000032
确定仿真结果下的不同预紧力下壳体的变形情况，其中，f1～fn表示预紧力，
Figure BDA0002223109670000033
表示预紧力fi下的旋量参数，ui表示壳体与轴承配合面沿x方向的位移，vi表示壳体与轴承配合面沿y方向的位移，wi表示壳体与轴承配合面沿z方向的位移，αi表示壳体与轴承配合面绕x轴的旋转角度，βi表示壳体与轴承配合面绕y轴的旋转角度，γi表示壳体与轴承配合面绕z轴的旋转角度，i＝1,2,3,…,n。
优选地，步骤(2)包括：
(2.1)由所述单自由度电动滑台获取y方向的运动，由所述二自由度激光位移传感器测量x方向和z方向的距离，从而测量不同预紧力下，所述变形表面所有点的位置变化；
(2.2)基于二元线性回归法求解实际装配情况下，所述变形表面的平面旋量参数，并通过零位校正获得由预紧力导致的变形对应的旋量参数，以确定实际装配过程中不同预紧力下壳体的变形情况。
优选地，由
Figure BDA0002223109670000034
确定实际装配情况下，所述变形表面的平面旋量参数，其中，
Figure BDA0002223109670000035
表示不同预紧力下壳体形状的六自由度旋量参数，ui1表示壳体与轴承接触面在x方向的位移，vi1表示壳体与轴承接触面在y方向的位移，wi1表示壳体与轴承接触面在z方向的位移，αi1表示壳体与轴承配合面绕x轴的旋转角度，βi1表示壳体与轴承配合面绕y轴的旋转角度，γi1表示壳体与轴承配合面绕z轴的旋转角度，i＝0，1,2,3,…,n。
优选地，由
Figure BDA0002223109670000041
确定实际装配过程中不同预紧力下壳体的变形情况，其中，Ti表示在不同预紧力作用下壳体变形对应的旋量参数，i＝1,2,3,…,n。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明通过有限元仿真模拟轴系壳体不同预紧力下的变形情况；其次通过设计一套三维变形测量系统检测轴承装配过程中不同预紧力下壳体变形的情况，仿真变形与实际检测变形通过六自由度旋量理论进行匹配；最后获得实际装配下，轴承壳体变形对应的预紧力大小，从而实现轴承装配过程中预紧力的监控。较客观的定量检测出轴承预紧装配过程中不同压缩量下预紧力的大小变化情况，从而提高轴系装配质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种轴承预紧力测量系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种间接式轴承预紧力测量方法的流程示意图；
其中，1-回转轴，2-轴承，3-二自由度激光位移传感器，4-单自由度电动滑台，5-连接板，6-壳体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明涉及一种间接式轴承预紧力的测量方法及相应的检测系统，具体是针对目前轴系产品装调过程中轴承预紧力的测量以及监控。本发明通过设计一种间接式轴承预紧力测量方法，较客观的定量检测出轴承预紧力装配过程中由不同压缩量导致的预紧力大小的变化情况，从而提高轴系装配质量。主要应用在高精度导航产品轴系装调过程中预紧力的检测上。
本发明设计了一种间接式轴承预紧力测量方法以及相应的系统。首先通过有限元仿真模拟轴系壳体不同预紧力下的变形情况；其次通过设计一套三维变形测量系统检测轴承装配过程中不同预紧力下壳体变形的情况，仿真变形与实际检测变形通过六自由度旋量理论进行匹配；最后获得实际装配下，轴承壳体变形对应的预紧力大小，从而实现轴承装配过程中预紧力的监控。
以U型框架类壳体安装过程为实施例对本发明进行详细说明。
U型框架类壳体安装过程中，由于需要给轴系施加轴向预紧力，而U型框架类壳体由于刚性较差，施加轴向预紧力时，会导致壳体变形，从而使轴晃精度下降。
通过静力学分析获得不同轴向力下左右两端壳体孔处的变形情况，然后提取变形表面的节点坐标，通过最小二乘法拟合变形表面的旋量参数，最终获得不同轴向力下壳体的变形情况，同时以旋量参数的形式表现出来。
其中，有限元分析获得变形表面的节点坐标，x、y、z分别为3个方向的坐标值，此时变形表面可以用如下矩阵表示：
Figure BDA0002223109670000061
xi、yi、zi分别表示表面第i个采样点的x、y、z坐标，根据测量的n个点的坐标值以及二元线性回归法求解端面测量点拟合平面的旋量参数，其公式如下：
Figure BDA0002223109670000062
式中，
Figure BDA0002223109670000063
Figure BDA0002223109670000064
上式中，α为旋转轴线与端面法向量绕x轴的夹角，β为旋转轴线与端面法向量绕y轴的夹角，w为壳体变形面沿z方向的位移。通过公式(1)与公式(2)可以获得不同变形情况下表面的六自由度旋量参数，假设此时仿真分析不同预紧力下的旋量参数为：
Figure BDA0002223109670000065
其中，
Figure BDA0002223109670000066
表示预紧力fi下的旋量参数，ui表示壳体与轴承配合面沿x方向的位移，vi表示壳体与轴承配合面沿y方向的位移，wi表示壳体与轴承配合面沿z方向即轴向的位移，αi表示壳体与轴承配合面绕x轴的旋转角度，βi表示壳体与轴承配合面绕y轴的旋转角度，γi表示壳体与轴承配合面绕z轴的旋转角度。i＝1,2,3,…,n。轴向预紧力作用下壳体发生轴向位移及倾覆和扭转，此时，ui、vi、γi为0。
此时，设计如图1所示的轴承预紧力变形测量系统，整个轴系预紧力测试系统包括轴系壳体6、连接板5、单自由度电动滑台4、二自由度激光位移传感器3、轴承2以及回转轴1组成。
其中，各部件的连接关系为：回转轴1通过轴承2安装在轴系壳体6上，在壳体6底部通过连接板5将单自由度电动滑台4与壳体6连接，二自由度激光位移传感器3安装在单自由度电动滑台4上，可随单自由度电动滑台4沿y向移动。
如图1所示，单自由度电动滑台4产生y方向的运动，而二自由度激光位移传感器3可直接测量x，z方向的距离，属于线激光位移传感器。两者配合，从而可以测量局部面积所有点的位置变化。初始情况下，轴承装配完成后，不施加预紧力，此时的壳体6的位置可通过该设备测量出，用如下矩阵表示：
Figure BDA0002223109670000071
其中，x0i，y0i，z0i分别表示电动滑台测得的第i个点三个方向的坐标值。
根据式(2)，上式壳体初始位置矩阵可转化为旋量参数如下所示：
Figure BDA0002223109670000074
然后改变轴承的预紧位移，测量不同预紧位移下壳体局部的变形情况，并通过二元线性回归法获得其旋量参数，如下所示：
Figure BDA0002223109670000072
其中，
Figure BDA0002223109670000073
表示不同预紧力下壳体形状的六自由度旋量参数，ui1表示壳体与轴承接触面在x方向的位移，vi1表示壳体与轴承接触面在y方向的位移，wi1表示壳体与轴承接触面在z方向的位移，αi1表示壳体与轴承配合面绕x轴的旋转角度，βi1表示壳体与轴承配合面绕y轴的旋转角度，γi1表示壳体与轴承配合面绕z轴的旋转角度。轴向预紧力作用下壳体发生轴向位移及倾覆和扭转，此时，ui1、vi1、γi1为0。
获得不同预紧力下壳体变形的旋量参数后，通过零位校正(即相对于初始位置的变化量)，可获得由预紧力导致的变形对应的旋量参数，如下式所示：
Figure BDA0002223109670000081
其中，Ti表示在不同预紧力作用下壳体变形对应的旋量参数。
通过公式(7)与公式(3)进行匹配，从而获得实际装配过程中的轴承预紧力。
如图2所示是本发明实施例提供的一种间接式轴承预紧力测量方法的流程示意图，包括以下步骤：
S1：通过有限元仿真模拟轴系壳体不同预紧力下的变形情况；
S2：由间接式轴承预紧力测量系统检测轴承装配过程中不同预紧力下壳体的变形情况，将由有限元仿真得到的变形情况与检测得到的变形情况进行匹配；
S3：根据匹配结果获得实际装配下，轴承壳体变形对应的预紧力大小，从而实现轴承装配过程中预紧力的监控。
其中，各步骤的具体实施方式可以参考上述实施例的描述，本发明实施例将不再复述。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种间接式轴承预紧力测量方法，应用于间接式轴承预紧力测量系统，其特征在于，所述间接式轴承预紧力测量系统包括：轴系壳体、连接板、单自由度电动滑台、二自由度激光位移传感器、轴承以及回转轴；其中，所述回转轴通过所述轴承安装在所述轴系壳体上，在所述轴系壳体底部通过所述连接板将所述单自由度电动滑台与所述轴系壳体连接，所述二自由度激光位移传感器安装在所述单自由度电动滑台上，能够随所述单自由度电动滑台沿y向移动，所述方法包括：
(1)通过有限元仿真获得变形表面的n个节点坐标，然后基于二元线性回归法求解所述变形表面的拟合平面旋量参数，用所述旋量参数表示不同预紧力下壳体整个端面的变形情况；
(2)由所述单自由度电动滑台获取y方向的运动，由所述二自由度激光位移传感器测量x方向和z方向的距离，从而测量不同预紧力下，所述变形表面所有点的位置变化；
基于二元线性回归法求解实际装配情况下，所述变形表面的平面旋量参数，并通过零位校正获得由预紧力导致的变形对应的旋量参数，以确定实际装配过程中不同预紧力下壳体的变形情况；
(3)将由有限元仿真得到的变形情况与检测得到的变形情况进行匹配，根据匹配结果获得实际装配下，轴承壳体变形对应的预紧力大小，从而实现轴承装配过程中预紧力的监控。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，工作时，所述单自由度电动滑台产生y方向的运动，所述二自由度激光位移传感器能够直接测量x方向和z方向的距离，通过所述单自由度电动滑台及所述二自由度激光位移传感器的配合，从而能够测量局部面积所有采样点的位置变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由
Figure FDA0002882697490000021
确定所述变形表面的拟合平面旋量参数，其中，α为旋转轴线与端面法向量绕x轴的夹角，β为旋转轴线与端面法向量绕y轴的夹角，w为壳体变形面沿z向的位移，
Figure FDA0002882697490000022
Figure FDA0002882697490000023
n表示所述变形表面的采样点数量，xi表示第i个采样点的轴向坐标，yi表示第i个采样点的径向坐标，zi表示第i个采样点的法向坐标，i＝1,…,n。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由
Figure FDA0002882697490000024
确定仿真结果下的不同预紧力下壳体的变形情况，其中，f1～fn表示预紧力，
Figure FDA0002882697490000027
表示预紧力fi下的旋量参数，ui表示壳体与轴承配合面沿x方向的位移，vi表示壳体与轴承配合面沿y方向的位移，wi表示壳体与轴承配合面沿z方向的位移，αi表示壳体与轴承配合面绕x轴的旋转角度，βi表示壳体与轴承配合面绕y轴的旋转角度，γi表示壳体与轴承配合面绕z轴的旋转角度，i＝1,2,3,…,n。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由
Figure FDA0002882697490000025
确定实际装配情况下，所述变形表面的平面旋量参数，其中，
Figure FDA0002882697490000026
表示不同预紧力下壳体形状的六自由度旋量参数，ui1表示壳体与轴承接触面在x方向的位移，vi1表示壳体与轴承接触面在y方向的位移，wi1表示壳体与轴承接触面在z方向的位移，αi1表示壳体与轴承配合面绕x轴的旋转角度，βi1表示壳体与轴承配合面绕y轴的旋转角度，γi1表示壳体与轴承配合面绕z轴的旋转角度，i＝0，1,2,3,…,n。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，由
Figure FDA0002882697490000031
确定实际装配过程中不同预紧力下壳体的变形情况，其中，Ti表示在不同预紧力作用下壳体变形对应的旋量参数，i＝1,2,3,…,n。
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