摆针法测微型轴承摩擦力矩

　　0　引言

　　摩擦力矩是滚动轴承的一项重要的性能指标,直接影响到能量的损耗,还关系着精密仪表动作和信息传达的准确性。因此,精确测量微型轴承摩擦力矩非常重要。按基本测试原理,测量轴承摩擦力矩的方法可分为直接测量法、平衡力矩测量方法和间接摩擦力矩测量方法。测量原理虽然简单,但要精确可靠地测量出微型轴承的摩擦力矩是相当困难的。

　　由于微型轴承轴径尺寸小,测量精度要求高(μN·m级),给摩擦力矩的测试带来很大的难度。本文研究的摆针测量法,通过测试安装在轴承外圈的摆针的偏转角度来间接测量轴承的摩擦力矩,利用数字图像处理,对微型轴承的摩擦力矩进行动态测试。

　　1　工作原理及分析

　　微型轴承摩擦力矩测量方法通过测试加在轴承外圈的摆针的偏转角来间接测试轴承的摩擦力矩。由于该微型轴承的摩擦力矩很小,不能用扭矩传感器直接测量,所以通过间接测量轴承摩擦力矩克服重力力矩而产生的偏角来求得其摩擦力矩值。被测的轴承套入平衡盘中,安装在水平的旋转轴上,铝质平衡盘外圈固定摆针和配重,如图1所示。

　　被测的轴承安装在水平的转轴上,轴承外圈固定摆针。当轴承的内圈随着转轴匀速转动时,摩擦转动力矩就会带动外圈和摆针转到一定角度,形成动态平衡。此时摆针产生的重力矩就会和摩擦力矩相抵消,测摩擦力矩就转换成了测重力矩。其测量原理图如图2所示。

　　设摆针质量为M1,其质心与轴承轴心的力臂长为L1;配重质量为M2,其质心与轴承轴心的力臂长为L2;轴承稳定旋转时,摆针与垂直方向的夹角为θ。我们对其动态平衡时进行力矩分析。

　　摆针重力的切向分量:

　　配重的切向分量:

　　故切向分量合力矩:

　　摩擦力矩和摆针的偏转角度的关系如下:

　　测量摩擦力矩转换成为测量摆针动态平衡时的摆角θ。

　　2　系统结构及构成

　　整个测试系统由工业控制机、机械部分、伺服电机及其驱动器以及工业数字摄像机等部分组成,如图3所示。

　　被测的轴承套入铝质平衡盘中,安装在水平的伺服电机旋转轴上。工控机、伺服电机以及光电编码器形成闭环控制系统,确保轴承稳定地匀速旋转,从而提高测试精度。工业数字摄像机采集图像,获得的图像数据通过USB接口送入工控机。经由软件进行数字图像处理,依次经过灰度化处理、二值化处理、轮廓提取,求出偏角值θ。然后通过公式M摩=(M1L1-M2L2)gsinθ,求出摩擦力矩值。