1、毕 业 设 计题 目 钢球表面质量检测系统设计 济南大学毕业设计- I -摘 要轴承的精确度、运动性能和使用寿命, 在很大的程度上都是取决于其中钢球的质量的, 所以在钢球的生产中对成品钢球的表面缺陷进行检测是十分重要的。目前, 国内各轴承企业以及钢球厂家对于钢球表面质量的检测大多采用传统的人工目视的方法，这种方法容易受到检测工人的技术水平、责任心、劳累程度等不稳定因素的影响, 而且其误检和漏检率高, 同时自动化程度又低。国产钢球的表面质量检测技术与国外同级别的相比存在着较大的差距，造成这种差距的原因之一就是钢球表面质量检测技术的落后。随着轴承行业对钢球表面质量要求的不断提高,开发一种价格适宜，
2、速度及效率高的钢球表面质量自动检测装置就变得非常重要。本文中提出的基于光纤传感技术的钢球表面缺陷检测研究是以钢球表面缺陷为研究对象，研究钢球表面缺陷的自动检测技术，目的就是为了解决我国在钢球表面质量检测方面自动化程度低，效率低的状况，开发出具有自己独立知识产权的钢球外观检测仪。分析钢球检测系统的工作流程，钢球展开机构的实现方法，经纬展开运动轨迹的分析，展开轮的机构及工作原理。基于调制技术和锁相放大技术，分析并设计了钢球表面缺陷信号处理系统，包括激光激励驱动电路、窄带滤波电路、相敏检波电路、移相电路、除法运算电路；采用的是 C8051F020 单片机用来进行信号采集及处理，包括其电源电路、外部晶
3、振电路、复位电路、串口通讯、JTAG 接口电路、键盘及显示。关键词：钢球；表面缺陷；系统设计；展开机构济南大学毕业设计- II -ABSTRACTTo a large extent,the accuracy, sports performance and service life of bearing, which depend on the quality of the ball in bearings. Therefore,detecting the surface defects of the finished ball is really important in the produc
4、tion of steel balls.Currently, for testing the surface quality of the ball,domestic enterprises and ball bearing manufacturers who almost used traditional methods of artificial visual ,in which way is easily affected by the level of detection technology workers, responsibility, fatigue degree of ins
5、tability, and its high rate of false positives and missed, the low degree of automation.Compared the detection technology of surface quality of ball with foreign countries,there is a big gap made in China, causing one of the reasons for this disparity is that the detection technology of surface qual
6、ity of ball behind.With the continuously requirements of improving the surface quality of the ball in bearing industry ,which becomes very important is developing an affordable, high speed and efficiency, automatic detection device of surface quality of the ball. Ball surface defect detection based
7、on optical fiber sensing technology research presented in this paper is based on the ball surface defects as the research object, the ball surface defect automatic detection technology, the purpose is to resolve the degree of automation of the ball surface quality detection low, low efficiency situa
8、tion, developed with its own independent intellectual property rights of the ball appearance detector.Analyzing the workflow of the ball detection system, implementation of the ball deployment mechanism,analyzing the trajectory of expansion depends on latitude and longitude.Analyzed and designed sig
9、nal processing system of ball surface defects based on modulation and lock-in amplification technology ,which included the laser excitation drive circuit, the narrowband filter circuit, the phase-sensitive detection circuit, the phase shifting circuit, the division circuit；C8051F020SCM is used for s
10、ignal acquisition and processing，which included the power supply circuit,an external crystal oscillator circuit, reset circuit, serial communications, JTAG interface circuit, keyboard and display.Key words：Ball;Surface defects;System Design;Expansion mechanism济南大学毕业设计- III -目 录摘要. .IABSTRACT II1 前言.
11、11.1 研究背景及意义. .11.2 国内外钢球表面质量检测装置的研究现状.21.3 设计内容.32 钢球表面展开机构分析及设计.42.1 钢球展开机构的实现方法 42.2 经纬展开运动轨迹分析. .52.3 展开轮结构及工作原理.52.4 展开轮的设计.73 信号处理系统分析及设计.93.1 调制光源激励电路 103.2 光电转换及前置放大电路. .113.3 带通滤波电路.123.4 锁相放大电路.123.4.1 相敏检波电路. .133.4.2 低通滤波电路. .133.4.3 移相电路. .143.5 除法运算电路.143.6 数据的采集与处理.153.6.1 电源电路. .163.
12、6.2 外部晶振电路. .163.6.3 复位电路. .163.6.4 串口通讯. .173.6.5 JTAG 接口电路. .183.6.6 键盘及显示. .184 结论.20参考文献.21致谢.22济南大学毕业设计- 1 -1 前言1.1 研究背景及意义球轴承是一种基本的组成部分，在机械行业中是非常重要的，球的滚动轴承，在其运动精度的质量起着决定性的作用，球轴承的寿命，性能等，表面缺陷对钢球表面质量缺陷的影响是明显的，因为球会引起轴承振动的脉冲式，球轴承的比较中的噪声和振动的旋转时产生的大，轴承转速和振动脉冲周期成反比，球轴承振动的幅度与钢球外貌缺陷的尺寸相关，钢球表面缺陷越大，球轴承的振动
13、幅度就越大。根据统计数据可以知道：在各种各样的球轴承的失效形式中，由于故障所造成的表面缺陷的钢铁高达80%。因此说要想使得球轴承质量提高，减少钢球表面缺陷是非常重要的。跟着钢球行业制造工艺水平的不断提高，在一定程度上，钢球外貌缺陷的数目和品种有了较好的控制，但为了保证钢球表面质量不能全球企业只有提高加工工艺的实现，保证钢球表面质量的最可行的或通过质量测试环节来实现的，因此在钢球行业中，钢球表面质量检测的研究一直是作为一个重要的研究方向。在通过几十年的成长进程以后，我国的钢球制造业，显然成为钢球的制造大国，但还不是钢球的制造强国，与国外同级别的相比国产钢球表面质量仍旧有较大的差异。依据对海内轴承
14、行业进行了不完全的统计以后，了解到由于钢球表面损坏而造成球轴承不能使用的比例高达77，而在国外仅为35，因此国内还需大量进口很多高品质钢球及轴承 。钢球检测技术的落伍是造就这类差距的重要原因之一：在43国外的不少发达国家已经广泛的使用钢球表面质量自动检测仪器，而在国内众多厂家现在对钢球表面缺陷进行检测还只是普遍采用传统的目测法，由于人的眼睛很容易疲劳在日光灯下长时间观察光洁度很高的钢球，不仅误检率及漏检率很高，而且对人眼的健康损伤很大。就现况来看，对球轴承的质量要求也越来越严格，在对可靠性要求高的行业以及重载荷、高速度、危险系数高的场合，球轴承需要达到无缺陷标准的要求，最基本的使用条件就是钢球
15、全面检查，这就使国内钢球产品在国外同类高品质产品显得较弱，也促使这类检测设备必须要被国内钢球生产厂家进口，该设备没有被广泛介绍，因为其价格昂贵，而且维修不便。可以说是制约中国钢滚珠和轴承行业是球质量检测技术落后的发展的重要因素，关键是要发展一种钢球表面质量检测设备，它不仅是一个价格适中，效率高。为了解决我国在钢球表面质量检测方面自动化程度低、效率低的现状，打破国外检测设备的垄断，提高国内钢球的国际市场竞争力，就要开发出一种钢球表面质量检测设备，它是基于光纤传感技术，具有自己独立知识产权的。济南大学毕业设计- 2 -1.2 国内外钢球表面检测装置的研究现状在钢球表面质量检测装置的研究方面，国外起
16、步得较早，目前已经有很多商品化的仪器。但由于这些仪器一般都是较高的价格，所以难以在国内进行推广使用。与国外相比，国内还主要停留在检测钢球的整体原理或展开方法某一方面的探索阶段，目前还没有针对钢球表面缺陷无损自动化检测技术进行真正的系统研究。（1） 国外相关仪器研制在钢球表面质量检测仪器方面，进行过相关仪器设备的开发研究的有前苏联、美国、英国、瑞典、德国、日本、捷克等国家，其中捷克 SOMET 公司生产的 AVIKO 系列 钢球表面自动检测仪的应用效果可以算是最好的，该产品已成为世5界的专利产品，其可对钢球的表面缺陷进行全面检测。该产品结构紧凑、操作方便、检测效率高，同时又可以把各种表面缺陷进行
17、分类统计，形成信息化，因此它也是得到最成功应用的产品。其次是日本大旺钢球株式会社生产的钢球表面质量自动检测仪。AVIKO 系统钢球表面自动检测仪的检测原理为通过光电、振动和涡流传感器联合进行检测，其由四大部分组成：传感器的检测系统、钢球表面展开系统、信号处理和控制系统和自动送料和执行系统。钢球表面展开系统是整个机械系统的核心，它是为了确保钢球的整个表面在受检过程中都能够被检测到而设计的装置。传感器部分的作用是进行钢球表面缺陷的识别，并将识别的结果传送到控制器中，然后进行合格品和不合格品得分类。AVIKO 系列产品由于其价格昂贵，核心技术相对封锁，而且不易维护，检测成本又很高，所以只能用于检测部
18、分要求很高的产品。在这个设备中的展开轮是易损件，每检测1万粒左右的钢球就得更换一次展开轮，但是每个展开轮的价格及其昂贵，并且只能从国外进口引用，检测的成本就显著增加了，因此国内将此类机器多用于检测航天、国防等所需的高精度钢球方面，从而使得大多数时间检测设备都处于闲置状态。日本的大旺钢球表面缺陷自动检测机，它是通过非接触式光学探伤方式来检测钢球表面缺陷及其表面粗糙度的 ，依靠33个传感器对球面进行全面检测，这种方87式不会产生误检，而且产品的质量也很容易保证。机器的检测原理：接受光照射位置相对于工件的旋转变换的传感器，传感器会慢慢改变反射光的捕获，继而通过集成电路来判断钢球质量的优劣，并将钢球进
19、行自动振动使其隔开。该仪器是最大的优势是，它可以测试成品钢的球，因为测试可以在注入条件做了。其缺点是成本过高，而且由于检测方式是点扫描的方式，所以其效率较低。（2）国内研究现状对于钢球检测原理和方法的研究，我国开始于1958年，然后由重庆大学、洛阳轴承研究所、南京光学仪器厂、哈尔滨轴承厂、瓦房店轴承厂等单位进行了更系统的探索和研究。近些年来，国内研制的钢球表面缺陷检测仪器大都是采用了涡流检济南大学毕业设计- 3 -测技术、光电检测与CCD图像处理技术以及光电检测技术等技术。其中涡流检测技术在对钢球裂纹的检测方面灵敏度较高，但对其它缺陷检测方面灵敏度就相对较低；而光电检测与CCD 图像处理对钢球
20、裂纹的检测方面其灵敏度又较低。因此，在钢球市场亟待解决的问题是研究出能够适应钢球多种缺陷的检测，而且灵敏度又相对较高的钢球表面缺陷自动化检测设备。1.3 设计内容光纤传感检测技术是一种新式的传感技术，它是在光导纤维及光纤通信技术的发展基础上而迅速成长起来的，它是以光为载体，光纤为介质，感知和传输外界信号的。与传统检测技术相比，光纤传感检测技术具备灵敏度高、响应速度快、动态局限大、抗电磁干扰等优点。基于当前国内外钢球外貌缺陷检测方式的研究，联系企业生产的现实情况，在此将基于光纤传感检测技术用来检测钢球的表面缺陷，其设计内容包含以下：（1）分析钢球表面检测机械系统的工作流程，钢球展开机构的实现方法
21、，经纬展开运动轨迹的分析，展开轮的结构及工作原理，展开轮的设计。（2）为了削弱钢球外貌缺陷检测体系大概存在的噪声，使用基于调制技术和锁相放大技术，分析并设计钢球表面缺陷信号处理系统，其中包含调制光源激励电路，光电转换及前置放大电路，带通滤波电路，相敏检波及低通滤波电路，移相电路，除法运算电路，信号的采集及处理电路等。济南大学毕业设计- 4 -2 钢球表面展开机构分析及设计钢球外貌检测机械系统大致能够分为进球、展开和分选三个部分的工作流程。钢球表面质量检测机械系统的工作流程如图 2.1 所示，其中最为关键的是钢球表面展开机构部分。图2.1. 钢球表面质量检测机械系统工作流程2.1 钢球展开机构的
22、实现方式对于钢球表面进行展开，这里选用的是单驱动经纬的展开方法，如图 2.2 所示。由于展开轮的作用，在驱动轮带动钢球做定向高速转动的时候，在与转轴垂直的方向钢球会受到拔动，这将会使钢球表面得以展开。那么经过一定的时间间隔，展开机构底部的探测区域使得钢球表面上的每一点都能够被通过，从而钢球就可以得到全面的展开。图 2.2 单驱动经纬展开机构济南大学毕业设计- 5 -2.2 经纬展开运动轨迹分析做个设想，激光扫描经线是由西边往东边铺满整个钢球表面的，激光扫描斑点开始移动于沿着经度为L的经线，从南极点往北极点，穿越北极点后再沿着 L+n经线运动，从而钢球表面的完全展开就能被实现，然而这种方式是步进
23、形式的运动，换句话说，每当激光扫描完一条经线，钢球就要沿着纬线旋转一定角度，这将会造成不连续的进给运动，此方式比较难实现。图2.3 经纬展开轨迹示意图为了保持连续的进给运动，那么进行扫描的时候就不能只完全沿着经线。如图2.3所示：激光扫描斑点开始移动于沿着经度为L的经线，从南极点出发，当经过赤道的时候，扫描斑点已经偏移到经线L和L+n 的中间位置，扫描斑点在到达北极点的时候其运动方向向量正好与L+n 经线相切，穿越到北极点后，其运动方向向量正好与L+n180的经线相切，然后再穿过赤道，沿着 L+2n180经线到达南极点，如此循环，最终将实现钢球表面的完全展开。2.3 展开轮结构及工作原理在展开
24、轮机构中，它的运动件包括展开轮、被测钢球和主动轮。展开轮的结构如图 2.4 所示。济南大学毕业设计- 6 -图 2.4 展开轮结构其中 A、B 分别为钢球与展开轮的接触点，OA、OB 分别为展开轮的瞬时母线，OA 垂直于 OB(即展开轮的两个侧面夹角保持固定的 90 度)，AB 的连线与转动轴的夹角为 a。随着展开轮的绕着转轴的转动，OA、OB 将会产生偏转，即展开轮侧面发生偏转，这会使得两个接触点 AB 的连线与展开轮转动轴之间的夹角 a 发生改变，a 又为时间的正弦函数，它可以表示为：（2-1）wttsin接触点 A 和 B 的瞬时速度分别表示为：（2-2）aRLV45co（2-3）Bsi
25、n相对钢球旋转轴，作为展开轮，它的的角速度分别表示为：（2-4）aaLwA 45cos45co（2-5）RBinsin当t=0 ，则展开轮与钢球的旋转轴二者是平行的，即a 等于0，WA=WB。随着t 的增大，使得a 增大，a 大于 0，WA大于WB，钢球旋转轴将逐渐发生倾斜，最终其到达最大极值的倾斜角度，然后倾斜角a开始减小，直到到达反向的平衡位置，a=0，WA=WB；接着反向倾斜， a小于0，WA 小于WB ，最终其到达最大极值得倾斜角度，继而倾斜角度将会渐渐地减小，最终回到原来的正向初始位置，这样地往复运动。在钢球检测中a转动一周存在 的变化范围，展开轮的两个侧面为非对称2的V型锥面就是由于这种夹角的变化而形成的，展开轮两侧与钢球的接触线分别为余弦和正弦曲线。有了这种特殊的结构，在展开轮的作用下，被检测钢球既做正旋转运动，又做侧旋转运动，从而实现钢球的全面展开。
