钢球表面质量检测系统设计毕业设计说明书.docx

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钢球表面质量检测系统设计毕业设计说明书

毕业设计

题目钢球表面质量检测系统设计

摘要

轴承的精准度、运动性能和利用寿命,在专门大的程度上都是取决于其中钢球的质量的,因此在钢球的生产中对成品钢球的表面缺点进行检测是十分重要的。

目前,国内各轴承企业和钢球厂家关于钢球表面质量的检测大多采纳传统的人工目视的方式，这种方式容易受到检测工人的技术水平、责任心、劳累程度等不稳固因素的阻碍,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较存在着较大的差距，造成这种差距的缘故之一确实是钢球表面质量检测技术的掉队。

随着轴承行业对钢球表面质量要求的不断提高,开发一种价钱适宜，速度及效率高的钢球表面质量自动检测装置就变得超级重要。

本文中提出的基于光纤传感技术的钢球表面缺点检测研究是以钢球表面缺点为研究对象，研究钢球表面缺点的自动检测技术，目的确实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式，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点信号处置系统，包括激光鼓励驱动电路、窄带滤波电路、相敏检波电路、移相电路、除法运算电路；采纳的是C8051F020单片机用来进行信号搜集及处置，包括其电源电路、外部晶振电路、复位电路、串口通信、JTAG接口电路、键盘及显示。

关键词：

钢球；表面缺点；系统设计；展开机构

ABSTRACT

Toalargeextent,theaccuracy,sportsperformanceandservicelifeofbearing,whichdependonthequalityoftheballinbearings.Therefore,detectingthesurfacedefectsofthefinishedballisreallyimportantintheproductionofsteel,fortestingthesurfacequalityoftheball,domesticenterprisesandballbearingmanufacturerswhoalmostusedtraditionalmethodsofartificialvisual,inwhichwayiseasilyaffectedbythelevelofdetectiontechnologyworkers,responsibility,fatiguedegreeofinstability,anditshighrateoffalsepositivesandmissed,thelowdegreeofthedetectiontechnologyofsurfacequalityofballwithforeigncountries,thereisabiggapmadeinChina,causingoneofthereasonsforthisdisparityisthatthedetectiontechnologyofsurfacequalityofballthecontinuouslyrequirementsofimprovingthesurfacequalityoftheballinbearingindustry,whichbecomesveryimportantisdevelopinganaffordable,highspeedandefficiency,automaticdetectiondeviceofsurfacequalityoftheball.

Ballsurfacedefectdetectionbasedonopticalfibersensingtechnologyresearchpresentedinthispaperisbasedontheballsurfacedefectsastheresearchobject,theballsurfacedefectautomaticdetectiontechnology,thepurposeistoresolvethedegreeofautomationoftheballsurfacequalitydetectionlow,lowefficiencysituation,developedwithitsownindependentintellectualpropertyrightsoftheballappearancedetector.

Analyzingtheworkflowoftheballdetectionsystem,implementationoftheballdeploymentmechanism,analyzingthetrajectoryofexpansiondependsonlatitudeandlongitude.

Analyzedanddesignedsignalprocessingsystemofballsurfacedefectsbasedonmodulationandlock-inamplificationtechnology,whichincludedthelaserexcitationdrivecircuit,thenarrowbandfiltercircuit,thephase-sensitivedetectioncircuit,thephaseshiftingcircuit,thedivisioncircuit；C8051F020SCMisusedforsignalacquisitionandprocessing，whichincludedthepowersupplycircuit,anexternalcrystaloscillatorcircuit,resetcircuit,serialcommunications,JTAGinterfacecircuit,keyboardanddisplay.

Keywords：

Ball;Surfacedefects;SystemDesign;Expansionmechanism

摘要………………………………………………..…….….……………...

ABSTRACT…………………………………………………………………

1前言……….……………………………………………….….………………………….1

研究背景及意义..........................………….………….………..1

国内外钢球表面质量检测装置的研究现状...........................……….......……2

设计内容......................…………………………….…....……..………3

2钢球表面展开机构分析及设计.....................……..….………………………….…..…4

钢球展开机构的实现方式………………………………………………………4

经纬展开运动轨迹分析…………………………….………………...………5

展开轮结构及工作原理……………………………………………………...…5

展开轮的设计……………………………………………………...7

3信号处置系统分析及设计......................……..….………………………….…..….…9

调制光源鼓励电路………………………………………………………………10

光电转换及前置放大电路…………………………….………………...………11

带通滤波电路……………………………………………………...……………12

锁相放大电路……………………………………………………...……………12

3.4.1相敏检波电路…………………………….…………………………...13

3.4.2低通滤波电路…………………………….…………………………...13

3.4.3移相电路…………………………….…………………………..14

除法运算电路……………………………………………………...………14

数据的搜集与处置…………………………………………………...………15

3.6.1电源电路…………………………….…………………………...16

3.6.2外部晶振电路…………………………….…………………………...16

3.6.3复位电路…………………………….…………………………...16

3.6.4串口通信…………………………….…………………………...17

3.6.5JTAG接口电路…………………………….…………………………..18

3.6.6键盘及显示…………………………….…………………………..18

4结论......................……….………….……………………..….……...…..….………...20

参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….21

致谢......................………………….……………………..…….…………...…………….22

1前言

研究背景及意义

球轴承是一种大体的组成部份，在机械行业中是超级重要的，球的转动轴承，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，表面缺点对钢球表面质量缺点的阻碍是明显的，因为球会引发轴承振动的脉冲式，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点的尺寸相关，钢球表面缺点越大，球轴承的振动幅度就越大。

依照统计数据能够明白：

在各类各样的球轴承的失效形式中，由于故障所造成的表面缺点的钢铁高达80%。

因此说要想使得球轴承质量提高，减少钢球表面缺点是超级重要的。

随着钢球行业制造工艺水平的不断提高，在必然程度上，钢球外貌缺点的数量和品种有了较好的操纵，但为了保证钢球表面质量不能全世界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，与国外同级别的相较国产钢球表面质量仍旧有较大的不同。

依据对海内轴承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利用的比例高达77％，而在国外仅为35％，因此国内还需大量入口很多高品质钢球及轴承

。

钢球检测技术的落伍是造就这种差距的重要缘故之一：

在国外的很多发达国家已经普遍的利用钢球表面质量自动检测仪器，而在国内众多厂家此刻对钢球表面缺点进行检测还只是普遍采纳传统的目测法，由于人的眼睛很容易疲劳在日光灯下长时刻观看光洁度很高的钢球，不仅误检率及漏检率很高，而且对人眼的健康损伤专门大。

就现况来看，对球轴承的质量要求也愈来愈严格，在对靠得住性要求高的行业和重载荷、高速度、危险系数高的场合，球轴承需要达到无缺点标准的要求，最大体的利用条件确实是钢球全面检查，这就使国内钢球产品在国外同类高品质产品显得较弱，也促使这种检测设备必需要被国内钢球生产厂家入口，该设备没有被普遍介绍，因为其价钱昂贵，而且维修不便。

能够说是制约中国钢滚珠和轴承行业是球质量检测技术掉队的进展的重要因素，关键是要进展一种钢球表面质量检测设备，它不仅是一个价钱适中，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。

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。

但由于这些仪器一样都是较高的价钱，因此难以在国内进行推行利用。

与国外相较，国内还要紧停留在检测钢球的整体原理或展开方式某一方面的探讨时期，目前尚未针对钢球表面缺点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成效能够算是最好的，该产品已成为世界的专利产品，其可对钢球的表面缺点进行全面检测。

该产品结构紧凑、操作方便、检测效率高，同时又能够把各类表面缺点进行分类统计，形成信息化，因此它也是取得最成功应用的产品。

第二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，其由四大部份组成：

传感器的检测系统、钢球表面展开系统、信号处置和操纵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进程中都能够被检测到而设计的装置。

传感器部份的作用是进行钢球表面缺点的识别，并将识别的结果传送到操纵器中，然后进行合格品和不合格品得分类。

AVIKO系列产品由于其价钱昂贵，核心技术相对封锁，而且不易保护，检测本钱又很高，因此只能用于检测部份要求很高的产品。

在那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改换一次展开轮，可是每一个展开轮的价钱及其昂贵，而且只能从国外入口引用，检测的本钱就显著增加了，因此国内将此类机械多用于检测航天、国防等所需的高精度钢球方面，从而使得大多数时刻检测设备都处于闲置状态。

日本的大旺钢球表面缺点自动检测机，它是通过非接触式光学探伤方式来检测钢球表面缺点及其表面粗糙度的

，依托33个传感器对球面进行全面检测，这种方式可不能产生误检，而且产品的质量也很容易保证。

机械的检测原理：

同意光照射位置相关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捉，继而通过集成电路来判定钢球质量的好坏，并将钢球进行自动振动使其隔开。

该仪器是最大的优势是，它能够测试成品钢的球，因为测试能够在注入条件做了。

其缺点是本钱太高，而且由于检测方式是点扫描的方式，因此其效率较低。

（2）国内研究现状

关于钢球检测原理和方式的研究，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讨和研究。

近些年来，国内研制的钢球表面缺点检测仪器多数是采纳了涡流检测技术、光电检测与CCD图像处置技术和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，但对其它缺点检测方面灵敏度就相对较低；而光电检测与CCD图像处置对钢球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点的检测，而且灵敏度又相对较高的钢球表面缺点自动化检测设备。

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进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。

与传统检测技术相较，光纤传感检测技术具有灵敏度高、响应速度快、动态局限大、抗电磁干扰等优势。

基于当前国内外钢球外貌缺点检测方式的研究，联系企业生产的现实情形，在此将基于光纤传感检测技术用来检测钢球的表面缺点，其设计内容包括以下：

（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式，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）为了减弱钢球外貌缺点检测体系可能存在的噪声，利用基于调制技术和锁相放大技术，分析并设计钢球表面缺点信号处置系统，其中包括调制光源鼓励电路，光电转换及前置放大电路，带通滤波电路，相敏检涉及低通滤波电路，移相电路，除法运算电路，信号的搜集及处置电路等。

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、展开和分选三个部份的工作流程。

钢球表面质量检测机械系统的工作流程如下图，其中最为关键的是钢球表面展开机构部份。

图.钢球表面质量检测机械系统工作流程

钢球展开机构的实现方式

关于钢球表面进行展开，那个地址选用的是单驱动经纬的展开方式，如下图。

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。

那么通过必然的时刻距离，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，从而钢球就能够够取得全面的展开。

图单驱动经纬展开机构

经纬展开运动轨迹分析

做个假想，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够被实现，但是这种方式是步进形式的运动，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必然角度，这将会造成不持续的进给运动，此方式比较难实现。

图经纬展开轨迹示用意

为了维持持续的进给运动，那么进行扫描的时候就不能只完全沿着经线。

如下图：

激光扫描斑点开始移动于沿着经度为L的经线，从南极点动身，当通过赤道的时候，扫描斑点已经偏移到经线L和L+n的中间位置，扫描斑点在抵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+n±180的经线相切，然后再穿过赤道，沿着L+2n±180经线抵达南极点，如此循环，最终将实现钢球表面的完全展开。

展开轮结构及工作原理

在展开轮机构中，它的运动件包括展开轮、被测钢球和主动轮。

展开轮的结构如下图。

图展开轮结构

其中A、B别离为钢球与展开轮的接触点，OA、OB别离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维持固定的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又为时刻的正弦函数，它能够表示为：

（2-1）

接触点A和B的瞬时速度别离表示为：

（2-2）

（2-3）

相对钢球旋转轴，作为展开轮，它的的角速度别离表示为：

（2-4）

（2-5）

当t=0，那么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，钢球旋转轴将慢慢发生倾斜，最终其抵达最大极值的倾斜角度，然后倾斜角a开始减小，直到抵达反向的平稳位置，a=0，WA=WB；接着反向倾斜，a小于0，WA小于WB，最终其抵达最大极值得倾斜角度，继而倾斜角度将会渐渐地减小，最终回到原先的正向初始位置，如此地往复运动。

在钢球检测中a转动一周存在

的转变范围，展开轮的两个侧面为非对称的V型锥面确实是由于这种夹角的转变而形成的，展开轮双侧与钢球的接触线别离为余弦和正弦曲线。

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。

展开轮的设计

如下图，为钢球表面展开机构的机械图。

图钢球表面展开机构

从图中能够看出，钢球表面展开机构中有驱动轮、展开轮、压紧轮、激光器、振动传感器，压紧轮支架，激光器支架及底座，展开轮支架，机械支架，还有很多的螺钉、螺栓和螺母。

图为展开轮的结构。

图展开轮

图为激光器的支架及底座。

图（a）激光器侧向支架

图（b）激光器底座

3信号处置系统分析及设计

在钢球检测系统中，钢球支撑件和传感器周期性微弱振动对信号的阻碍超级大，这会使信号很容易被这种环境噪声所淹没，致使光电转换后的测量信号信噪比超级小，因此说仅仅对信号进行前置放大是远远不够的，必需采取微弱光电信号处置方式来增强信号，减弱噪声，改善信噪比。

经常使用的改善信噪例如式有：

取样积分技术、光子计数技术、锁相放大技术

。

其中锁相放大技术，处置电路比较简单，它只对被测信号与参考信号相同频率相同相位的信号分量有响应，能够专门大程度上抑制无用的噪声，提高信噪比。

本节将利用锁相放大技术设计来钢球表面缺点信号处置系统。

为了实现锁相放大，必需对光源发出的光进行斩光或调制

，因此与静态实验中利用的恒功率驱动不同，本论文设计的光源发出的是脉冲光，通过发射光纤照射到被测钢球表面（调制区），反射后，表面形貌（纹理粗糙程度等因素）引发光的强度幅值发生转变，从而将此脉冲光变成了被调制的信号光并被探测器接收，接下来只要对此信号进行解调就能够够取得与表面形貌相对应的信号。

如此就将信号由低频范围迁移到设定的高频范围，从而躲开低频噪声的不利阻碍，检测系统也就变成交流系统，接下来就能够够利用锁相放大技术对其进行检测。

信号处置系统整体方案如下图，鼓励光源调制电路能够产生固定频率的方波，将此方波作为系统的载波信号，通过驱动电路提供足够大的电流，驱动光源发出稳固的脉冲光进入发射光纤。

三个相同的PIN光电探测器别离接收三路光信号由接收光纤束发出出的，转换为微弱电压信号再通过前置放大后。

在各自的锁相放大器中，三路信号别离通过滤交流放大、带通滤波、相敏检波、低通滤波后，再通过一个除法器将其中的两路信号取得两路信号的比值，然后和第三路信号一起送到CPU中进行搜集及处置。

图钢球表面质量检测信号处置系统总框图

调制光源鼓励电路

调制光源鼓励电路是用来为光电管提供一个100KHZ的矩形方波信号的，此信号一方面能够作为光源的鼓励信号，最终被转换为脉冲信号从而作为载波信号；另一方面是作为后面相敏检波的参考信号。

在此选用NE555时基集成芯片，用它组成的脉冲振荡电路，占空比是可调的。

如下图，NE555芯片3脚为输出端，输出电流大约20mA左右，此电流不能直接驱动发光二极管，因此必需要加入驱动级或功放级。

在那个地址选用的是门驱动电路75451来实现的，通过驱动级后，能够取得的输出电流可能为100mA，而后再接入发光部件，经由改变电位器R100，进而就能够够改变发光的强弱。

此处所用的发光部件是采纳惠普公司的HFBR-15X7发光模块，其内部含有一个波长650nmLED。

图调制光源鼓励电路

光电转换及前置放大电路

相对与发光模块，选用的是惠普公司的HFBR-25X6接收模块作为光电转换器件，在内部，有跨阻前置放大电路和一个PIN光电二极管。

能够将接收到的光信号通过HFBR-25X6接收模块改变成模拟电压信号，继而此模拟电压信号再通过选用T型反馈网络的反相较例放大电路。

选用T型反馈网络，是为了代替反向比例放大电路的

，幸免大阻值电阻稳固性差带来放大比例不稳。

其等效阻值为：

（3-1）

放大比例为：

（3-2）

电路图如下图。

图光电转换及前