0403006 边金辉 钢球质量检测仪送料系统的设计

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1、济南大学毕业设计1 前言1.1 选题背景及意义近几年来，随着机械高性能化和高速度化的发展，机械零部件的设计标准要求的更加苛刻。轴承无疑在生产设备中有相当大的作用，其中滚动轴承所占的比例是相当大的。而轴承的寿命、性能及精度很大程度上取决于轴承中钢球的质量，在轴承工业中，应用在高速、高温条件下的钢球，其质量验收必须100%经过表面质量检测和单粒球振动值测量。轴承按形态的不同有点子、群点、划痕、擦伤以及烧伤等五类缺陷。生产中必须对成品钢球进行表面缺陷检测，以提高轴承的质量。我国传统的钢球质量检测方法是靠人工检测的方法实现的，这种检测方法往往会因为人的视觉疲劳、情绪和个人检测标准的不同而造成钢球的检测

2、失误，而且人工成本和管理成本非常高。所以为了正确有效地对钢球表面质量进行分类与检测，迫切需要一种快速的能实现钢球表面质量自动检测的系统。1.2 研究现状在钢球自动检测方面，美国、前苏联、捷克、瑞典、日本等国家都进行过相关检测仪器的研制与开发，其中实际应用效果最好的是捷克SOMET公司的AVIKO系列钢球表面自动检测仪，国内几大轴承厂和钢球厂都引进过这种设备，其次是日本大旺钢球株式会社研制的钢球自动检测仪和上海钢球厂生产的银星牌钢球涡轮探伤自动检测仪等。AVIKO系列钢球表面自动检测仪主要是利用光电、振动以及电涡流传感器进行检测。它采用展开轮把钢球表面完全展开，可以同时对钢球表面质量和内在质量进

3、行立体监测，其结构紧凑，操作方便，检测效率高，但它属于接触式检测，对钢球表面质量有一定的损伤，且价格昂贵，检测成本高，核心技术封锁，不易维护。我国从1958年开始自主研制钢球自动检测设备，首先由重庆大学开始研究，之后洛阳轴承厂、哈尔滨轴承厂、机械部第十设计院、长春光机研究所、上海材料研究所和哈尔滨工业大学等单位也相继进行了相关的研究工作，其中哈尔滨工业大学的潘洪平博士研究了钢球表面缺陷的检测体系评价，在钢球检测的图像理论方面取得了一些进展。山东大学的徐淑琼等人研究了利用超声波检测技术对轴承进行无损检测，这种党法不受钢球材质的影响，而且对钢球表面的粗糙度要求不高，可以实现对部分有缺陷的钢球的自动

4、识别，但该方法只能检测到表面裂纹和麻点，对表面的擦伤和划痕无法进行检测，且结构复杂，检测效率不高。上海材料研究所的李自根等人采用渗透检测技术对陶瓷球的表面缺陷进行检测，并研制了陶瓷球表面渗透检验自动分选系统，虽然该系统也可以用于检测轴承中钢球的表面缺陷，但是由于渗透检测是一种主要用于检测非金属材料及其制件表面开口缺陷的无损检测方法，因而只能检测钢球的部分缺陷，且检测效率不高。1所以，我国的钢球检测技术还处在起步阶段，需要不断地进行探索和改进，打破国外的垄断技术，减低企业生产成本。2 分选系统总体方案设计2.1 总体设计整个分选系统可以分为以下几部分：（1）进料机构进料机构由一个供料箱组成，内有

5、一个搅拌凸轮。（2）初步分选机构初步分选机构由两个辊轮组成，由单相交流同步电机驱动，同时向内测旋转，并且两滚柱间隙由大到小，通过滚柱的滚动及间隙来分选直径不同的钢球，使得直径大小合适的钢球能到达下一个机构。（3）展开机构钢球经过初选后经送球、喂球后到达展开机构。其中送球、喂球动作的完成是由两个电磁铁控制的。展开机构由一个展开轮，子午轮和挡板组成，其中展开轮是主动轮，子午轮是从动轮，钢球在这三者的作用下实现完全展开，从而可被安装在此的摄像机和涡流检测的探头完全检测。（4）检测机构可分为光电检测和涡流检测检测两种方法。检测后的钢球表面的数据通过电平转换芯片实现与工控机的数据通讯。2（5）分球机构分

6、球机构是通过两块电磁铁的摆动来实现钢球的筛选的，检测机构根据检测结果控制来电磁铁的运动，经过分选的钢球可分为三种：无缺陷的、不可修复的缺陷、可修复的缺陷。（6）控制系统控制系统核心是单片机，单片机通过驱动器来控制电机和电磁铁，从而实现整个送料系统运行。2.2 工作原理待检钢球放在进料斗里面，由单相交流同步电机驱动料斗里面的凸轮旋转，方便把钢球送到辊轮上，两个辊轮的间距由大到小，以便于把大小不合格的钢球淘汰掉。接着大小合适的钢球经由送球、喂球机构到达表面展开系统，如果钢球在展开系统堆积过多的话，那么控制送球、喂球机构开关的旋转电磁铁就要做动作组织过多的钢球继续下落。在展开系统中通过展开轮、子午轮

7、、挡板把钢球表面完全展开，然后经过光电检测和涡流检测，对采集到的钢球表面缺陷信息进行相应处理，之后将处理结果传到钢球的分捡机构。分检机构由电磁铁控制把钢球分类存放，实现整个的钢球分选。2.2.1 工作原理框图分选系统的工作原理可由下图示意：进料斗初选系统尺寸合格钢球送球喂球表面展开涡流检测光电检测分球机构处理单元可修复球不可修复球合格品大球小球图2.1 工作原理图2.2.2 工作流程框图送料系统的工作框图如图2.2所示。N进料斗尺寸初选钢球直径= 4mm?开始Y淘汰钢球直径6mm?淘汰NY送球、喂球展开机构检测系统有缺陷？成品箱NY可修复？废品箱BY废品箱A结束N2.2 工作框图2.3 小结整

8、个的设计环节可分为电气部分和机械部分。电气部分以单片机为核心实现对电机、电磁铁等运动部件的控制；机械部分实现钢球从送料到分选完成等一系列的动作。这两部分好比人的大脑和四肢，大脑指挥四肢的运动，而大脑的意识通过四肢来体现。3 电气部分设计3.1 元器件选择3.1.1单片机选择本设计需要多个I/O口，例如电机的控制信号，电磁铁的控制信号，传感器等。因此所选用的单片机要用数量比较多的I/O口，这里我们选用了性价比较高的AT89S51系列单片机。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的

9、Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。AT89S51系列单片机的主要性能特点有：1、4k Bytes Flash片内程序存储器；2、128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）；3.、32个外部双向输入/输出（I/O）口；4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断；5、6个中断源；6、2个16位可编程定时器/计数器；7、2个全双工串行通信口；8、看门狗（WDT）电路；9、片内振荡器和时钟电路；10、与MCS-51兼容；11、全静态工作：0Hz-3

10、3MHz；12、三级程序存储器保密锁定；13、可编程串行通道；14、低功耗的闲置和掉电模式。AT89S51主要由9个部件组成，分别是：1个8位中央处理器；4KB Flash存储器；128B的数据存储器；32条I/O口线（P0、P1、P2、P3）；2个定时/计数器；1个具有6个中断源、4个优先级的中断嵌套结构；用于多级处理通信、I/O扩展或全双工UART（通用异步接收发器）的串行口；特殊功能寄存器（SFR）；1个片内震荡器和时钟电路。3 AT89S51的封装图如图3.1所示。图3.1 AT89S51 封装图3.1.2 电动机选择在本课程的研究中，自动喂料系统的上料机构和过桥机构对电机性能要求有：

11、1） 电机经常启动；2） 电机启、制动反应迅速；3） 电机恒速稳定运行；综合以上几点要求，本设计中选用了24V单相交流同步无刷电机RSM63/8F，它具有性价比高、转速可控、运行稳定等特点。单相交流同步电机RSM63/8F的接线图如图3.2。图3.2 电动机接线图单相交流同步电机RSM63/8F的技术数据：（1） 运行条件：50Hz或60Hz 24V交流供电；（2）转速：300转、分钟（50Hz）或360转、分钟（60Hz）；（3）旋转状态：可逆旋转；（4）输入功率：5.5W；（5）工作位置：任意；3.1.3 电磁铁选择在送球、喂球的通道上以及钢球的分拣机构中我们设计用电磁铁。采用的是南京凯宁

12、自控器件厂生产的XCT340旋转电磁铁如图3.3所示。图3.3 旋转电磁铁工作原理：对旋转电磁铁 (螺线管 / Solenoid) 施加正向电流时，在其左边的上下圆弧处分别形成电磁N极和S极 (图3.1), 此时磁转子 (Rotor) 因其固有磁极相反， 就在磁极排斥作用下带动摆杆 (Swing Rod) 顺时针旋摆到 B 图所示状态， (在额定负载和额定电压条件下，从线圈通电到摆杆从 A 图位置旋摆到 B 图位置的时间叫响应时间)。随后电磁铁 (螺线管/Solenoid) 失去电流和磁性， 磁转子靠固有磁性吸助上下圆弧使摆杆保持。然后再给电磁铁 (螺线管/Solenoid) 反方向脉冲电流，

13、上下圆弧处形成相反的S和N极 (C 图)，此时磁转子 (Rotor) 带动摆杆 (Swing Rod) 逆时针旋转返回到 D 图所示状态，在脉冲电流中断后靠磁转子固有磁性保持。(A-B-C-D 图中摆杆位置转换,保持和复位称为旋摆电磁铁的一个工作周期)3.1.4 驱动芯片选择4本系统中我们采用的电机多为小型电机，因此我们采用美国德州仪器生产的微型电机驱动集成电路芯片L293D，它支持Vcc 4.536V，最大输出电流为1A。多应于小型机器。L293D管脚如图3.4所示。 图3.4 L293D 封装图本设计中所用的单相交流同步电机有两个线圈分别对应电机的启动与正反转，需对L293D进行一些改进，

14、如图3.5所示：图3.5 改进的H桥电路图3-5所改进的H桥电路中，四个开关管与K1、K2两个脉冲信号相接，K1的脉冲信号控制着同一侧的A、B两个开关管的导通与闭合，同样的原理，K2的脉冲信号控制着同侧的C、D两个开关管的导通与闭合。而同侧两个开关管的导通与闭合决定着对应H桥同侧三极管的导通与闭合，这样就可以保证任何时候在H桥同侧的两个三极管都不能同时导通。采用这种方法，电机的运转就只需要四个脉冲信号控制，如表3.1所示。表3.1 电机运转状态控制信号状态电机运转状态电机电流方向K1K2K3K4高电平高电平停转无电流高电平低电平高电平运转a-b高电平低电平低电平停转无电流低电平低电平停转无电流

15、低电平高电平高电平运转b-a低电平高电平低电平停转无电流3.2 电路设计3.2.1 电动机驱动电路设计5电路得名于“H桥式电机驱动电路”是因为它的形状酷似字幕H。4个三极管组成H的4条“垂直腿”，而电机中的绕组就是H中的横杠。实验证明，H桥驱动电路简单、可靠并具有优良的驱动性能。它使加到电机绕组上的电流信号前后较陡，降低了开关损耗，改善了电机的高频特性，同时具有多种保护功能。H桥式电机驱动电路可用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动。本设计采用的单相同步交流电机必须采用双极性电源供电，也就是说绕组有时需要正向电流，有时需要反向电流，来控制电机的正反转，所以本设计采用L293D作为驱动元件。驱

16、动电路图如图3.6所示。图3.6 电机驱动电路图3.2.2 电磁铁驱动电路设计6电路工作原理：当单片机输入低电平时，右边的比较器其正向输入端电压大于反相输入端，比较器输出电压大于4v，可以打开场效应管的门限。IRFU1205的源极通过0.5电阻接地，当通过的电流过大时，左边的比较器其正向输入端电平高于反相输入端，RS触发器的输出端被置位，这将导致右边的比较器其反相输入端电平高于正向输入端，比较器输出低电平，场效应管被截止，从而起到保护作用。保护电路的核心部分为由两个或非门构成的RS触发器。其驱动电路如图3.7所示。图3.7 旋转电磁铁驱动电路3.3 整体电路设计整体的电路图包括驱动电路和单片机

17、的晶振电路、复位电路、电源电路等。如图3.8所示。 图3.8 单片机控制电路3.4 小结电气部分基本结束，每个模块虽然是独立存在的，但相互之间又密不可分，统一由单片机协调，各个部分有上位机统一发出命令，经单片机逐一执行，然后在执行过程中具体问题信号反馈给单片机，再由单片机发出命令，让各部分动作。4 机械结构部分设计4.1传动流程设计4.1.1 供料箱设计待检测的钢球首先被放入到供料箱中，供料箱如图4.1所示，箱中有一个搅拌凸轮，由步迸电机驱动，不断地旋转，从而搅拌箱中的待检测钢球，使得钢球能够很方便地通过料道口进入到初步分选系统。图4.1 供料箱4.1.2 初步分选机构设计初步分选系统它由两个

18、滚轮组成，它的作用是用来初选不同直径大小的钢球，使得合适大小的钢球可以通过两个辊轮进入到检测腔中，当直径大小不满足要求的钢球落在辊轮上时，会沿滚轮滑动，较小的钢球落到后侧，而较大的钢球则落到前侧。可以根据检测腔大小的不同来调节两个滚轮之间的距离，使得能够通过分类旋转器的钢球一定可以进入到检测腔中，这样就使检测系统能够适应不同尺寸大小的钢球，从而很方便地进行钢球表面缺陷的自动检测。74.1.3送球、喂球机构设计初选系统输出钢球的速度比较快，但是在每一次进行钢球的表面展开时，展开系统中检测腔能够容纳的待检测钢球的数目都是有限的，这就需要再送球、喂球的通道上设置一个分离器（旋转电磁铁驱动），当检测腔

19、中的钢球已经满载时，需要使用分离器挡住从初选系统中出来的多余的钢球。待检测钢球分离器如图4.2所示，一旦钢球填满检测腔，供料箱中的搅拌凸轮以及分初选系统都将暂停运动，分离器的扇形断面将把多余的钢球挡住。当检测腔中的钢球都经过检测处理和分选之后，检测腔就会空出来，然后分离器的扇形断面再次打开，待检测的钢球就可以重新进入到空的检测腔中，如此反复。图4.2 送球、喂球机构4.1.4 展开系统设计钢球表面的展开系统由展开轮，子午轮和挡板组成，其中展开轮是主动轮，子午轮是从动轮，钢球在这三者的作用下实现完全展开，从而可被安装在此的摄像机和涡流检测的探头完全检测。4.2分选机构设计待检测的钢球通过表面展开

20、之后，经过涡流检测和光电检测后再经由缺陷识别系统的分析与处理，就可以判断出哪些钢球是带有缺陷的，之后就要进行分选。钢球分选系统如图4.3所示，两个挡板（A、B）由直流电动机控制，如果检测出来的钢球是好球，挡板A右摆，钢球从左边的料道口流出，进入到成品钢球箱中；如果检测的钢球有缺陷，但缺陷属于可以修复的，挡板A左摆，挡板B右摆，可以修复的钢球进从中间的料到口进入到中间箱；如果是不可修复的钢球，挡板B左摆，钢球从右边的料道口进入废品钢球回收箱中，从而实现了钢球的自动检测分检过程。挡板B挡板A图4.3 分选机构4.3 小结钢球质量检测仪送料系统的各机械部分是相互联系的，各部分间必须相互协调才能完成整

21、个的分检过程。5 结 论现在机械的发展趋势是高性能化和高速度化，机械产品对轴承质量的要求也不断地提高，而轴承中钢球的质量严重制约着轴承的精度、运动性能以及使用寿命。本文通过分析国内外钢球检测的研究现状以及工厂现场检测的不足和需要改进之处，进行了相关的研究工作。以单片机AT89S51作为控制核心，开发了钢球自动检测仪送料系统的控制硬件电路；另外还包括设计从上料到分选完成的机械部分。主要包括以下研究内容：（1）设计钢球质量检测仪对钢球进料、尺寸初选、分球、喂球、表面展开、涡流探头运动及钢球分选等动作的工作流程；（2）钢球分选机执行机构如电磁铁、电机等选型；（3）以单片机AT89S51为控制器的控制

22、电路的设计；（4）钢球分选机送料系统的机械结构设计。钢球质量检测仪送料系统功能比较复杂，能实现较多动作。尤其是控制部分的工作量很大，本文虽然在其嵌入式控制方面做了一部分工作，但是由于研究时间有限，仍然存在一些不足之处，还有待于继续深入研究与完善，展望下一步检测样机的开发，可从以下几个方面着手：（1）使用更先进的芯片作为硬件控制核心，如ARM芯片，进一步简化钢球质量检测仪分选系统的设计，提高控制系统的实时性和稳定性；（2）采用更先进的控制算法，以进一步提高控制精度和控制系统的可靠性，并增强其抗干扰能力。参 考 文 献参考文献的书写格式按国家标准文后参考文献著录规则GB/T7714-2005规定，

23、按正文中引用的顺序排列。编排格式取左对齐，宋体（Times New Roman）五号，行距最小值17磅。参考文献数量不少于15篇，其中包含不少于2篇的外文文献。注：M表示参考的是书籍；J表示参考的是学术期刊的论文；如果参考会议论文集中的论文用C。示例如下：1 刘军. 钢球表面缺陷检测仪的嵌入式控制系统J. 哈尔滨理工大学硕士学位论文, 2007（参考书或专著格式为: 著者. 书名M. 版本(第1版不注). 出版地：出版者, 出版时间：引文所在页码）2 金延林, 曹娟, 张雪松. 钢球无损检测方法研究J. 哈尔滨轴承,2008,29(1):75-7634 肖伟, 武强, 闫秀桃, 刘根. L29

24、3D在护士移动机器人主控电路板设计中的应用J. 国外电子元器件, 2007(11):64-66 5 刘笑飞, 王强, 周晶晶. 基于单片机的直流电机PWM调速系统J. 信息科技, 2010.（参考期刊杂志格式为: 作者. 论文题目J. 期刊名, 出版年, 卷号(期号): 页码）6 P. Povala, J. Hribik. Computer Controlled Measurement SystemJ. MEASUREMENT SCIENCE REVIEW,2006,6(1):32-357 杨东林, 于正林. 轴承钢球表面缺陷的快速检测方法J.兵工学报, 2009,30(6):797-8028

25、 江衍煊, 郑振杰, 游德智. 单片机连接ULN2003驱动步进电机的应用J. 机电元件, 2010,30(3):28-319 潘洪平, 董申, 梁迎春, 陈汝欣. 钢球表面质量评价系统J. 轴承, 2000:30-3610 张翠哲, 马天强, 张金光, 张楠. 步进电机在检测系统中的控制与应用J. 测试技术与检测设备, 2010,37(9):38-4611 李杨, 刘润涛, 张佳佳. 钢球表面质量检测系统的数学模型J. 计算机工程与应用, 2009,45(3):178-18612 潘洪平, 谢水生等. 钢球表面质量评价系统用展开轮的理论研究J. 轴承, 2001(12):28-3113 张新荣. 基于单片机的步进电机控制系统设计J. 系统解决方案, 2010(9):6-814 潘洪平, 董申, 梁迎春, 陈汝欣. 图像处理与识别技术再钢球质量检测中的应用J. 应用于交流, 2000(1):30-3115 敖荣庆. 轴承钢球无损检测仪的研制J. 航空精密制造技术, 2005,21(4):52-5416 B. S. Joshi and K. G. Dave. Stepper Motors ControllerM. Deptt. E & C S.S. Engg.College.- 18 -