课程设计--滚珠直径测试机构.doc

检测理论与应用课程设计（论文） 检测理论与应用课程设计题 目 滚珠直径测试机构 学院(部) 工业制造学院 专 业 测控技术与仪器 学生姓名 肖波 学号 201110114201 年级 11级2班 指导教师 吴斌 职称 副教授 2013 年 12 月 16 日目录一、 设计目的3二、 设计思路4三、 滚珠直径的测量方法4四、 电感传感器.51、 基本结构. 52、 工作原理.6五、 总体设计7六、 机械控制部分设计.91、 动力机构设计.92、 自动测量装置的设计.93、 自动分选装置的设计10六、电气测量部分设计.10七、设计小结.14八、参考文献.15一、 设计目的球轴承是支承轴的标准组件，它具有摩擦阻力小、效率高、结构紧凑、维护简单等优点。轴承的游隙(指在无负荷情况下，轴承内外环间所能移动的最大距离)对轴承的寿命、温升、噪声、额定动负荷都有很大影响。通常在运转温度下球轴承游隙应接近于0；对于大冲击、重负荷环境，应选用游隙较大的轴承；对于运转精度高、音响要求高的，应选用游隙较小的轴承，轴承滚珠直径的大小也与游隙大小直接相关。在安装过程中，其直径尺寸的一致性直接影响轴承的动态特性。因此， 在轴承安装之前必须对滚珠的直径尺寸进行精确测量和分选。轴承滚珠的直径由1.00065.000mm不等，测量范围不大，但尺寸的精度要求却很高，一般要精确到小数点后第3位，如直径为26.988mm，56.240mm的钢球。本设计仅对直径为10.0000.003mm的滚珠进行分选。滚珠分选的传统方法往往使用人工分选。这种分选方法主要弊端是劳动强度大、分选效率低、分选速度慢、分选质量差等等。为了解决这类问题，拟采用电感传感器智能测试系统，实现对滚珠测量和分选工作的自动化。在现在市场上，轴承可分为两种滚珠轴承和无滚珠轴承 我们所说的轴承主要在机械转动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。也可以说，当其它机件在轴上彼此产生相对运动时，用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。也就是说轴承的作用主要是限制旋转轴的径向和轴向窜动，减少旋转阻等。滚珠直径的测量对于机械，航天，电气等方面有很重要的作用。不同行业需要不同规格的滚珠，而滚珠直径测量的精确度关系到各种工具的使用寿命和危险系数等。二、 设计思路本设计利用气压传动装置将滚珠送到相应的测试工作台，选择电感传感器作为信号拾取源，将被测部件几何尺寸的微小变化转换为线圈的电感变化实现测量，具有工作可靠、灵敏度高、寿命长、线性好、分辨率高、精度搞、性能稳定和重复性好等优点。将信号通过设计好的调理电路，使用电磁铁驱动电路，打开合格滚珠收料箱或者次品滚珠收料箱，从而达到分选滚珠的目的。再将误差信号通过A/D转换器输入单片机，利用设计好的单片机程序显示统计滚珠合格和不合格的数量。三、 滚珠直径的测量方法调查资料表明，国内外对轴承滚珠的分选装置的研究经历了很长的一段时间，它作为轴承制造业中重要的专用设备，对提高轴承质量，提高生产效率，减轻工人的劳动强度，具有十分重要的意义。根据测量方式的发展过程将分选装置分为以下几个阶段1：第一阶段：采用千分表对滚珠进行测量，这种方式出现最早，也是应用时间最长的一种测量方式，在我国大多数的轴承生产厂家依然沿用该分选方式，它虽然能够在一定程度上满足生产的需要，但由于采用该方法必须投入大量的人力资源，严重的浪费了劳动力，对于人口密集型的地区来讲尚可以适用，但对于劳动力稀缺的地方就存在着人力资源浪费的现象。第二阶段：采用接触式的测量方式，根据不同的滚珠，设计不同类型的滚珠分选机，设计的目的是为了能够实现自动上料、自动送料、自动测量以及依类别分选等过程。第三阶段：采用非接触式的测量方式，将计算机强大的数据处理能力和庞大的分析能力有机地结合起来，以满足人们对于工业自动化程度不断提高的需要。采用非接触式的测量方式不仅能够解决测量过程中由于磕碰产生的误差，而且测量精度也非常高 。综上所述，滚珠分选机因轴承行业的兴起而发展，随着工业发展的程度的不断递进，研制自动化程度更高的分选设备对我国工业自动化水平的提高有强劲的推进作用四、 电感传感器测量是滚珠分选的第一个环节，也是决定整机测量精度、测量速率的主要环节。测量工具的选择是该部分设计的首要任务之一，下面结合现有的测量仪器进行比较，选择满足测量需求的产品。现阶段用于滚珠直测量准确。多出现在20实际90年代中后期研制的滚珠分选机中，测量效率相对较高，可减少劳动力投入，降低工人的劳动强度。缺点是现有市面上出售的传感器价格居高不下，导致分选机的价格难以被中小生产厂家所接受，不利于自动化设备的大范围推广。非接触式传感器：现阶段出现的非接触式测量分选机中，光电传感器是唯一被应用的传感器。光电传感器结构简单、体积小、测量精度高、测量结果准确可靠、价格较高，但由于其在测量过程中对被测零件没有磨损，且被测零件定位简单，响应时间短、速度快，可以满足现代工业快速滚珠测量的目的。利用光电传感器进行测量是滚珠测量行业的最佳方案之一。本设计采用电感传感器进行测量，电感传感器用于测量系统时，具有不接触、精度高、速度快、灵敏度好及不受电磁干扰等优点，对于生产线或设备维修都具有极大的应径测量的仪器共有两种，分别是接触式传感器、非接触式传感器， 接触式传感器：主要以压电传感器为主，仪器结构简单，价格较高，但测量精度高，用潜力。在测量技术中，电感传感器广泛应用于加速度、位移、振幅、转速、无损探伤等非电量的测量。在其控制系统中，滚珠直径分类选择器是一个微位移检测装置，实现对滚珠尺寸的检测和计数，是电感式传感器的典型应用。本测控系统由传感器试验台、直流稳压电源、传感器、直流电机和信号处理电路模块组成。1、 基本结构电感式传感器的激励元件由线圈和铁氧磁心组成，如图1所示。式（1）为电感式传感器的数字模型。式（1）中L为电感量，N为线圈匝数，为气隙导磁率，S为气隙截面积，为气隙厚度。可知，线圈电感量L气隙厚度成反比，与气隙截面积S成正比。假设起始位置气隙为，对应的初始电感为，且S固定不变，当有细微的时，引起的自感量的变化量dL为（忽略高次项）： 2、 工作原理电感式传感器是建立在电磁场理论基础上，是利用被测量磁路磁阻变化引起传感器线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量变化来实现非电量测量。当交流电流过线圈时，线圈产生交变磁场，该磁场通过铁心并指向铁心一侧，即传感器的激励端。当有金属物体或磁性物体接近传感器激励端时会造成磁场变形。使用计算机模拟可获得磁场状态图，如图2所示。从图2可以看出导电材料（如钢板）接近激励端时的磁场效应，变化的磁场导致传感器线圈的阻抗发生变化。传感器线圈构成变压器初级绕组，金属板构成短路次级绕组，如图3所示。由于电感耦合作用， 在次级回路中产生的感应电流 又反作用于初级回路，从而产生互感系数。最终使得线圈本身的阻抗发生变化。通过与理想变压器回路比较，可得出以下结论： 综上所述，当有导材料接近传感器时，线圈的阻抗Z实值增加，其值等于线圈电阻加上、及产生的阻抗。经验表明，阻抗Z的虚值只表明传感器线圈与金属板之间有很小距时的测量变化。电感式传感器只能利用阻抗Z的实值变化量检测导电材料被测物体。五、 总体设计对滚珠的标称直径进行控制，允许公差范围为3m，在此范围之内为合格产品，应予保留，超出此范围即为次品，应予剔除，并自动统计合格产品与次品数量。将拾取信号（误差信号）与对标准信号对比，如果在3m范围内，则合格产品自动计数（=+1），如果超出这个范围，则次品自动计数（=+1），当合格产品数与次品数只喝等于产品总数时，自动退出检测系统。电路设计流程如图4所示。根据电感传感器的工作原理，配合电气控制电路，设计检测电路。该电路分为机械控制和电气测量两个电路部分。机械控制部分主要完成电感传感器的选择、滚珠的推动与定位、气缸和料箱翻板控制功能；电气测量部分主要完成信号拾取、信号处理和执行显示功能。检测过程中，可以采用数字示波器进行输出信号的动态观察和测量。滚珠的直径分选器测控系统电路原理框图如图5所示。六、 机械控制部分设计1、动力机构设计鉴于设计要求能够连续精密的测量滚珠直径，即要求动力机构能不断给测量机构传动滚珠，这种传动机构有电气传动和气动传动两类。电气传动不太平稳，气动传动中的固定式气缸传动适合精密测量，这里根据传动运动性的要求，我们选用双活塞杆双作用气缸。双杆活塞缸活塞两侧都有活塞杆伸出，根据安装方式不同又分为活塞杆固定式和缸筒固定式两种。由于本次设计的仪器体积较小，我们采用缸筒固定式双活塞杆气压缸。气缸固定在底座上，位置固定。另外小型气缸传动只能承受轴向力。要保证其稳定工作，机构设计时在送料杆的前进方向增加滚针，以及水平方向加挡板限定其水平方向的位移，保证气缸只受轴向力使其行程确定，保证将滚珠送到特定的位置。气缸所带载荷（如工作台）与气缸两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一腔排气），活塞杆带动工作台左右移动，工作台移动范围等于其有效行程S的3倍。当输入压力，流量相同时，其往返运动输出力及速度均相等。本设计选择EMAL系列铝合金迷你缸，此气压缸采用含油轴承，使活塞杆无需加油润滑；汽缸本体、前后盖经过彩色EP涂装氧化处理，具有耐磨性、耐腐蚀性及耐久性等优点。型号命名：EMALCM2050SLB系列代码：双作用型后盖型式空白：摆尾型U：平尾型CM：圆尾型缸径行程感应磁环S：带磁环空白：不带磁环固定形式空白：基本型LB：前后固定式FA：前法兰式SDB：后摆式根据机构的设计，我们所选择的型号为EMALU2050。2、自动测量装置的设计传感器安装：传感器物理尺寸决定，滚珠与其探头属于点面接触。因此，为保证传感器探头与测试台的距离保持恒定不变，且安装完毕之后应用标准滚珠对其进行校零。同时安装时应注意传感器探头位移应控制在其线性行程内。测量台：表面需要精加工，以保证其表面粗糙度达到设计要求。安装时要保证其表面与传感器探头表面平行。软件部分：反复采样，比较，当所得数据在允许的误差范围内时处理并存储，保证其采样数据的准确性。3、自动分选装置的设计主滚道与水平成30，以使滚珠能靠自重顺滚道滚下，开关的长度C大于滚道宽度B，关系约为C = 1.5B。当被测滚珠直径符合要求时，电磁铁驱动电路控制开关1打开(状态如下图双点划线所示)，接着让滚珠沿主滚道滚下，滚珠被开关1挡住，顺势流向分道1，开关1的打开时间由继电器控制。然后开关1复位(主滚道畅通)，开始测量第2个钢球。如果所测滚珠直径超出了允许的误差范围，就沿主滚道滚出，进入次品滚珠收料箱。七、 测量部分设计电气1、 信号拾取模块本设计考虑到1m的检测精度比较高，检测传感器的选择是否得当对最后的结果影响很大，选择合适的传感器可以将干扰减少到最少。所以采用AD698高精度线性差动式传感器（LVDT：Linear Variable Differential Transformer）为信号拾取电路，以磁芯的机械位移为输入，交流电压信号为输出，该电压与磁芯位置成正比。传感器初级线圈由外部参考正弦信号源激励，两个次级线圈反向串联，磁芯的移动可改变初级线圈之间的耦合磁道，从而产生两个幅值不同的交流电压信号，以满足后续电路的信号要求，如图6。2、 信号处理模块由相敏检波电路、标准信号设置电路、电压比较放大电路和电磁驱动电路组成。以相敏检波电路为核心，完成鉴别调制信号相位和选频功能，如图7所示。为了便于分析，由、 3个电阻组成任意标准等级设置成标准信号档，可以通过选择不同的标准档，满足各种标准量与相敏检波信号（误差信号）进行比较。当信号相同（在误差范围内）时，则通过电压放大器，驱动电磁控制器，打开滚珠收料箱，并统计个数，如图9所示。3、 信号执行模块（1）、使用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号,输入单片机,再通过数码管将结果显示出来。集成A/D转换器品种繁多，选用时应综合考虑各种因素选取集成芯片。一般采用逐次比较型A/D转换器用得比较多，所以我采用了ADC0804。它采用CMOS工艺20引脚集成芯片,分辨率为8位,转换时间为100s,输入电压范围为0-5V。芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接连接在数据总线上。单片机采用AT89C52，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。为了直观的显示滚珠分选的结果，我打算使用液晶显示器。液晶显示器的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。各种型号的液晶通常显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名的。比如：1602的意思是每行显示16个字符，一共可以显示两行；类似的命名还有0801、0802、1601等，这类液晶通常都是字符型液晶，即只能显示ASCII码字符，如数字、大小写字母、各种符号等。12232液晶属于图形型液晶，它的意思是液晶有122列、32行组成，即共有12232个点来显示各种图形，我们可以通过程序控制这12232个点中的任一个点显示或不显示。类似的命名还有12864、19264、192128、320240等，根据客户需要，厂家可以设计出任意数组合的点阵液晶。根据本系统的需要，我选择用LCD1602。1602液晶为5V电压驱动，带背光，可显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内置128个字符的ASCII字符集字库，只有并行接口，无串行接口。通过LCD1602，我们可以直观的看到正品数量和次品数量。4、AT89C52简介本次系统设计单片机拟采用AT89C52，AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k 字节的可反复擦写的只读程序存储器和256 字节的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合10。AT89C52主要性能参数如下：l 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容 l 8k字节可重擦写Flash闪速存储器 l 1000次擦写周期 l 全静态操作：0Hz-24MHz l 三级加密程序存储器 l 2568字节内部RAM l 32个可编程I/O口线 l 3个16位定时/计数器 l 8个中断源 l 可编程串行UART通道 l 低功耗空闲和掉电模式 5、 测量误差分析及误差消除方案 该设备属于精密测量仪器，测量的精确性是测量结果的保证。设备结构设计是为了满足用户使用功能要求，而误差分析是对设备结构是否能够达到使用功能，满足使用需求的前提条件。该设备中，电感传感器是测量的工具，其偏移、定位不准确等问题会导致测量结果与真实结果的差异，因此，对其进行误差分析不仅有利于测量设备的安装调试，也能验证设备结构设计的合理性。另外，测量环境对测量结果的影响也需重点考虑，是误差产生的另一个重要原因。本章将对上述可能情况产生的误差进行分析，对每种产生的误差对测量结果的影响进行评价，同时对测量结果产生重大影响的因素提出减小误差产生的方案。6、 误差分析的要素产生误差的原因种类有多方面，分类方式也不同，不同的设备有不同的分析方式14。分类的根据是取决于设备的结构形式以及使用环境，本文将结合具体实际情况将测量过程中产生的误差进行分类，如图5-1所示：图5-1 产生误差的因素分析误差产生的原因有三种类型，分别是随机误差，系统测量误差以及系统误差。 随机误差是指测量结果与同一待测量的大量重复测量的平均结果之差。其特点是：误差具有随机性，符合统计规律，大小和方向都不固定，也无法测量或校正。但测量结果随着测定次数的增加，正负误差可以互相抵偿，误差的平均值将逐渐趋向于零。虽然单侧测量的随机误差没有规律，但多次测量的总体却服从统计规律，通过对测量数据的统计处理能在理论上估计对测量结果的影响。该分析过程中随机误差是由多种原因引起的，包括滚珠热胀冷缩，滚珠表面粗糙度等因素引起的误差。系统测量误差是指在测量过程中由于外来因素引起的难以避免的误差，但该误差可以被量化，可以根据数学推理来判断其对测量结果的影响大小，从而找到减小该误差对测量结果影响的解决方案。本设备中产生系统测量误差的有两种，一种是由于测量过程中杂质产生的影响，另一种是由于电感传感器在定位、安装过程中发生偏斜、移动等产生的测量误差。 被测滚珠尺寸产生的测量误差（1）滚珠测量前是经过多步加工完成的，加工后的滚珠不仅尺寸不相同，而且滚珠的外形的不同，也会对测量结果产生影响。如图5-2所示，如果滚珠圆度不满足加工要求，就会导致测量后的值产生偏差，对测量结果不利。若满足测量要求，则：d1一d 2m；d2一d 2m （6-1）式中，d1、d2分别为圆度不同的滚珠的截面测量尺寸，d为滚珠理想尺寸。 因此，为了避免由于滚珠圆度不同而产生对滚珠分组的影响，应使滚珠的圆度控制在lm之内。针对此类问题，采取的解决方法主要有：一方面，在加工过程中进行控制，保证滚珠加工精度；另一方面，在测量过程时，对滚珠测量过程中进行多次测量，取测量结果平均值，使测量结果接近真实值，避免由于测量方式不合理而对滚珠分选而产生影响。图5-2 圆度产生测量误差示意图被测对象表面的粗糙度对传感器测量结果也有一定影响，被测对象光泽主要由折射率和表面粗糙度决定。当表面过于光滑，粗糙度值过小，一方面，使漫反射成份减少，CCD图像传感器输出减弱；另一方面，当正反射成份的增大，CCD图像传感器可能接收到正反射光，正反射光是一种干扰信号。当表面过于粗糙，粗糙度值过大，容易造成照明光点的局部丢光现象，破坏了原光点的均匀性，从而使输出值不稳定。被测面粗糙度较大时，光泽较暗淡，有利于激光传感器的正常工作。测量时的滚珠是经过精加工后才进行测量，因此滚珠的表面粗糙度值较低，表面较光滑，会对滚子测量结果产生一定的影响，这是工件自身条件决定的，无法改变。但可以通过改变激光器的发射功率，使用偏振片削光来减少光强变化对测量的影响。（2）系统误差是指大小和方向为确定数值或是具有确定性变化规律的误差。其特点是具有重复性、单向性。该误差可以根据实验条件，系统误差的特点，找出产生系统误差的主要原因，采取适当的措施降低它的影响，但不能完全避免其对测量结果的影响。从本章上述对于误差的分析过程中，可发现影响测量精度的因素有多种，分为随机误差、系统测量误差以及系统误差三种。随机误差尽管有多种，但被测滚珠由于热胀冷缩和表面粗糙度而产生的随机误差之和都远小于滚珠的测量精度，将不会对滚珠的测量结果产生影响；然而，滚珠由于自身尺寸问题，如滚珠圆度产生的误差对测量结果的影响较为明显，是产生误差的主要因素。在滚珠加工的过程中，应采取适当的工艺优化以避免圆度不合格的滚珠。同时，通过对误差的分析证明本设计的测量手段对滚珠的测量而言是一种合理、有效、可以信赖的测量方式。八、 设计小结该设计系统选用AD698高精度线性差动式电感传感器，将其所检测的细微位移量经过相敏检波、比较放大等信号处理电路，转换为相应的电压信号，辅以合适的电气动控制电路，最后通过电磁驱动器、单片机完成滚珠直径分选、正次品个数和误差的统计。通过本次设计我复习了CAD和Proteus的使用和单片编程，对自身掌握的知识进行查漏补缺，为接下来的毕业设计和工作打下良好的基础。由于时间比较紧迫和需要准备考试，这次的设计还很不完善，有很多地方还有待改进，对整个系统的可行性也有待考证。在充足的时间下，毕业设计一定要解决这些方面，做一份更加完善的课程设计。本设计在总结现阶段滚珠分选方式的优缺点的基础上，提出了一种利用CCD激光传感器测量滚珠直径的测量方式。在设计思路上采用了模块化的设计思路，便于产品更新换代，使其具备了更强的适应能力。在设计中，采用半导体激光器作为发射光源，CCD-TCD142D图像传感器传感器作为测量元件，通过AT89C52单片机进行数据处理和控制分选，用LCD12864-0402B进行数据显示。最后，为了保证测量能够达到预期目的，对测量过程中可能出现引起误差的原因进行了分析与总结，对可能产生的误差值进行量化，并对会影响到测量结果的误差提出控制手段和解决方案。本设计主要得出如下研究结果：(1) 采用CCD激光传感器，探究滚珠测量新方法，有别于传统接触式测量的方法，保证了测量的精度要求，为以后分选机的研制提出了新的方法和思路。(2) 通过对测量过程中可能出现的误差进行分析，计算表明主要误差是由滚珠圆度不理想引起的。本设计在滚珠测量精度及分选效率提高中具有较大的实用价值，还可以在以下几方面进行提高:该设计目前只适用于滚珠的分选,对于其它类型的滚子（如：圆锥滚子）测量不具有通用性，因此可以在送料装置部分进行改进以提高其适用性。九、 参考文献1 王江山、高玉清等.圆锥、圆柱滚子工艺现状及其分析J.现代零部件.2008(8)2 马金宁、孙秀文等.模块化设计带来的新理念J.航