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哈尔滨理工人学工学硕l ：学位论文 钢球缺陷检测系统结构设计及关键技术研究 摘要 在现代化工业生产中，随着对高精度、高速度、高质量要求的不断攀 升，轴承的作用愈发突出，各类机电设备对其的依赖性日趋加剧，而钢球作 为轴承的主要零件，其质量的好坏对轴承的精度、运转性能、使用寿命等都 有至关重要的影响。由哈轴集团的实验统计表明：在轴承的失效形式中，由 于钢球表面的缺陷而引起的裂纹、裂缝造成的轴承失效达6 5 。因此，在生 产中必须对钢球表面质量、尤其是对裂纹、裂缝进行严格检测。 目前，国内钢球生产厂家主要是采用人工目视的检查方法，这不仅占用 了大量人力，由于人的视力有限，往往会因为漏检而无法确保钢球质量。随 着轴承行业对钢球质量要求的不断提高，迫切需要一种自动检测装置，来正 确有效地检查钢球表面缺陷。 本文的主要任务对钢球表面缺陷图像检测仪进行结构设计，以保证钢球 在自动检测过程中的进料、传送、展开和分选。设计中首先构建了检测仪机 械结构整体框架，提出了总体设计方案、设计的基本要求以及基于u g 结构 设计的技术路线；然后对检测仪结构设计中的关键技术：钢球表面展开理论 进行研究，综合考虑各种实际因素，得出了不同条件下钢球空间图像采集模 型；设计出了钢球缺陷检测仪的初步结构，给出了整体装配图，并以子午线 展开轮实验台的设计为例，说明设计中所采用的基于装配特征的建模方法和 部件间的尺寸链接技术；最后利用参数化设计方法对零部件进行设计，提出 了一种规律曲线结合自由曲面特征相的混合建模方法，生成子午线展开轮实 体模型，同时采用零件族方法建立了检测仪三维标准零件库。 本文将参数化设计方法、虚拟装配技术应用到钢球缺陷检测仪结构的设 计中，不仅完成了检测样机各零部件的设计，而且缩短了设计时间，提高设 计精度，为钢球检测仪的整机试制提供技术保证。 关键词u g ；钢球表面缺陷；子午线展开轮；参数化设计 哈尔滨理丁大学t 学硕卜学位论文 m e c h a n i s m d e s i g na n dk e yt e c h n i q u e r e s e a r c h a b o u ts t e e lb a l ld e f e c tc h e c k i n gs y s t e m a b s t r a c t i nm o d e mi n d u s t r ym a n u f a c t u r i n g ，w i t ht h er e q u i r e m e n to fh i g ha c c u r a c y ， h i g hs p e e da n dh i g hq u a l i t yg e t t i n gi n c r e a s i n g l y ，b e a r i n g i s p l a y i n gam o r e i m p o r t a n tr o l et h a ne v e r , a l m o s ta l lk i n do fe q u i p m e n t sa r er e l yo ni t h o ww e l l t h eq u a l i t yo fs t e e lb a l la sm a i np a r to fb e a r i n gi sw i l lg r e a t l ya f f e c tb e a r i n g s t r a i t ss u c ha sb e a r i n g sp r e c i s i o n ，m o b i l ec h a r a c t e ra n dw o r k i n gl i f e s p a ne t c 。 s t a t i s t i cd a t af r o mh a r b i nb e a r i n gg r o u ps h o w s6 5 o fa l lb e a r i n gi n v a l i d a t i o n f o r m sa x er e s u l tf r o mc r a c ka n ds l i t a sar e s u l t ，w em u s ts t r i c t l yc h e c kt h e d e f e c t so fs t e e lb a l ls u r f a c e 。e s p e c i a l l yt oc r a c ka n ds l i t n o w a d a y s ，d o m e s t i c s t e e lb a l lp r o d u c ef a c t o r i e sc h e c kt h es u r f a c eq u a l i t yo f s t e e lb a l lm o s t l yd e p e n do ne y e s ，f o rm a n sl i m i t e de y e s i g h t ，i tn o to n l yt a k e su p h e a v yw o r k l o a d ，b u tc a n n o te n s u r et h eq u a l i t yo fs t e e lb a l lb e c a u s eo fm a n u a l o m i t t i n g t h er e q u i r e m e n to fs t e e lb a l ls u r f a c eq u a l i t yi sh e i g h t e n i n gi nb e a r i n g i n d u s t r ya n di tn e e d sa k i n do fs t e e lb a l la u t o m a t i cc h e c k i n gd e v i c eu r g e n t l yt o a c c u r a t e l yc h e c ks t e e lb a l ls u r f a c ed e f e c t s t h em a i na i mi nt h i st h e s i si st om a k em a c h i n e r yd e s i g nt os t e e lb a l ls u r f a c e d e f e c t sc h e c k i n gd e v i c ew h i c hb a s e do ni m a g et e c h n o l o g y , s ot h a tt h ed e v i c ec a n e n s u r et h ea u t o m a t i cp r o c e s so fs t e e lb a l l sf e e d i n g ，t r a n s m i s s i o n ，u n f o l d i n ga n d s e p a r a t i o n f i r s t l y ，s y s t e mm e c h a n i s mf r a m ew a ss e tu p w h o l ed e s i g ns c h e m e ， b a s i cd e s i g nd e m a n d i n ga n dd e s i g nt e c h n i q u er o u t eo fu gw e r es u g g e s t e d t h e n w er e s e a r c h e dt h ew o r k i n gt h e o r yo fm e r i d i a nu n f o l d i n gt h a tw a st h ek e y t e c h n o l o g yi n t h i st h e s i s ，f i n i s h e dp r e l i m i n a r ym e c h a n i s md e s i g na n dc a 盯i e do n t h ew h o l e a s s e m b l y t a k e n m e r i d i a nu n f o l d i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o r e x a m p l e ，w ea d o p t e dm e t h o do fa s s e m b l yc h a r a c t e rm o d e l i n ga n dd i m e n s i o n l i n k e dt e c h n i q u ef r o mi n t e r p a r t f i n a l l y , p a r a m e t r i cd e s i g nw a sa p p l i e di np a r t s b u i l d i n g c o m b i n i n gl a w c u r v ew i t hf r e ef o r mm o d e l i n g ，w ep u tf o r w a r dam i x e d m o d e l i n gm e t h o df o rt h eb u i l d i n go fm e r i d i a nu n f o l d i n gw h e e l m o r e o v e r , t h e s t a n d a r dp a r t sl i b r a r yw a ss e tu p b yu s eo fp a r tf a m i l i e s 哈尔滨理t 大学工学硕i j 学位论文 a san e ww a y s ，p a r a m e t r i cd e s i g na n dv i r t u a la s s e m b l yw e r ei m p l e m e n t e d i n t ot h es t e e lb a l ld e f e c t sc h e c k i n gd e v i c ed e s i g n ，t h e s ec o u l dr e s u l ti nn o to n l y c o m p l e t i n gt h ew h o l ed e s i g no fd e v i c e sp a r t sb u ta l s or e d u c i n gt h ed e s i g np e r i o d ， i m p r o v i n gt h ed e s i g np r e c i s i o n ，a n dm a k i n gt h ep r e p a r ef o rt h ew h o l ec h e c k i n g d e v i c e st e n t a t i v em a n u f a c t u r e k e y w o r d su g ；s t e e lb a l ls u r f a c ed e f e c t i o n ；m e r i d i a nu n f o l d i n gw h e e l ； p a r a m e t r i cd e s i g n 1 h 哈尔滨理下大学t 学硕一f ：学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，随着我国工业自动化水平的不断提高，对机械零部件的质量标准 要求也变得日趋严格。滚动轴承作为支承各种机械旋转部件的关键元件，目前 已广泛的应用在国民经济各行业当中，轴承在所规定的负荷和角速度下，应能 长时间地保持旋转精度。钢球作为滚动轴承中重要的旋转体零件，其质量的高 低将直接影响轴承精度和寿命。评价钢球质量的指标，除了几何精度、尺寸精 度、材料及热处理外，另外一个重要指标就是外观质量。钢球表面存在的微细 裂纹，在轴承工作于高温、高压、高速、重负荷条件下，极易生长、扩延，最 后损坏整个轴承，酿成重大事故，因此钢球的表面质量直接关系到轴承产品的 好坏。据轴承网统计：钢球占影响轴承全部因素的8 5 。在国内，轴承失效因 钢球破坏的比例达7 8 ，而国外此项数据仅为3 0 。这说明钢球在轴承质量中 的地位和重要性。由哈轴集团的实验统计表明：在轴承的失效形式中，由于钢 球表面的缺陷而引起的裂纹、裂缝造成的轴承失效达6 5 。因此，钢球质量是 衡量轴承质量的一项重要指标，必须对其进行严格检i 贝4 【1 1 。 在轴承工业中，应用在高速、高温条件下的钢球，质量验收必须1 0 0 经 过表面质量观测和单粒球振动值测试。经质量分类后安装的轴承，其振动性能 及使用寿命大大提高。但对每一粒球进行表面观测与振动测试，无疑需要大量 人力，生产效率亦难以提高，检验人员长时间地观测，也使漏检的机会大大增 加。随着数字图像处理与模式识别技术的不断发展，图像技术完全有能力完成 钢球表面缺陷检测的要求【2 l 。为此，我们设计一种基于图像技术的钢球表面缺 陷自动检测装置，来正确有效地检测、分选钢球。 钢球表面缺陷检测仪首先是一台机器，除了相应的图像检测、控制模块 外，必须要有相应机械本体的支持。本文根据图像技术的特点、结合钢球本身 的物理性质、以及进料、传送、检测、出料的过程中的运动参数，设计出一种 合理的，满足检测要求的机械结构。 哈尔滨理下人学t 学硕 ：学位论文 1 2 课题来源 本课题来源于哈尔滨市科技攻关项目：轴承球类滚动体缺陷图像检测系 统。在哈尔滨轴承股份有限公司中，每个月都有几千万的钢球需要检测，而传 统的检测方法为依靠大量的人工凭肉眼检测。大量的人工检测不仅影响生产效 率，而且由于工人的情绪、视觉疲劳、个人判断标准等都给检测结果带来不可 靠的因素，直接影响产品质量与成本。采用先进的图像视觉检测手段即节省了 人力，也提高了检测质量，从而进一步提升东北老工业企业的核心竞争力。 我国在这方面的研究是从1 9 5 8 年开始的。首先由重庆大学开始进行研 究，接着洛阳轴承研究所、南京光学仪器厂、哈尔滨轴承厂、瓦房店轴承厂、 洛阳轴承厂、虹山轴承厂、机械部第十设计院、江苏金镡机械厂、长春光机研 究所和上海材料研究所等单位相继进行了研究。哈尔滨工业大学潘洪平博士在 其博士论文中建立了钢球表面质量评价系统，并将数字图像处理与模式识别技 术引入到钢球表面缺陷的自动检测与识别方法的处理中。但由于受国情、检测 理论和技术条件等诸多因素的限制，这些研究尚处在试验阶段，无法使其投入 到钢球生产的实际检测中去。到目前为止，我国还未开发出具有自主知识产权 的钢球表面缺陷自动检测仪。在国外，钢球表面自动检查仪的研究已有几十年 的历史。前苏联、美国、英国、德国、瑞典、日本和捷克等国相继进行了这方 面的研究工作。其中研究最成功的要属捷克s o m e t 公司的a v i k o 系列钢球 表面自动检测仪，该机采用光电、涡流、振动方法联合检测，由于操作方便， 结构紧凑，检测效率高，很快即被许多国家所采用；其次是日本大旺钢球株式 会社生产的钢球自动检测机，其检测原理如图1 - 1 所示，该检测机是一种通过 非接触式光学探伤法检测球面缺陷及球面粗糙度状况的设备，接受光照射的钢 球相对于传感器旋转变换位置，此时传感器慢慢地捕捉反射光的变化，通过集 成电路判断钢球质量的好坏，并进行自动振动分开【3 l 。 国外生产的检测仪虽然检测效果较好但其检测成本较高，未能被我国大多 数钢球生产厂家所采用。因此目前国内各轴承企业及钢球专门加t 厂在钢球表 面缺陷的检测中，仍采用人工手检，如图1 2 所示。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 供球料斗 不合格品 合格品 图1 - 1 钢球自动检测机原理图 f i g 1 1p r i n c i p l eo fa u t o m a t i cb a l ld e t e c t i n ga p p a r a t u s 图1 2 哈轴集团钢球表面质量检验现场 f i g 1 - 2s t e e lb a l ld e t e c t i n gs p o ti nh a r b i nb e a r i n gc o m p a n y 1 3 图像技术的特点与优势 图像处理与视觉检测是近年来发展迅猛的一项图像工程技术，已经广泛应 3 哈尔滨理t 人学i t 学硕l 学位论文 用到工业生产的各个领域。所谓图像处理，就是利用数字计算机或其他数字硬 件，对从图像信息转换来的某些电信号进行某些数字运算，以提高图像的实用 性，从而达到人们所要求的某些预期的结果。 在先进的自动化生产中，图像检测技术发挥着重要的作用。在本项目中检 查传统零件钢球的表面质量好坏，需要众多的检测工人，通过肉眼或结合显微 镜进行观测检验。大量的检测人工不仅影响生产效率，而且受检测人员的技术 水平、情绪、责任心、劳累程度等影响而带来不可靠的因素，直接影响最终产 品质量与成本。另外，许多检测的工序不仅仅要求外观的检测，同时需要准确 获取检测资料，比如零件表面状况、尺寸，以及基准点的坐标等等，这些工作 很难靠人眼快速完成，造成钢球质量的不稳定因素，严重的影响了企业效益， 成为企业发展的瓶颈之一。因此，这个问题的解决已追在眉睫。图像视觉检测 技术可以完全解决上述问题，其中由c c d 摄像机、视频图像采集卡、计算机 和数字图像处理软件相结合的图像检测技术是一种高精度的测量技术。许多被 测参数小、不便直接测量的物体，可以首先由c c d 摄像机采集图像，视频采 集卡将其数字化，再采用先进的计算机硬件与软件技术对图像数字信号进行处 理，从而得到所需要的各种目标图像特征值，与事先制定好的模板进行匹配， 并由此实现模式识别，判断产品的好坏。然后再根据其结果显示图像，输出资 料，发出指令，配合执行机构完成位置调整，好坏筛选，资料统计等自动化流 程。与人工检测相比较，图像检测的最大优点是精确、快速、可靠、以及数字 化。人无法长时间地观察对象，图像检测则不知疲劳，始终如一地观测，所以 图像检测可以广泛地用于长时间恶劣的工作环境。由于图像检测系统可以快速 获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集 成；因此，在现代自动化生产过程中，人们将图像检测系统广泛地用于工况监 视、成品检验和质量控制等领域 4 1 。 1 4 u g 软件简介 u g 软件是美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n 公司( 简称u g s ) 开发的，世界最著名 的通用大型c a d c a m c a e 系统。u g 于9 0 年代进入我国，已广泛应用于航 空、汽车、机械等领域，并发挥着越来越重要的作用。u g 为g 缸) ( 、a m c a e 系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现 了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。u g 面向过程驱动的 技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部 哈尔滨理t 大学下学硕十学位论文 产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有 效地实现了并行工程。该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配 和产生工程图等设计功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分 析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。同时可用建立的三维模型直 接生成数控代码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床【5 】。 具体来说，该软件具有以下特点： 1 具有统一的数据库，真正实现了c a d c a e c a m 等各模块之间的无数 据交换的自由切换，可实施并行工程。 2 采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何 建模与参数化建模合为一体。 3 用基于特征( 如孔、凸台、型腔、沟槽、倒角等) 的建模和编辑方法作 为实体造型基础，形象直观，类似于工程师传统的设计办法，并能用参数驱 动。 4 曲面设计采用非均匀b 样条作基础，可用多种方法生成复杂的曲面， 特别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。 5 出图功能强，可十分方便地从三维实体模型直接生成二维工程图。能 按i s o 标准和国标标注尺寸、形位公差和汉字说明等，并能直接对实体做旋转 剖、阶梯剖和轴测图挖切生成各种剖视图，增强了绘制工程图的实用性。 6 以p a r a s o l i d 为实体建模的核心，实体造型功能处于领先地位。目前著 名c a d c a e c a m 软件均以此作为实体造型基础。 7 具有良好的用户界面，在u g 系统中，绝大多数功能都可通过国标实 现。进行对象操作时，具有自动推理功能。同时，在每个操作步骤中，都有相 应的提示信息，做出正确的选择。 8 获取和重新使用知识成为了u n i g r a p h i c s 最新版本的一个关键特性，由 此它进入了应用知识工程和设计的新时代，k d a ( 知识驱动自动化) 成为u g 软 件同其他公司软件的最大区别。 1 5 课题研究内容 主要的研究工作概括如下： 1 检测系统机械结构整体框架构建：提出了总体设计方案以及结构设计 的基本要求，建立了基于u g 设计的技术路线图，设定了基本操作条件和仪器 控制方式； 哈尔滨理t 人学工学硕l 学位论文 2 对检测仪结构设计中的关键技术：钢球表面展开理论进行研究：综合 摄像机采集图像大小、钢球空间运动状态、钢球表面物理特性、检测精度等因 素，得出不同条件下钢球空间图像采集方法模型； 3 整机装配结构建立：根据各部分要求实现的功能设计出相应的结构， 进行检测仪整机结构的初步设计，给出了整体装配图；采用b o t t o m u p 和t o p d o w n 相结合的混合装配建模方法，w a v e 几何链接、部件间表达式链接建 模、几何尺寸和物理分析等技术设计出子午线展开轮简易实验平台，最后介绍 了二维工程制图生成方法； 4 u g 参数化设计方法在设计中的应用：钢球缺陷检测仪三维标准零件库 和检测仪结构关键部件：子午线展开轮实体模型建立。利用u g 中规律曲线与 自由成型特征相结合的参数化建模方法，建立钢球子午线展开轮实体模型。 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 2 1 引言 第2 章检测仪机械结构总体设计方案 钢球表面缺陷图像检测仪机械结构设计，是基于u g 钢球表面缺陷检测仪 虚拟样机技术的基础部分。机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿 真技术，是国际上2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一 项计算机辅助工程( c a e ) 技术，工程师在计算机上建立样机模型，对模型进 行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物 样机试验【酣。传统的设计方式是由下到上，即从部件设计到整机设计，这种方 式的弊端是设计师往往把注意力集中在细节而忽略了整体性能。运用虚拟样机 技术，设计过程先从整机开始，按照“由上至下 的顺序进行。这样可以避免代 价昂贵的在系统设计方面的失误，可以减少产品开发费用和成本，明显提高产 品质量，提高产品的系统及性能，获得最优化和创新的产品设计产品。本章对 检测仪的设计方案、检测原理和结构特点进行分析 7 1 。 2 2 检测仪设计的基本要求 设计检测仪时，要使机械具有先进的技术性，良好的使用性和机械加工工 艺性，就必须注意满足以下几项基本要求： 1 具有的一定使用范围检测仪的应用范围，是指一台检测仪所能完成的 检测形式、适用检测钢球的种类和规格、检测材料的品种和规格等。本项目中 所设计的检测仪针对公称直径在1 2 - - 一2 0 m m 的轴承钢球进行表面缺陷检测，通 常在检测仪的应用范围小时，它的结构较简单，生产率较高，而且易实现生产 的自动化。若扩大检测仪的应用范围，虽然可以实现一机多用，但往往造成机 械结构的复杂、提高成本。因此要根据使用工厂的实际需要、钢球表面材料性 质以及检测产品的批量来确定检测仪的使用范围。 2 检测效率高检测仪的检测率，是指一台检测仪在单位时间内所检测钢 球的数量。检测率又分为理论检测率和实际检测率，上述的定义是指的理论检 测率。但是，在实际检测中，有时要做检测前后的准备，要停机装添钢球，检 测调试，维修机器、检验钢球检测效果等，所以在实际检测中，一般用实际检 哈尔滨理t 人学t 学硕。e 学位论文 测率来表示检测仪的检测率，它是指一台检测仪在一段时间内( 一日一班) 的检 测钢球的数量。设计中，预计检测效率为2 0 0 0 3 0 0 0 粒d , 时，在满足使用要 求的前提下，要尽量提高检测效率，措施是提高检测仪的运动精度、自动化程 度和可靠性，分散检测工序，增加检测执行机构数量，以及缩短辅助时间等。 3 检测精度检测过程中，要求检测仪的检测效率高、可靠性高、检测效 果好、噪音小等，因此检测仪本身应具备一定的精度。精度分为静力精度、运 动精度和动力精度。 静力精度是指检测仪空运转时部件的运动精度和相互间的位置精度。它是 由机械零件的力n - t - - 精度和装配精度决定的。 运动精度是指检测仪的工作部件运动均匀性和协调性。它是由传动系统中 零部件的设计、加工、装配和调整精度决定的。 动力精度是指检测仪在检测工作的过程中，检测仪部件在工作力，温升振 动的作用下的运动精度和相互位置精度。它是由检测仪的零部件的刚度、按触 刚度、抗振性和热变形等因素决定的。 检测仪的精度愈高，对机械的制造精度、零件材料的要求愈高，使机械制 造成本高。因此，检测仪的精度必须根据各种要求，进行全面综合分析后再确 定。 4 提高机械自动化程度检测仪分为半自动检测仪和全自动检测仪，若检 测仪在完成完整的检测循环的过程中，检测钢球的传送要人工来完成，则称为 半自动检测仪；若上述工作全部由机器来完成，则称为全自动检测仪。 检测仪的自动化程度愈高，它的生产率愈高，工人的劳动强度愈低。但是 机器的构造和控制系统则愈复杂，从而提高了机器的成本、增加了机器维修的 难度。所以，必须根据使用要求和上述各种因素来确定检测仪的自动化程度。 5 提高“三化”程度“三化”是指检测仪的品种系列化，零、部件的通用化 和标准化。 提高机器的“三化程度，可以减少零件和部件的品种，缩短机器的设计和 制造周期，增加生产批量，便于组织生产、降低机器制造成本，有利于提高机 器的质量，便于维修和保养。 6 便于制造、操作和维修检测仪的零件结构复杂，设计中要注意零件的 结构工艺性，若工艺性差，会造成加工性差、延长制造周期，增加制造成本。 同时，设计者必须为机器的操作者着想，使操作者便于更换检测材料、添 加钢球，便于观察机器的工作情况、以及便于调整、维修和保养机器。另外， 要有安全保护装置，防止发生人身安全事故、机器损坏和检测质量事故等。 哈尔滨理t 火学工学硕 ：学位论文 - 蕾= = = = 目目目= 自= e = = = = = = = 0 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 自目= = = 目目li 盲量置_ _ _ 量置量暑_ | 詈詈暑詈e | 自目_ _ 目e _ 一 7 控制机器的噪声检测仪正向高速化、多功能发展，控制机器的噪声是 设计和制造时的一个重要问题。噪声能损伤人的听觉器官和生理机能，必须采 取一定的措施降低噪声。如提高零部件的制造精度、配合精度，减少机器的激 振力，安装隔振和吸振装置等，使检测仪的噪声不超过8 0 d b ( a ) 。 8 外形美观检测仪的外形要美观、色调要和谐、人机关系要合理，这样 能够提高机器在销售中的竞争力，又有利于操作工人的生产活动。因此，设计 时应使检测仪的外形美观、尺寸比例协调、颜色美观大方。使操作者喜欢机 器、有较高的工作情绪和安全感，以利于提高生产效率【8 l 【9 1 。 2 3 检测仪结构设计步骤 2 3 1 方案设计思路的确定 设计检测仪结构的第一步，是进行设计方案拟定，即在充分调查研究的基 础上，进行可行性分析论证，确定检测仪的使用范围、图像检测的技术特点、 检测流程、初选各部件的结构和总体布局等。这是整台机器技术设计的依据。 因此，在拟定方案时必须全面地考虑，使确定的方案既先进又经济效益高。具 体包括以下内容： 1 调查研究 1 ) 调查使用单位要求 主要调查、了解被检钢球的种类、性质、尺寸、形状、检测方法及对检测 的要求，了解操作工人对现有同类型检测仪的意见，对新设计检测仪的要求， 了解工人的操作技术水平，并且要了解新设计检测仪的工作环境，检测环境的 温度和湿度等。 2 ) 调查机器制造单位的情况 主要了解制造单位的设备和工人的技术水平，了解各种原材料的供应情况 以及以往钢球检测仪的制造经验。 3 1 查阅有关技术资料 主要查阅现有近似类型钢球检测样机的图样、技术资料以及有关使用情况 的资料；还要查阅国内外有关的各种科技文献，了解国内外同类机型机械的现 状及发展趋势。 2 初步设计 一般包括的内容有确定检测仪的使用范围和检测效率，进行检测理论分 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 析，确定检测方法和形式并画出检测流程图，初选检测仪的类型和各组成部分 的结构并画出草图，确定检测仪的外形尺寸并画出总体尺寸联系图；拟定整台 机的传动系统图，拟定检测仪的工作循环图，在上述工作进行的同时进行总体 布局，定出主要的技术参数，绘出检测仪的总体图。以上各阶段既有相对的独 立性，又是互相密切联系的，在设计中可以交叉进行，减少不必要的返工，以 便使设计工作周密地、有次序地进行，确保设计质量和进度。 2 3 2 技术设计 1 设计计算 根据检测仪总体方案，对检测仪组成部分进行运动设计计算、结构设计及 动力计算，同时对有的零件要进行强度和刚度校核，并且要绘制出各部件的装 配图、专用零件图和通用件的补充加工图。 2 编写技术文件 1 ) 设计计算说明书 它包括总体方案设计、零部件的运动计算、结构设计、动力设计、有关零 件的强度和刚度校核等内容，对整机进行经济效益分析。 2 ) 使用说明书 它包括检测仪的技术性能，各部件构造说明，检测仪的安装、调试、润滑 方式、常见故障的排除方法，易损零件列表和图样、电气设备表，以及检测仪 的运输方法和验收标准，有时要编制各种通用件、标准件名细表。 2 3 3 建模技术路线 技术路线是指钢球表面缺陷检测仪整机设计的线路。在结构设计中，主要 采用u gn x2 0 软件对整个机械结构进行设计与分析，采用数字化方法对产品 进行开发，在计算机中反复进行设计、分析、干涉检查、零件设计等过程【1 0 j 。 检测仪结构建模路线图如图2 - 1 所示。 哈尔滨理t 大学f t 学硕i ：学位论文 图2 - 1 钢球检测仪建模技术路线 f i g 2 - 1m o d e l i n gr o u t eo fs t e e lb a l ld e t e c t i o ni n s p e c t i o n 1 1 哈尔滨理t 人学工学硕l ：学位论文 2 4 操作条件设定及控制方式选择 2 4 1 操作条件 钢球表面缺陷图像检测仪为自动分选机，专门用于公称范围1 2 - 2 0 m m 轴 承钢球表面缺陷的检测。图像检测系统是由c c d 摄像机、图像采集卡、图像 处理软件共同组成。根据表面缺陷的检测结果钢球被分为三组：良好、可以修 复、t 不可以修复。钢球表面缺陷检测仪是为了替代人工检测而设计的一种专门 的钢球检测仪器，一般检测环境为钢球成品车间。为了取得最好的分选结果， 钢球表面缺陷图像检测仪必须在干净无尘的条件下工作，如果可能，至少也应 在局部有空调的环境。绝对不允许温度迅速变化，温度范围控制在+ 1 8 + 2 8 以内，机器不应该直接暴露在阳光下面。为了使图像检测的灵敏度更 高，准备分选的钢球要尽可能地干净，否则杂质和脏物会导致机器把一定百分 比的合格钢球误判剔除，而且会污染整个机器。最好选用成品钢球或是最后一 道工序之前的钢球，这样附着在钢球上的赃物会尽可能少，因此在进料之前， 应当对待检钢球在清洗液进行清洗。较大的杂质将引起钢球在检测点的剧烈振 动，甚至会使机器停止工作。检测点上的钢球必须没有磁性，因为在图像检测 时磁性会产生信号干扰，导致灵敏度下降和检测结果不准确。明显形状缺陷和 圆度不均匀的钢球也不适用于检测【1 1 i 。 2 4 2 控制方式选择 控制部分主要由计算机和可编程控制器( 本装置采用西门子公司生产的 s 7 2 0 0c p u 2 2 4 ) 等组成。系统通过上位机对p l c 进行控制，利用l a b v i e w 的v i s a 这种仪器驱动软件完成了计算机和p l c 的串口通讯，实现了上位机对 控制系统的监控；利用磁电传感器对驱动轮的转速进行测量，通过p i d 控制实 时调节驱动轮的转速，提高了检测机的控制精度，保证了检测质量。控制系统 采用p l c 作为控制系统的核心，控制简单，使用方便，抗干扰能力强【1 2 1 。 哈尔滨理下大学t 学硕十学位论文 2 5 本章小结 本章进行钢球表面缺陷图像检测仪机械结构的总体方案设计，确定了具体 的结构设计思路，给出了设计步骤，建立了基于u g 结构设计的技术路线图， 确定了检测仪的工作条件，并介绍了其控制方式选择。 哈尔滨理1 = 人学t 学硕f ：学位论文 3 1 引言 第3 章钢球缺陷检测仪关键技术研究 球面展开系统是确保球的整个表面在受检过程中不产生遗漏现象的装置， 因此是整个机械系统的核心，钢球表面的展开方法目前有两种倾向，一种是动 点扫描，一种是定点扫描。图像检测区别于其它检测方法是，图像的检测范围 是空间某一区域而不是单个点或是线，只要这些检测区域能够覆盖整个球面， 就不会遗漏钢球表面的缺陷信剧1 3 1 。子午线展开轮可实现钢球表面的精确展 开，本章作重点研究。 3 2 钢球空间拍摄方法的选择 钢球表面缺陷图像是图像检测系统判断钢球表面质量状况唯一的信息来 源，是否能准确、完整地获取球体的整个空间图像是判断拍摄方案合理性的标 准。由于钢球表面十分光滑，接近于镜面，要保证其缺陷图像采集质量需合理 2 a ) 正四面体模型 a ) n o r m a lt e t r a h e d r o nm o d e l 4 ”正六面体模型 b ) n o r m a lh e x a h e d r o nm o d e l 图3 - 1 钢球图像采集的正多面体模型 f i g 3 1n o r m a lp o l y h e d r o nm o d e li ns t e e lb a h si m a g ec a p t u r i n g 哈尔滨理t 大学t 学硕一 ：学位论文 选择图像采集方法。本文综合考虑钢球物理性质、摄像机性能参数以及检测精 度要求等因素，设计了几种不同的钢球表面缺陷空间图像采集方案。 3 2 1 正多面体工作模型 正多面体工作模型( 见图3 1 a ) 、b ) ) 是假设钢球球体内接一个空间正多 面体，箭头方向为摄像机镜头拍摄方向，即多面体平面的法线方向。如果摄像 机图像采集的有效面积圆( 图a ) 中的虚线圆) 能够覆盖正多面体一个面的所 有顶点，那么经过4 次拍摄后，可以拍全整个球体表面。正多面体模型的拍摄 次数和采用多面体的面数直接关联，面数越少图像采集的次数越少，单位次数 采集的面积也就越大，检测精度也越低。 3 2 2 三等分球体滚动模型 图3 2 为三等分球体滚动模型，虽然正多面体模型在理论上能够实现整个 钢球表面缺陷图像的完整采集，但在实际拍摄中会遇到许多问题。例如空间摄 像头的放置方向为多面体各面的法线方向，随着模型面数的增多，摄像头的放 c l i ! ”左视图 c ) 俯视图 b ) l e f tv i e wc ) d o w nv i e w 图3 2 三等分球体滚动模型 f i g 3 - 2m o d e lo ft r i s e c t i o nb a l l sr o l l i n g 哈尔滨理| t 人学工学硕卜学位论文 置位置也不断增多，很难设计出一种机械结构来带动钢球灵活转动以适应图像 采集的各个位置。因此，提出一种三等份球体滚动图像拍摄模型。 为求得空间两摄像头法线之间的夹角妒，假设钢球沿空间固定转轴以角速 度f o 转动，钢球半径为尺，摄像头图像采集最小有效面积圆半径为，圆心为 0 1 ( x i ，y l ，z o 。建立空间直角坐标系，钢球球心o 为坐标原点，如果图像采 集的有效面积能够覆盖六分之一球体的端点a 、b 、c ，那么经过三个方向拍摄 后，可以照全整个钢球表面。如图3 2 所示。首先建立圆d l 的空间直角方 程： 一x 1 ) 2 + ( y 一) ，1 ) 2 + ( z z 1 ) 2 一，2 ( 3 - 1 ) 将4 脚皇；，船跏童；，刃，b ( r c o s # - 。- ，r s na - - 亡_ ，缈，c f o ，0 ，删三点坐标值 oo oo 代入式( 3 1 ) ，求得伪，弘，圳的空间坐标值。通过点d 、仍建立空间直线 z ，z ，与，的夹角即为9 。 妒。云1 一s 再霸z 1i 妒。三一s 再丽 孓刁 经计算得：伊- 5 4 2 5 。，r r 0 4 4 8 。 3 3 子午线展开轮的选择 3 3 1 子午线展开轮工作原理 图3 3 为展开轮的工作原理示意图。展开轮1 绕& 轴作回转运动，被测 钢球2 放在展开轮1 和主动轮4 中间，摄像机3 的轴心线过被测球心d 点且垂 直于水平面。为了摄取清晰的钢球表面图像，展开轮驱动被测钢球只能作旋转 运动，而不能产生移动，即被测钢球的球心d 不能发生移动，这是检测系统正 常工作的先决条件。 该子午线展开机构的运动构件有展开轮1 、被测钢球2 和主动轮4 。电机 带动主动轮高速转动，通过摩擦力，展开轮驱使被测钢球作变轴旋转。这里的 摩擦力是由滚动摩擦和滑动摩擦共同决定的。为了使分析的问题简单化，假设 被测钢球在展开轮与主动轮之间作纯滚动，而不产生滑动。由于被测钢球与展 开轮、主动轮的接触可近似看作为点接触，故假设符合实际要求。 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 4 气一 l s ” l a ) c ) 图3 3 展开轮工作原理 f i g 3 - 3w o r k i n gp r i n c i p l es c h e m a t i c so fu n f o l d i n gw h e e l 一是 展开轮两侧工作表面若为对称圆锥面，被测钢球只能绕固定的d l 仍轴作 回转运动，检测系统所摄取的图像为被测钢球某一位置的一球带，这样就检测 不到钢球的全部表面。如果展开轮两侧的工作表面非对称，则两工作表面直母 线的交点m 在圆弧m 1 m 2 包络成的双曲面上( 见图3 3 c ) ) 。随着展开轮的不断 运动，带动被测钢球作变轴旋转运动，实现钢球全表面检测。此时，d j d 2 轴 包络成椭圆锥面( 见图3 3b ) ) 。 3 3 2 被测钢球的受力分析 图3 4 所示为被测钢球的受力分析示意图。在空间直角坐标系z y z 内，被 测钢球与展开轮两工作表面接触点彳、b 的摩擦力分量分别是f x l 、f y l 、f z l 和 f x 2 、f y 2 、f z 2 。由于两接触点彳、b 的瞬时速度在不断变化，所以摩擦力也随 之变化。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 3 - 3 ) 图3 4 被测钢球的受力分析 一 f i b 3 4f o r c ea n a l y s i so fm e a s t u e ds t e e lb a l l 将摩擦力的合力分量a 、毋、尼移至球心o 处，为保持动态平衡，必须附加 三个扭矩坛、 秒、 岔。设摩擦力的合力分量r 、砂、屁对球心o 点的位移 分量分别为岛，岛，乞，则 卜= 职吃 坳= f z 略( 3 - 4 ) 【胞= 毋。勺 通过对被测钢球的受力分析可知，被测钢球存在两种运动形式： 1 展开轮两工作表面对称分布在此种情况下，对于两工作表面接触点 彳、b 来说，无论展开轮旋转到任何时刻，它们相对于球心o 点都是对称分布 的。故e y - - 0 、留置0 ，于是有 胁砒飓 + + + 聃研砌 i i = = 厥砂忍 ，【 令 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 融气 ( 3 5 ) 此时，被测钢球只能绕固定轴d 1 0 2 ( 见图3 3 ) 旋转。这种运动方式不能 实现钢球表面的全部展开。 2 展开轮两工作表面非对称分布在此种情况下，两工作表面接触点a 、 曰相对于球心o 点的位移分量c 】【0 、c v o 、e z 乒0 ，在被测钢球绕仉d 2 轴作 旋转运动的同时，扭矩尥和肛使被测钢球产生侧滚运动，从而在非对称工作 表面展开轮作用下，仍d 2 轴随着展开轮的不断运动包络成椭圆锥面( 图3 3 b ) ) ，使被测钢球将作变轴旋转运动。这种运动方式能实现钢球表面的全部 展开【1 4 1 。 3 4 钢球在子午线展开过程中的运动状态描述 3 4 1 钢球的定点运动 钢球在展开的过程中，其球心保持在空间位置上固定不动，因此钢球的运 动即属于刚体绕定点之转动，根据刚体绕定点转动的欧拉位移定理描述：绕定 点转动的刚体从某一方位运动到另一方位，可以通过绕定点的某轴一次转动达 到，那么钢球表面上的点从起始位置，沿展开线轨迹运动到另一位置，也可以 看作是绕经过空间某定点的某轴一次旋转而达到。 而当这种运动时间间隔很短，乃至趋近于零时，有限时间内的转动轴则趋 近于某个确定的极限位置，即瞬时转轴。从而钢球在某一瞬时的运动状态可以 精确的描述为：钢球绕瞬时转动轴，以某一瞬时角速度为大小，做瞬时转动。 进而它的连续运动可以看作是绕空间一系列瞬时转轴，分别以不同的瞬时角速 度为大小做一系列的瞬时转动。 3 4 2 空间坐标系的建立 哈尔滨理工人学丁学硕l 学位论文 为了简化论证的过程，选择钢球球心作为空间绝对坐标系原点d ，把经过 球心的子午线轮截面作为y o z 平面，y 轴与子午线转轴平行，取右侧为正方 向，z 轴从球心与钢球子午线轮反向，绝对坐标系如图3 5 ，钢球坐标系即刚 体瞬时坐标系，坐标轴固化在钢球内，随