鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明

1、濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目 鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 1 -濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要 軸承的精確度、運(yùn)動(dòng)性能和使用壽命, 在很大的程度上都是取決于其中鋼球的質(zhì)量的, 所以在鋼球的生產(chǎn)中對(duì)成品鋼球的表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)是十分重要的。目前, 國(guó)內(nèi)各軸承企業(yè)以及鋼球廠家對(duì)于鋼球表面質(zhì)量的檢測(cè)大多采用傳統(tǒng)的人工目視的方法，這種方法容易受到檢測(cè)工人的技術(shù)水平、責(zé)任心、勞累程度等不穩(wěn)定因素的影響, 而且其誤檢和漏檢率高, 同時(shí)自動(dòng)化程度又低。國(guó)產(chǎn)鋼球的表面質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)與國(guó)外同級(jí)別的相比存在著較大的差距，造成這種差距的原因之一就是鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的落后。隨著軸承行業(yè)對(duì)鋼球表面質(zhì)量要求的不斷提高,開發(fā)一

2、種價(jià)格適宜，速度及效率高的鋼球表面質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)裝置就變得非常重要。 本文中提出的基于光纖傳感技術(shù)的鋼球表面缺陷檢測(cè)研究是以鋼球表面缺陷為研究對(duì)象，研究鋼球表面缺陷的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，目的就是為了解決我國(guó)在鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)方面自動(dòng)化程度低，效率低的狀況，開發(fā)出具有自己獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鋼球外觀檢測(cè)儀。 分析鋼球檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程，鋼球展開機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，經(jīng)緯展開運(yùn)動(dòng)軌跡的分析，展開輪的機(jī)構(gòu)及工作原理?；谡{(diào)制技術(shù)和鎖相放大技術(shù)，分析并設(shè)計(jì)了鋼球表面缺陷信號(hào)處理系統(tǒng)，包括激光激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電路、窄帶濾波電路、相敏檢波電路、移相電路、除法運(yùn)算電路；采用的是c8051f020單片機(jī)用來進(jìn)行信號(hào)采集及處理，包括其電源

3、電路、外部晶振電路、復(fù)位電路、串口通訊、jtag接口電路、鍵盤及顯示。關(guān)鍵詞：鋼球；表面缺陷；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；展開機(jī)構(gòu) abstract to 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 production of

4、 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 instabilit

5、y, 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 quality of

6、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 on opti

7、cal 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 situation, d

8、eveloped 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 signal pr

9、ocessing 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 signal

10、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 目 錄摘要. .iabstract ii1 前言.11.1研究背景及意義.11.2 國(guó)內(nèi)外

11、鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)裝置的研究現(xiàn)狀.21.3設(shè)計(jì)內(nèi)容.32 鋼球表面展開機(jī)構(gòu)分析及設(shè)計(jì).42.1 鋼球展開機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法42.2 經(jīng)緯展開運(yùn)動(dòng)軌跡分析.52.3 展開輪結(jié)構(gòu)及工作原理.52.4展開輪的設(shè)計(jì).73 信號(hào)處理系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì).93.1 調(diào)制光源激勵(lì)電路103.2 光電轉(zhuǎn)換及前置放大電路.113.3帶通濾波電路.123.4 鎖相放大電路.123.4.1 相敏檢波電路.133.4.2 低通濾波電路.133.4.3移相電路.143.5 除法運(yùn)算電路.143.6 數(shù)據(jù)的采集與處理.153.6.1電源電路.163.6.2 外部晶振電路.163.6.3復(fù)位電路.163.6.4串口通訊.173.6.5

12、 jtag接口電路.183.6.6鍵盤及顯示.184 結(jié)論.20參考文獻(xiàn).21致謝.22- iii -1 前言1.1 研究背景及意義球軸承是一種基本的組成部分，在機(jī)械行業(yè)中是非常重要的，球的滾動(dòng)軸承，在其運(yùn)動(dòng)精度的質(zhì)量起著決定性的作用，球軸承的壽命，性能等，表面缺陷對(duì)鋼球表面質(zhì)量缺陷的影響是明顯的，因?yàn)榍驎?huì)引起軸承振動(dòng)的脈沖式，球軸承的比較中的噪聲和振動(dòng)的旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的大，軸承轉(zhuǎn)速和振動(dòng)脈沖周期成反比，球軸承振動(dòng)的幅度與鋼球外貌缺陷的尺寸相關(guān)，鋼球表面缺陷越大，球軸承的振動(dòng)幅度就越大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以知道：在各種各樣的球軸承的失效形式中，由于故障所造成的表面缺陷的鋼鐵高達(dá)80%。因此說要想使得球

13、軸承質(zhì)量提高，減少鋼球表面缺陷是非常重要的。跟著鋼球行業(yè)制造工藝水平的不斷提高，在一定程度上，鋼球外貌缺陷的數(shù)目和品種有了較好的控制，但為了保證鋼球表面質(zhì)量不能全球企業(yè)只有提高加工工藝的實(shí)現(xiàn)，保證鋼球表面質(zhì)量的最可行的或通過質(zhì)量測(cè)試環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的，因此在鋼球行業(yè)中，鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)的研究一直是作為一個(gè)重要的研究方向。 在通過幾十年的成長(zhǎng)進(jìn)程以后，我國(guó)的鋼球制造業(yè)，顯然成為鋼球的制造大國(guó)，但還不是鋼球的制造強(qiáng)國(guó)，與國(guó)外同級(jí)別的相比國(guó)產(chǎn)鋼球表面質(zhì)量仍舊有較大的差異。依據(jù)對(duì)海內(nèi)軸承行業(yè)進(jìn)行了不完全的統(tǒng)計(jì)以后，了解到由于鋼球表面損壞而造成球軸承不能使用的比例高達(dá)77，而在國(guó)外僅為35，因此國(guó)內(nèi)還需大量進(jìn)

14、口很多高品質(zhì)鋼球及軸承。鋼球檢測(cè)技術(shù)的落伍是造就這類差距的重要原因之一：在國(guó)外的不少發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛的使用鋼球表面質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)儀器，而在國(guó)內(nèi)眾多廠家現(xiàn)在對(duì)鋼球表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)還只是普遍采用傳統(tǒng)的目測(cè)法，由于人的眼睛很容易疲勞在日光燈下長(zhǎng)時(shí)間觀察光潔度很高的鋼球，不僅誤檢率及漏檢率很高，而且對(duì)人眼的健康損傷很大。就現(xiàn)況來看，對(duì)球軸承的質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)格，在對(duì)可靠性要求高的行業(yè)以及重載荷、高速度、危險(xiǎn)系數(shù)高的場(chǎng)合，球軸承需要達(dá)到無缺陷標(biāo)準(zhǔn)的要求，最基本的使用條件就是鋼球全面檢查，這就使國(guó)內(nèi)鋼球產(chǎn)品在國(guó)外同類高品質(zhì)產(chǎn)品顯得較弱，也促使這類檢測(cè)設(shè)備必須要被國(guó)內(nèi)鋼球生產(chǎn)廠家進(jìn)口，該設(shè)備沒有被廣泛介紹，

15、因?yàn)槠鋬r(jià)格昂貴，而且維修不便?？梢哉f是制約中國(guó)鋼滾珠和軸承行業(yè)是球質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)落后的發(fā)展的重要因素，關(guān)鍵是要發(fā)展一種鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備，它不僅是一個(gè)價(jià)格適中，效率高。為了解決我國(guó)在鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)方面自動(dòng)化程度低、效率低的現(xiàn)狀，打破國(guó)外檢測(cè)設(shè)備的壟斷，提高國(guó)內(nèi)鋼球的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，就要開發(fā)出一種鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備，它是基于光纖傳感技術(shù)，具有自己獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的。1.2 國(guó)內(nèi)外鋼球表面檢測(cè)裝置的研究現(xiàn)狀在鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)裝置的研究方面，國(guó)外起步得較早，目前已經(jīng)有很多商品化的儀器。但由于這些儀器一般都是較高的價(jià)格，所以難以在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣使用。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)還主要停留在檢測(cè)鋼球的整體原理或展開方

16、法某一方面的探索階段，目前還沒有針對(duì)鋼球表面缺陷無損自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行真正的系統(tǒng)研究。 （1） 國(guó)外相關(guān)儀器研制 在鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)儀器方面，進(jìn)行過相關(guān)儀器設(shè)備的開發(fā)研究的有前蘇聯(lián)、美國(guó)、英國(guó)、瑞典、德國(guó)、日本、捷克等國(guó)家，其中捷克somet公司生產(chǎn)的 aviko 系列鋼球表面自動(dòng)檢測(cè)儀的應(yīng)用效果可以算是最好的，該產(chǎn)品已成為世界的專利產(chǎn)品，其可對(duì)鋼球的表面缺陷進(jìn)行全面檢測(cè)。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、檢測(cè)效率高，同時(shí)又可以把各種表面缺陷進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，形成信息化，因此它也是得到最成功應(yīng)用的產(chǎn)品。其次是日本大旺鋼球株式會(huì)社生產(chǎn)的鋼球表面質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)儀。aviko 系統(tǒng)鋼球表面自動(dòng)檢測(cè)儀的檢測(cè)原理為通

17、過光電、振動(dòng)和渦流傳感器聯(lián)合進(jìn)行檢測(cè)，其由四大部分組成：傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)、鋼球表面展開系統(tǒng)、信號(hào)處理和控制系統(tǒng)和自動(dòng)送料和執(zhí)行系統(tǒng)。鋼球表面展開系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的核心，它是為了確保鋼球的整個(gè)表面在受檢過程中都能夠被檢測(cè)到而設(shè)計(jì)的裝置。傳感器部分的作用是進(jìn)行鋼球表面缺陷的識(shí)別，并將識(shí)別的結(jié)果傳送到控制器中，然后進(jìn)行合格品和不合格品得分類。aviko 系列產(chǎn)品由于其價(jià)格昂貴，核心技術(shù)相對(duì)封鎖，而且不易維護(hù)，檢測(cè)成本又很高，所以只能用于檢測(cè)部分要求很高的產(chǎn)品。在這個(gè)設(shè)備中的展開輪是易損件，每檢測(cè)1萬(wàn)粒左右的鋼球就得更換一次展開輪，但是每個(gè)展開輪的價(jià)格及其昂貴，并且只能從國(guó)外進(jìn)口引用，檢測(cè)的成本就顯

18、著增加了，因此國(guó)內(nèi)將此類機(jī)器多用于檢測(cè)航天、國(guó)防等所需的高精度鋼球方面，從而使得大多數(shù)時(shí)間檢測(cè)設(shè)備都處于閑置狀態(tài)。 日本的大旺鋼球表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)機(jī)，它是通過非接觸式光學(xué)探傷方式來檢測(cè)鋼球表面缺陷及其表面粗糙度的，依靠33個(gè)傳感器對(duì)球面進(jìn)行全面檢測(cè)，這種方式不會(huì)產(chǎn)生誤檢，而且產(chǎn)品的質(zhì)量也很容易保證。機(jī)器的檢測(cè)原理：接受光照射位置相對(duì)于工件的旋轉(zhuǎn)變換的傳感器，傳感器會(huì)慢慢改變反射光的捕獲，繼而通過集成電路來判斷鋼球質(zhì)量的優(yōu)劣，并將鋼球進(jìn)行自動(dòng)振動(dòng)使其隔開。該儀器是最大的優(yōu)勢(shì)是，它可以測(cè)試成品鋼的球，因?yàn)闇y(cè)試可以在注入條件做了。其缺點(diǎn)是成本過高，而且由于檢測(cè)方式是點(diǎn)掃描的方式，所以其效率較低。 （

19、2）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 對(duì)于鋼球檢測(cè)原理和方法的研究，我國(guó)開始于1958年，然后由重慶大學(xué)、洛陽(yáng)軸承研究所、南京光學(xué)儀器廠、哈爾濱軸承廠、瓦房店軸承廠等單位進(jìn)行了更系統(tǒng)的探索和研究。近些年來，國(guó)內(nèi)研制的鋼球表面缺陷檢測(cè)儀器大都是采用了渦流檢測(cè)技術(shù)、光電檢測(cè)與ccd圖像處理技術(shù)以及光電檢測(cè)技術(shù)等技術(shù)。其中渦流檢測(cè)技術(shù)在對(duì)鋼球裂紋的檢測(cè)方面靈敏度較高，但對(duì)其它缺陷檢測(cè)方面靈敏度就相對(duì)較低；而光電檢測(cè)與ccd圖像處理對(duì)鋼球裂紋的檢測(cè)方面其靈敏度又較低。因此，在鋼球市場(chǎng)亟待解決的問題是研究出能夠適應(yīng)鋼球多種缺陷的檢測(cè)，而且靈敏度又相對(duì)較高的鋼球表面缺陷自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容光纖傳感檢測(cè)技術(shù)是一種新

20、式的傳感技術(shù)，它是在光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上而迅速成長(zhǎng)起來的，它是以光為載體，光纖為介質(zhì)，感知和傳輸外界信號(hào)的。與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相比，光纖傳感檢測(cè)技術(shù)具備靈敏度高、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)局限大、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。基于當(dāng)前國(guó)內(nèi)外鋼球外貌缺陷檢測(cè)方式的研究，聯(lián)系企業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)情況，在此將基于光纖傳感檢測(cè)技術(shù)用來檢測(cè)鋼球的表面缺陷，其設(shè)計(jì)內(nèi)容包含以下： （1）分析鋼球表面檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的工作流程，鋼球展開機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，經(jīng)緯展開運(yùn)動(dòng)軌跡的分析，展開輪的結(jié)構(gòu)及工作原理，展開輪的設(shè)計(jì)。（2） 為了削弱鋼球外貌缺陷檢測(cè)體系大概存在的噪聲，使用基于調(diào)制技術(shù)和鎖相放大技術(shù)，分析并設(shè)計(jì)鋼球表面缺陷信號(hào)處理系統(tǒng)，

21、其中包含調(diào)制光源激勵(lì)電路，光電轉(zhuǎn)換及前置放大電路，帶通濾波電路，相敏檢波及低通濾波電路，移相電路，除法運(yùn)算電路，信號(hào)的采集及處理電路等。2 鋼球表面展開機(jī)構(gòu)分析及設(shè)計(jì) 鋼球外貌檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)大致能夠分為進(jìn)球、展開和分選三個(gè)部分的工作流程。鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的工作流程如圖2.1所示，其中最為關(guān)鍵的是鋼球表面展開機(jī)構(gòu)部分。圖2.1. 鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)工作流程2.1 鋼球展開機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式對(duì)于鋼球表面進(jìn)行展開，這里選用的是單驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯的展開方法，如圖2.2所示。由于展開輪的作用，在驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)鋼球做定向高速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，在與轉(zhuǎn)軸垂直的方向鋼球會(huì)受到拔動(dòng)，這將會(huì)使鋼球表面得以展開。那么經(jīng)過一定的

22、時(shí)間間隔，展開機(jī)構(gòu)底部的探測(cè)區(qū)域使得鋼球表面上的每一點(diǎn)都能夠被通過，從而鋼球就可以得到全面的展開。圖2.2 單驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯展開機(jī)構(gòu)2.2 經(jīng)緯展開運(yùn)動(dòng)軌跡分析做個(gè)設(shè)想，激光掃描經(jīng)線是由西邊往東邊鋪滿整個(gè)鋼球表面的，激光掃描斑點(diǎn)開始移動(dòng)于沿著經(jīng)度為l的經(jīng)線，從南極點(diǎn)往北極點(diǎn)，穿越北極點(diǎn)后再沿著l+n經(jīng)線運(yùn)動(dòng)，從而鋼球表面的完全展開就能被實(shí)現(xiàn)，然而這種方式是步進(jìn)形式的運(yùn)動(dòng)，換句話說，每當(dāng)激光掃描完一條經(jīng)線，鋼球就要沿著緯線旋轉(zhuǎn)一定角度，這將會(huì)造成不連續(xù)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，此方式比較難實(shí)現(xiàn)。圖2.3 經(jīng)緯展開軌跡示意圖為了保持連續(xù)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，那么進(jìn)行掃描的時(shí)候就不能只完全沿著經(jīng)線。如圖2.3所示：激光掃描斑點(diǎn)開

23、始移動(dòng)于沿著經(jīng)度為l的經(jīng)線，從南極點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)經(jīng)過赤道的時(shí)候，掃描斑點(diǎn)已經(jīng)偏移到經(jīng)線l和l+n的中間位置，掃描斑點(diǎn)在到達(dá)北極點(diǎn)的時(shí)候其運(yùn)動(dòng)方向向量正好與l+n經(jīng)線相切，穿越到北極點(diǎn)后，其運(yùn)動(dòng)方向向量正好與l+n180的經(jīng)線相切，然后再穿過赤道，沿著l+2n180經(jīng)線到達(dá)南極點(diǎn)，如此循環(huán)，最終將實(shí)現(xiàn)鋼球表面的完全展開。2.3 展開輪結(jié)構(gòu)及工作原理 在展開輪機(jī)構(gòu)中，它的運(yùn)動(dòng)件包括展開輪、被測(cè)鋼球和主動(dòng)輪。展開輪的結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4 展開輪結(jié)構(gòu) 其中a、b分別為鋼球與展開輪的接觸點(diǎn)，oa、ob分別為展開輪的瞬時(shí)母線，oa垂直于ob(即展開輪的兩個(gè)側(cè)面夾角保持固定的90度)，ab的連線與轉(zhuǎn)動(dòng)軸

24、的夾角為a。隨著展開輪的繞著轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，oa、ob將會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，即展開輪側(cè)面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這會(huì)使得兩個(gè)接觸點(diǎn)ab的連線與展開輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的夾角a發(fā)生改變，a又為時(shí)間的正弦函數(shù)，它可以表示為： （2-1）接觸點(diǎn)a和b的瞬時(shí)速度分別表示為： （2-2） （2-3）相對(duì)鋼球旋轉(zhuǎn)軸，作為展開輪，它的的角速度分別表示為： （2-4） （2-5） 當(dāng)t=0，則展開輪與鋼球的旋轉(zhuǎn)軸二者是平行的，即a等于0，wa=wb。隨著t的增大，使得a增大，a大于0，wa大于wb，鋼球旋轉(zhuǎn)軸將逐漸發(fā)生傾斜，最終其到達(dá)最大極值的傾斜角度，然后傾斜角a開始減小，直到到達(dá)反向的平衡位置，a=0，wa=wb；接著反向傾斜，a小于0，

25、wa小于wb，最終其到達(dá)最大極值得傾斜角度，繼而傾斜角度將會(huì)漸漸地減小，最終回到原來的正向初始位置，這樣地往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在鋼球檢測(cè)中a轉(zhuǎn)動(dòng)一周存在的變化范圍，展開輪的兩個(gè)側(cè)面為非對(duì)稱的v型錐面就是由于這種夾角的變化而形成的，展開輪兩側(cè)與鋼球的接觸線分別為余弦和正弦曲線。有了這種特殊的結(jié)構(gòu)，在展開輪的作用下，被檢測(cè)鋼球既做正旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又做側(cè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鋼球的全面展開。2.4 展開輪的設(shè)計(jì) 如圖2.5所示，為鋼球表面展開機(jī)構(gòu)的機(jī)械圖。圖2.5 鋼球表面展開機(jī)構(gòu) 從圖中可以看出，鋼球表面展開機(jī)構(gòu)中有驅(qū)動(dòng)輪、展開輪、壓緊輪、激光器、振動(dòng)傳感器，壓緊輪支架，激光器支架及底座，展開輪支架，機(jī)器支架，還有

26、很多的螺釘、螺栓和螺母。圖2.6為展開輪的結(jié)構(gòu)。圖2.6 展開輪圖2.7 為激光器的支架及底座。圖2.7（a） 激光器側(cè)向支架圖2.7（b） 激光器底座3 信號(hào)處理系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì) 在鋼球檢測(cè)系統(tǒng)中，鋼球支撐件以及傳感器周期性微弱振動(dòng)對(duì)信號(hào)的影響非常大，這會(huì)使信號(hào)很容易被這種環(huán)境噪聲所淹沒，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換后的測(cè)量信號(hào)信噪比非常小，因此說僅僅對(duì)信號(hào)進(jìn)行前置放大是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須采取微弱光電信號(hào)處理方法來增強(qiáng)信號(hào)，減弱噪聲，改善信噪比。常用的改善信噪比方法有：取樣積分技術(shù)、光子計(jì)數(shù)技術(shù)、鎖相放大技術(shù)。其中鎖相放大技術(shù)，處理電路比較簡(jiǎn)單，它只對(duì)被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相同頻率相同相位的信號(hào)分量有響應(yīng)，可以很大

27、程度上抑制無用的噪聲，提高信噪比。本節(jié)將利用鎖相放大技術(shù)設(shè)計(jì)來鋼球表面缺陷信號(hào)處理系統(tǒng)。 為了實(shí)現(xiàn)鎖相放大，必須對(duì)光源發(fā)出的光進(jìn)行斬光或者調(diào)制，因此與靜態(tài)試驗(yàn)中使用的恒功率驅(qū)動(dòng)不同，本論文設(shè)計(jì)的光源發(fā)出的是脈沖光，通過發(fā)射光纖照射到被測(cè)鋼球表面(調(diào)制區(qū))，反射后，表面形貌(紋理粗糙程度等因素)引起光的強(qiáng)度幅值發(fā)生變化，從而將此脈沖光變成了被調(diào)制的信號(hào)光并被探測(cè)器接收，接下來只要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行解調(diào)就可以獲得與表面形貌相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。這樣就將信號(hào)由低頻范圍遷移到設(shè)定的高頻范圍，從而避開低頻噪聲的不利影響，檢測(cè)系統(tǒng)也就變?yōu)榻涣飨到y(tǒng)，接下來就可以利用鎖相放大技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。 信號(hào)處理系統(tǒng)總體方案如圖3.

28、1所示，激勵(lì)光源調(diào)制電路可以產(chǎn)生固定頻率的方波，將此方波作為系統(tǒng)的載波信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路提供足夠大的電流，驅(qū)動(dòng)光源發(fā)出穩(wěn)定的脈沖光進(jìn)入發(fā)射光纖。三個(gè)相同的pin光電探測(cè)器分別接收三路光信號(hào)由接收光纖束發(fā)出出的，轉(zhuǎn)換為微弱電壓信號(hào)再經(jīng)過前置放大后。在各自的鎖相放大器中，三路信號(hào)分別經(jīng)過濾交流放大、帶通濾波、相敏檢波、低通濾波后，再通過一個(gè)除法器將其中的兩路信號(hào)得到兩路信號(hào)的比值，然后和第三路信號(hào)共同送到cpu中進(jìn)行采集及處理。 圖3.1 鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)總框圖3.1 調(diào)制光源激勵(lì)電路 調(diào)制光源激勵(lì)電路是用來為光電管提供一個(gè)100khz的矩形方波信號(hào)的，此信號(hào)一方面可以作為光源的激勵(lì)信

29、號(hào)，最終被轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)從而作為載波信號(hào)；另一方面是作為后面相敏檢波的參考信號(hào)。在此選用ne555時(shí)基集成芯片，用它組成的脈沖振蕩電路，占空比是可調(diào)的。如圖3.2所示，ne555芯片3腳為輸出端，輸出電流大約20ma左右，此電流不能直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，因此必須要加入驅(qū)動(dòng)級(jí)或者功放級(jí)。在這里選用的是門驅(qū)動(dòng)電路75451來實(shí)現(xiàn)的，通過驅(qū)動(dòng)級(jí)后，能夠獲得的輸出電流大概為100ma，而后再接入發(fā)光部件，經(jīng)由改變電位器r100，進(jìn)而就可以改變發(fā)光的強(qiáng)弱。此處所用的發(fā)光部件是采用惠普公司的hfbr-15x7發(fā)光模塊，其內(nèi)部含有一個(gè)波長(zhǎng)650nmled。圖3.2 調(diào)制光源激勵(lì)電路3.2 光電轉(zhuǎn)換及前置放大電

30、路相對(duì)與發(fā)光模塊，選用的是惠普公司的hfbr-25x6接收模塊作為光電轉(zhuǎn)換器件，在內(nèi)部，有跨阻前置放大電路和一個(gè)pin光電二極管。能夠?qū)⒔邮盏降墓庑盘?hào)經(jīng)過hfbr-25x6接收模塊改變?yōu)槟M電壓信號(hào)，繼而此模擬電壓信號(hào)再通過選用t型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例放大電路。選用t型反饋網(wǎng)絡(luò)，是為了代替反向比例放大電路的，避免大阻值電阻穩(wěn)定性差帶來放大比例不穩(wěn)。其等效阻值為： （3-1） 放大比例為： （3-2） 電路圖如圖3.3所示。圖3.3 光電轉(zhuǎn)換及前置放大電路3.3 帶通濾波電路相對(duì)噪聲的功率譜密度，有效信號(hào)的功率譜密度較窄，而帶通濾波器只會(huì)讓一部分噪聲經(jīng)過，于是說噪聲濾波器能夠在一定程度上優(yōu)化信噪比

31、。其電路圖如圖3.4所示：圖3.4 帶通濾波電路3.4 鎖相放大電路 鎖相放大技術(shù)是基于互相關(guān)原理的一種微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，鎖相放大器由輸入信號(hào)通道，參考信號(hào)通道以及相敏檢波三部分組成。輸入信號(hào)通道首先對(duì)初始信號(hào)進(jìn)行初步的選頻放大和窄帶濾波，參考信號(hào)通道通過移相和鎖相提供與輸入信號(hào)相同頻率和相同相位的參考信號(hào)，然后由乘法器實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)和參考信號(hào)的相乘，得到兩者的和頻等差，經(jīng)過低通濾波器后得到與輸入信號(hào)幅值正相關(guān)的直流輸出信號(hào)。3.4.1 相敏檢波電路 鎖相放大技術(shù)的核心部分就是相敏檢波電路，它的作用是實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)和輸入信號(hào)的相乘運(yùn)算。在此選用集成芯片ad630，它是一種高精度平衡調(diào)制解調(diào)器，利用

32、它組建了開關(guān)型相敏檢波器。它由運(yùn)算放大器，比較器，和積分放大器等幾個(gè)部分構(gòu)成。在采用其組建的開關(guān)型相敏檢波器中，管腳9接參考方波信號(hào)方波，它與恒定電壓（接在管腳10）做比較，為了控制電子驅(qū)動(dòng)開關(guān)c。當(dāng)參考信號(hào)電平高，電子驅(qū)動(dòng)開關(guān)c連接x(t)；當(dāng)參考信號(hào)電平低，電子驅(qū)動(dòng)開關(guān)c連接-x(t)，從而完成了輸入信號(hào)x(t)與參考方波信號(hào)r(t)的乘法運(yùn)算。其電路圖如圖3.5所示。圖3.5 相敏檢測(cè)及低通濾波電路3.4.2 低通濾波電路 低通濾波電路選用了二階壓控電壓源低通濾波電路，它是由rc濾波電路與同相比例放大電路所構(gòu)成的，將負(fù)反饋加在反相輸入端，正反饋加在同相輸入端入。當(dāng)信號(hào)是直流，cl趨于無窮

33、大；信號(hào)頻率越大，c2電抗越小，up(s)就越小，于是能夠確保當(dāng)時(shí)，增大電壓的放大倍數(shù)值，又不會(huì)由于正反饋過強(qiáng)而引發(fā)自激振蕩。其電路圖如圖3.5所示。3.4.3 移相電路 移相電路是鎖相放大技術(shù)關(guān)鍵電路之一，它的作用是改變參考信號(hào)(方波信號(hào))的相位，由于輸入的信號(hào)與參考信號(hào)雖然具有相同頻率但存在一定相位差時(shí)，輸出信號(hào)的大小與相位差隨相位差的余弦而變化，通過移相電路進(jìn)行相位調(diào)整呵以讓輸出信號(hào)達(dá)到最大。其電路圖如圖3.6所示。圖3.6 移相電路 此處選用的是鎖相環(huán)集成芯片cd4046，由它構(gòu)成連續(xù)可調(diào)的移相電路，其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只需要兩個(gè)運(yùn)算放大器及少量的外圍器件。它的工作原理是：在鎖相環(huán)的環(huán)

34、路濾波器輸出上疊加一個(gè)外加的控制電壓，再作用于壓控振蕩器上，得到輸出信號(hào)，在環(huán)路鎖定的情況下，改變控制電壓，可以使得輸入/輸出信號(hào)的相移與控制電壓成線性關(guān)系。3.5 除法運(yùn)算電路經(jīng)過鎖相放大以后，能夠獲得三路直流信號(hào)，在這里將其中的兩路送入除法器中完成雙光纖補(bǔ)償法，得到最后的信號(hào)。在此采用芯片ad534，這是一個(gè)高速，低成本的放大器和tl074ac優(yōu)良的直流參數(shù)的優(yōu)化，它是一四型低噪聲輸入通用運(yùn)算放大器，從而構(gòu)成一個(gè)分頻電路，如圖3.7所示： 圖3.7 除法運(yùn)算電路圖中的第一環(huán)通過相敏檢波和低通濾波后的信號(hào)，連接芯片x1；sc2為第二圈通過相敏檢波及低通濾波后的信號(hào)，與芯片z1管腳連接。該ad

35、534芯片的y2輸入管腳與輸出管腳相連，輸出信號(hào)將滿足以下關(guān)系： （3-3）然后接地z2/x2，輸出信號(hào)為： （3-4）為了實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的除法運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)幅度的調(diào)整可以使用y1引腳外接可調(diào)電壓，信號(hào)從輸出引腳通過隨后的擴(kuò)增可作為cpu的輸入信號(hào)。3.6 數(shù)據(jù)的采集與處理 在此選用cygnal公司的c8051f020系統(tǒng)級(jí)單片機(jī) ，它含有一個(gè)12位的a/d轉(zhuǎn)換器和一個(gè)8位的a/d轉(zhuǎn)換器和一個(gè)雙12位的d/a轉(zhuǎn)換器，8個(gè)i/o端口共64根i/o線，4352b的ram，5個(gè)16位的通用定時(shí)器。c8051f020還支持時(shí)鐘。經(jīng)過除法電路后的信號(hào)以及第三圈光纖經(jīng)過相敏檢波及低通濾波之后的信號(hào)，需要

36、通過cpu上的寄存器通道ain0.0和ain0.1把信號(hào)傳入cpu，以供cpu進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換處理。3.6.1 電源電路如圖3.8所示。 圖3.8 電源電路3.6.2 外部晶振電路 c8051f020單片機(jī)有一個(gè)里面振蕩器和一個(gè)外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路都能夠形成系統(tǒng)時(shí)鐘。外部晶振必需一個(gè)外部諧振器或者并行形式的晶振或電容或rc網(wǎng)絡(luò)，連接到xtal1和xtal2之間。兩引腳不耐+5v電壓，電壓應(yīng)保持在av+與agnd之間。如圖3.9所示。 圖3.9 外部晶振電路 3.6.3 復(fù)位電路 如圖3.10所示。圖3.10 復(fù)位電路3.6.4 串口通訊 單片機(jī)的串口是ttl電平，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需

37、要將ttl電平轉(zhuǎn)換成rs232電平。選定的max232acpe芯片，+5v電源電壓，額外的電源供應(yīng)的需要，除了該芯片包含兩個(gè)輸入輸出，但這里只有一條路。電路圖如圖3.11所示。 圖3.11 rs232串口通訊接口電路 3.6.5 jtag接口電路 c8051f020單片機(jī)具備片內(nèi)jtag邊界掃描和調(diào)試電路，4引腳的jtag接口和使用產(chǎn)品的裝置安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)可以調(diào)試系統(tǒng)的非侵入性，全速。jtag接口4腳為：tms、tck、tdi和tdo，它們表示測(cè)試模式、測(cè)試時(shí)鐘、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。其接口電路如圖3.12所示。圖3.12 jtag 接口電路3.6.6 鍵盤及顯示 在此用四位一體的共

38、陽(yáng)級(jí)數(shù)碼管作為顯示，通過并行的4路開關(guān)來控制。采用74hc138解碼作為4輸出多路復(fù)用器，未使用的使能端必須在他們的相應(yīng)的高電平或低有效狀態(tài)。如圖3.13所示。圖3.13 鍵盤及顯示 4. 結(jié) 論 （1）鋼球表面檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的工作流程大體可以分為進(jìn)球，展開及分選三大部分，其中鋼球的展開機(jī)構(gòu)是最為重要的步驟，在此主要是對(duì)鋼球的展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析研究：鋼球展開機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，采用了單驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯展開方式；經(jīng)緯展開運(yùn)動(dòng)軌跡的分析，用激光束進(jìn)行掃描，掃描點(diǎn)在水平方向做擺動(dòng)，同時(shí)又在垂直方向上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；分析了展開輪的結(jié)構(gòu)以及工作原理，展開機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)件包括展開輪、被測(cè)鋼球以及主動(dòng)輪，展開輪的兩側(cè)面為非對(duì)稱分

39、布，從而使得被測(cè)鋼球的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)成橢圓錐面；展開輪兩側(cè)面的加工原理，用圓臺(tái)形砂輪來代替被測(cè)鋼球，實(shí)現(xiàn)展開輪兩側(cè)面的加工, 就可以轉(zhuǎn)變到設(shè)計(jì)砂輪形狀以及實(shí)現(xiàn)其主運(yùn)動(dòng)與擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。 （2）在此利用基于調(diào)制技術(shù)和鎖相放大技術(shù)，分析并設(shè)計(jì)了鋼球表面缺陷信號(hào)處理系統(tǒng)，其中包括激勵(lì)光源驅(qū)動(dòng)電路，光電轉(zhuǎn)換及前置放大電路，窄帶濾波電路，相敏檢波電路及低通濾波電路，移相電路，除法運(yùn)算電路，還有利用c8051f020單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及處理，設(shè)計(jì)了電源電路、外部晶振電路、復(fù)位電路、串口通訊、jtag接口電路、鍵盤及顯示等。通過鎖相放大技術(shù)，可以大大提高信噪比，從而消除掉由于展開機(jī)構(gòu)的振動(dòng)等因素而產(chǎn)生的噪聲，

40、進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)鋼球表面缺陷的自動(dòng)檢測(cè)。參 考 文 獻(xiàn)1 yue yang, kazuo yamazaki, hideki aoyama, sadayuki matsumiya.fiber optic surface topography measurement sensor and its design studyj.precision engineering ,2000,24 : 32402 s. binua, v.p. mahadevan pillai, n. chandrasekaran. fiber optic displacement sensor for the measurement of amplitude and frequency of vibrationj.optics & laser technology , 2007,39 :153715433劉橋方，嚴(yán)楓我國(guó)軸承制造技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)j軸承，2005(6)：42-454中國(guó)鋼球網(wǎng)信息中心我國(guó)鋼球制造技術(shù)現(xiàn)狀與展望dhttp：/china.tooclecorn/cbna/item/20081017/3945818html,20085楊欣，胡景姝. plc在鋼球表面檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用d.一重技術(shù)，計(jì)算機(jī)