钢球表面质量检测系统设计毕业设计说明书

济南大学毕业设计毕业设计题 目 钢球表面质量检测系统设计 - 1 -济南大学毕业设计摘 要 轴承的精确度、运动性能和使用寿命, 在很大的程度上都是取决于其中钢球的质量的, 所以在钢球的生产中对成品钢球的表面缺陷进行检测是十分重要的。目前, 国内各轴承企业以及钢球厂家对于钢球表面质量的检测大多采用传统的人工目视的方法，这种方法容易受到检测工人的技术水平、责任心、劳累程度等不稳定因素的影响, 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比存在着较大的差距，造成这种差距的原因之一就是钢球表面质量检测技术的落后。随着轴承行业对钢球表面质量要求的不断提高,开发一种价格适宜，速度及效率高的钢球表面质量自动检测装置就变得非常重要。 本文中提出的基于光纤传感技术的钢球表面缺陷检测研究是以钢球表面缺陷为研究对象，研究钢球表面缺陷的自动检测技术，目的就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法，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陷信号处理系统，包括激光激励驱动电路、窄带滤波电路、相敏检波电路、移相电路、除法运算电路；采用的是C8051F020单片机用来进行信号采集及处理，包括其电源电路、外部晶振电路、复位电路、串口通讯、JTAG接口电路、键盘及显示。关键词：钢球；表面缺陷；系统设计；展开机构 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 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 instability, 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 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 optical 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, developed 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 processing 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 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 录摘要. .IABSTRACT II1 前言.11.1研究背景及意义.11.2 国内外钢球表面质量检测装置的研究现状.21.3设计内容.32 钢球表面展开机构分析及设计.42.1 钢球展开机构的实现方法42.2 经纬展开运动轨迹分析.52.3 展开轮结构及工作原理.52.4展开轮的设计.73 信号处理系统分析及设计.93.1 调制光源激励电路103.2 光电转换及前置放大电路.113.3带通滤波电路.123.4 锁相放大电路.123.4.1 相敏检波电路.133.4.2 低通滤波电路.133.4.3移相电路.143.5 除法运算电路.143.6 数据的采集与处理.153.6.1电源电路.163.6.2 外部晶振电路.163.6.3复位电路.163.6.4串口通讯.173.6.5 JTAG接口电路.183.6.6键盘及显示.184 结论.20参考文献.21致谢.22- III -1 前言1.1 研究背景及意义球轴承是一种基本的组成部分，在机械行业中是非常重要的，球的滚动轴承，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，表面缺陷对钢球表面质量缺陷的影响是明显的，因为球会引起轴承振动的脉冲式，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陷的尺寸相关，钢球表面缺陷越大，球轴承的振动幅度就越大。根据统计数据可以知道：在各种各样的球轴承的失效形式中，由于故障所造成的表面缺陷的钢铁高达80%。因此说要想使得球轴承质量提高，减少钢球表面缺陷是非常重要的。跟着钢球行业制造工艺水平的不断提高，在一定程度上，钢球外貌缺陷的数目和品种有了较好的控制，但为了保证钢球表面质量不能全球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，与国外同级别的相比国产钢球表面质量仍旧有较大的差异。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使用的比例高达77，而在国外仅为35，因此国内还需大量进口很多高品质钢球及轴承。钢球检测技术的落伍是造就这类差距的重要原因之一：在国外的不少发达国家已经广泛的使用钢球表面质量自动检测仪器，而在国内众多厂家现在对钢球表面缺陷进行检测还只是普遍采用传统的目测法，由于人的眼睛很容易疲劳在日光灯下长时间观察光洁度很高的钢球，不仅误检率及漏检率很高，而且对人眼的健康损伤很大。就现况来看，对球轴承的质量要求也越来越严格，在对可靠性要求高的行业以及重载荷、高速度、危险系数高的场合，球轴承需要达到无缺陷标准的要求，最基本的使用条件就是钢球全面检查，这就使国内钢球产品在国外同类高品质产品显得较弱，也促使这类检测设备必须要被国内钢球生产厂家进口，该设备没有被广泛介绍，因为其价格昂贵，而且维修不便。可以说是制约中国钢滚珠和轴承行业是球质量检测技术落后的发展的重要因素，关键是要发展一种钢球表面质量检测设备，它不仅是一个价格适中，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。1.2 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。但由于这些仪器一般都是较高的价格，所以难以在国内进行推广使用。与国外相比，国内还主要停留在检测钢球的整体原理或展开方法某一方面的探索阶段，目前还没有针对钢球表面缺陷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效果可以算是最好的，该产品已成为世界的专利产品，其可对钢球的表面缺陷进行全面检测。该产品结构紧凑、操作方便、检测效率高，同时又可以把各种表面缺陷进行分类统计，形成信息化，因此它也是得到最成功应用的产品。其次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，其由四大部分组成：传感器的检测系统、钢球表面展开系统、信号处理和控制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过程中都能够被检测到而设计的装置。传感器部分的作用是进行钢球表面缺陷的识别，并将识别的结果传送到控制器中，然后进行合格品和不合格品得分类。AVIKO 系列产品由于其价格昂贵，核心技术相对封锁，而且不易维护，检测成本又很高，所以只能用于检测部分要求很高的产品。在这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更换一次展开轮，但是每个展开轮的价格及其昂贵，并且只能从国外进口引用，检测的成本就显著增加了，因此国内将此类机器多用于检测航天、国防等所需的高精度钢球方面，从而使得大多数时间检测设备都处于闲置状态。 日本的大旺钢球表面缺陷自动检测机，它是通过非接触式光学探伤方式来检测钢球表面缺陷及其表面粗糙度的，依靠33个传感器对球面进行全面检测，这种方式不会产生误检，而且产品的质量也很容易保证。机器的检测原理：接受光照射位置相对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获，继而通过集成电路来判断钢球质量的优劣，并将钢球进行自动振动使其隔开。该仪器是最大的优势是，它可以测试成品钢的球，因为测试可以在注入条件做了。其缺点是成本过高，而且由于检测方式是点扫描的方式，所以其效率较低。 （2）国内研究现状 对于钢球检测原理和方法的研究，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索和研究。近些年来，国内研制的钢球表面缺陷检测仪器大都是采用了涡流检测技术、光电检测与CCD图像处理技术以及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，但对其它缺陷检测方面灵敏度就相对较低；而光电检测与CCD图像处理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陷的检测，而且灵敏度又相对较高的钢球表面缺陷自动化检测设备。1.3 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发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。与传统检测技术相比，光纤传感检测技术具备灵敏度高、响应速度快、动态局限大、抗电磁干扰等优点。基于当前国内外钢球外貌缺陷检测方式的研究，联系企业生产的现实情况，在此将基于光纤传感检测技术用来检测钢球的表面缺陷，其设计内容包含以下： （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法，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） 为了削弱钢球外貌缺陷检测体系大概存在的噪声，使用基于调制技术和锁相放大技术，分析并设计钢球表面缺陷信号处理系统，其中包含调制光源激励电路，光电转换及前置放大电路，带通滤波电路，相敏检波及低通滤波电路，移相电路，除法运算电路，信号的采集及处理电路等。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、展开和分选三个部分的工作流程。钢球表面质量检测机械系统的工作流程如图2.1所示，其中最为关键的是钢球表面展开机构部分。图2.1. 钢球表面质量检测机械系统工作流程2.1 钢球展开机构的实现方式对于钢球表面进行展开，这里选用的是单驱动经纬的展开方法，如图2.2所示。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。那么经过一定的时间间隔，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，从而钢球就可以得到全面的展开。图2.2 单驱动经纬展开机构2.2 经纬展开运动轨迹分析做个设想，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被实现，然而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一定角度，这将会造成不连续的进给运动，此方式比较难实现。图2.3 经纬展开轨迹示意图为了保持连续的进给运动，那么进行扫描的时候就不能只完全沿着经线。如图2.3所示：激光扫描斑点开始移动于沿着经度为L的经线，从南极点出发，当经过赤道的时候，扫描斑点已经偏移到经线L和L+n的中间位置，扫描斑点在到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+n180的经线相切，然后再穿过赤道，沿着L+2n180经线到达南极点，如此循环，最终将实现钢球表面的完全展开。2.3 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。展开轮的结构如图2.4所示。图2.4 展开轮结构 其中A、B分别为钢球与展开轮的接触点，OA、OB分别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保持固定的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又为时间的正弦函数，它可以表示为： （2-1）接触点A和B的瞬时速度分别表示为： （2-2） （2-3）相对钢球旋转轴，作为展开轮，它的的角速度分别表示为： （2-4） （2-5） 当t=0，则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，钢球旋转轴将逐渐发生倾斜，最终其到达最大极值的倾斜角度，然后倾斜角a开始减小，直到到达反向的平衡位置，a=0，WA=WB；接着反向倾斜，a小于0，WA小于WB，最终其到达最大极值得倾斜角度，继而倾斜角度将会渐渐地减小，最终回到原来的正向初始位置，这样地往复运动。在钢球检测中a转动一周存在的变化范围，展开轮的两个侧面为非对称的V型锥面就是由于这种夹角的变化而形成的，展开轮两侧与钢球的接触线分别为余弦和正弦曲线。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。2.4 展开轮的设计 如图2.5所示，为钢球表面展开机构的机械图。图2.5 钢球表面展开机构 从图中可以看出，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，机器支架，还有很多的螺钉、螺栓和螺母。图2.6为展开轮的结构。图2.6 展开轮图2.7 为激光器的支架及底座。图2.7（a） 激光器侧向支架图2.7（b） 激光器底座3 信号处理系统分析及设计 在钢球检测系统中，钢球支撑件以及传感器周期性微弱振动对信号的影响非常大，这会使信号很容易被这种环境噪声所淹没，导致光电转换后的测量信号信噪比非常小，因此说仅仅对信号进行前置放大是远远不够的，必须采取微弱光电信号处理方法来增强信号，减弱噪声，改善信噪比。常用的改善信噪比方法有：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，处理电路比较简单，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，可以很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陷信号处理系统。 为了实现锁相放大，必须对光源发出的光进行斩光或者调制，因此与静态试验中使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)引起光的强度幅值发生变化，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可以获得与表面形貌相对应的信号。这样就将信号由低频范围迁移到设定的高频范围，从而避开低频噪声的不利影响，检测系统也就变为交流系统，接下来就可以利用锁相放大技术对其进行检测。 信号处理系统总体方案如图3.1所示，激励光源调制电路可以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，驱动光源发出稳定的脉冲光进入发射光纤。三个相同的PIN光电探测器分别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经过前置放大后。在各自的锁相放大器中，三路信号分别经过滤交流放大、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得到两路信号的比值，然后和第三路信号共同送到CPU中进行采集及处理。 图3.1 钢球表面质量检测信号处理系统总框图3.1 调制光源激励电路 调制光源激励电路是用来为光电管提供一个100KHZ的矩形方波信号的，此信号一方面可以作为光源的激励信号，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。如图3.2所示，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，因此必须要加入驱动级或者功放级。在这里选用的是门驱动电路75451来实现的，通过驱动级后，能够获得的输出电流大概为100mA，而后再接入发光部件，经由改变电位器R100，进而就可以改变发光的强弱。此处所用的发光部件是采用惠普公司的HFBR-15X7发光模块，其内部含有一个波长650nmLED。图3.2 调制光源激励电路3.2 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经过HFBR-25X6接收模块改变为模拟电压信号，继而此模拟电压信号再通过选用T型反馈网络的反相比例放大电路。选用T型反馈网络，是为了代替反向比例放大电路的，避免大阻值电阻稳定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） 电路图如图3.3所示。图3.3 光电转换及前置放大电路3.3 带通滤波电路相对噪声的功率谱密度，有效信号的功率谱密度较窄，而带通滤波器只会让一部分噪声经过，于是说噪声滤波器能够在一定程度上优化信噪比。其电路图如图3.4所示：图3.4 带通滤波电路3.4 锁相放大电路 锁相放大技术是基于互相关原理的一种微弱信号检测技术，锁相放大器由输入信号通道，参考信号通道以及相敏检波三部分组成。输入信号通道首先对初始信号进行初步的选频放大和窄带滤波，参考信号通道通过移相和锁相提供与输入信号相同频率和相同相位的参考信号，然后由乘法器实现输入信号和参考信号的相乘，得到两者的和频等差，经过低通滤波器后得到与输入信号幅值正相关的直流输出信号。3.4.1 相敏检波电路 锁相放大技术的核心部分就是相敏检波电路，它的作用是实现参考信号和输入信号的相乘运算。在此选用集成芯片AD630，它是一种高精度平衡调制解调器，利用它组建了开关型相敏检波器。它由运算放大器，比较器，和积分放大器等几个部分构成。在采用其组建的开关型相敏检波器中，管脚9接参考方波信号方波，它与恒定电压（接在管脚10）做比较，为了控制电子驱动开关C。当参考信号电平高，电子驱动开关C连接X(t)；当参考信号电平低，电子驱动开关C连接-X(t)，从而完成了输入信号X(t)与参考方波信号R(t)的乘法运算。其电路图如图3.5所示。图3.5 相敏检测及低通滤波电路3.4.2 低通滤波电路 低通滤波电路选用了二阶压控电压源低通滤波电路，它是由RC滤波电路与同相比例放大电路所构成的，将负反馈加在反相输入端，正反馈加在同相输入端入。当信号是直流，Cl趋于无穷大；信号频率越大，C2电抗越小，Up(s)就越小，于是能够确保当时，增大电压的放大倍数值，又不会由于正反馈过强而引发自激振荡。其电路图如图3.5所示。3.4.3 移相电路 移相电路是锁相放大技术关键电路之一，它的作用是改变参考信号(方波信号)的相位，由于输入的信号与参考信号虽然具有相同频率但存在一定相位差时，输出信号的大小与相位差随相位差的余弦而变化，通过移相电路进行相位调整呵以让输出信号达到最大。其电路图如图3.6所示。图3.6 移相电路 此处选用的是锁相环集成芯片CD4046，由它构成连续可调的移相电路，其结构相对比较简单，只需要两个运算放大器及少量的外围器件。它的工作原理是：在锁相环的环路滤波器输出上叠加一个外加的控制电压，再作用于压控振荡器上，得到输出信号，在环路锁定的情况下，改变控制电压，可以使得输入/输出信号的相移与控制电压成线性关系。3.5 除法运算电路经过锁相放大以后，能够获得三路直流信号，在这里将其中的两路送入除法器中完成双光纤补偿法，得到最后的信号。在此采用芯片AD534，这是一个高速，低成本的放大器和TL074AC优良的直流参数的优化，它是一四型低噪声输入通用运算放大器，从而构成一个分频电路，如图3.7所示： 图3.7 除法运算电路图中的第一环通过相敏检波和低通滤波后的信号，连接芯片X1；SC2为第二圈通过相敏检波及低通滤波后的信号，与芯片Z1管脚连接。该AD534芯片的Y2输入管脚与输出管脚相连，输出信号将满足以下关系： （3-3）然后接地Z2/X2，输出信号为： （3-4）为了实现两路信号的除法运算，实现输出信号幅度的调整可以使用Y1引脚外接可调电压，信号从输出引脚通过随后的扩增可作为CPU的输入信号。3.6 数据的采集与处理 在此选用Cygnal公司的C8051F020系统级单片机 ，它含有一个12位的A/D转换器和一个8位的A/D转换器和一个双12位的D/A转换器，8个I/O端口共64根I/O线，4352B的RAM，5个16位的通用定时器。C8051F020还支持时钟。经过除法电路后的信号以及第三圈光纤经过相敏检波及低通滤波之后的信号，需要通过CPU上的寄存器通道AIN0.0和AIN0.1把信号传入CPU，以供CPU进行A/D转换处理。3.6.1 电源电路如图3.8所示。 图3.8 电源电路3.6.2 外部晶振电路 C8051F020单片机有一个里面振荡器和一个外部振荡器驱动电路，每个驱动电路都能够形成系统时钟。外部晶振必需一个外部谐振器或者并行形式的晶振或电容或RC网络，连接到XTAL1和XTAL2之间。两引脚不耐+5V电压，电压应保持在AV+与AGND之间。如图3.9所示。 图3.9 外部晶振电路 3.6.3 复位电路 如图3.10所示。图3.10 复位电路3.6.4 串口通讯 单片机的串口是TTL电平，所以在实际应用时，需要将TTL电平转换成RS232电平。选定的MAX232ACPE芯片，+5V电源电压，额外的电源供应的需要，除了该芯片包含两个输入输出，但这里只有一条路。电路图如图3.11所示。 图3.11 RS232串口通讯接口电路 3.6.5 JTAG接口电路 C8051F020单片机具备片内JTAG边界扫描和调试电路，4引脚的JTAG接口和使用产品的装置安装在最终应用系统可以调试系统的非侵入性，全速。JTAG接口4脚为：TMS、TCK、TDI和TDO，它们表示测试模式、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。其接口电路如图3.12所示。图3.12 JTAG 接口电路3.6.6 键盘及显示 在此用四位一体的共阳级数码管作为显示，通过并行的4路开关来控制。采用74HC138解码作为4输出多路复用器，未使用的使能端必须在他们的相应的高电平或低有效状态。如图3.13所示。图3.13 键盘及显示 4. 结 论 （1）钢球表面检测机械系统的工作流程大体可以分为进球，展开及分选三大部分，其中钢球的展开机构是最为重要的步骤，在此主要是对钢球的展开机构进行了分析研究：钢球展开机构的实现方法，采用了单驱动经纬展开方式；经纬展开运动轨迹的分析，用激光束进行扫描，扫描点在水平方向做摆动，同时又在垂直方向上做旋转运动；分析了展开轮的结构以及工作原理，展开机构的运动件包括展开轮、被测钢球以及主动轮，展开轮的两侧面为非对称分布，从而使得被测钢球的运动包络成椭圆锥面；展开轮两侧面的加工原理，用圆台形砂轮来代替被测钢球，实现展开轮两侧面的加工, 就可以转变到设计砂轮形状以及实现其主运动与摆动的运动机构上。 （2）在此利用基于调制技术和锁相放大技术，分析并设计了钢球表面缺陷信号处理系统，其中包括激励光源驱动电路，光电转换及前置放大电路，窄带滤波电路，相敏检波电路及低通滤波电路，移相电路，除法运算电路，还有利用C8051F020单片机进行数据的采集及处理，设计了电源电路、外部晶振电路、复位电路、串口通讯、JTAG接口电路、键盘及显示等。通过锁相放大技术，可以大大提高信噪比，从而消除掉由于展开机构的振动等因素而产生的噪声，进而能够实现钢球表面缺陷的自动检测。参 考 文 献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刘桥方，严枫我国轴承制造技术的现状及其发展趋势J轴承，2005(6)：42-454中国钢球网信息中心我国钢球制造技术现状与展望Dhttp：/china.toocleCorn/cbna/item/20081017/3945818Html,20085杨欣，胡景姝. PLC在钢球表面检测系统中的应用D.一重技术，计算机应用，20096徐长英,高春法,翁康静. 钢球表面检测系统的研究D.江西南昌：南昌航空工业学院 无损检测技术教育部重点实验室,20077Daio Steel Ball MfgCo，LtdSurface Inspection Apparatus of Spherical MatterP.USA：US5457326A,1995-10108潘洪平钢球表面质量自动评价体系建立及其应用的研究D哈尔滨：哈尔滨工业大学机械制造及其自动化，20009安毓英,曾晓东光电探测技术J西安：西安电子科技大学出版社，2004：79-9010江月松光电技术与实验J北京：北京理工大学出版社，2005：79-9011宋晓霞,杨建玺,徐红哲.钢球表面缺陷的机器视觉检测方法J.轴承，2010（5）：45-4812刘军,刘献礼,王鹏,王玉景,吴春亚. 钢球表面缺陷检测仪的嵌入式控制系统设计J.哈尔滨理工大学学报，2007,12（2）：44-4713娄世昌.钢球表面缺陷与钢球的光洁度、波纹度和圆度之间的关系及评定方法探讨J.轴承，1982(3):1-514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(7):31-3515朱龙彪,查莉,冷志海, 张庆生.钢球缺陷检测系统的研究J.机械设计造,2010(7):122-12416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）：75-7617张永奎.基于光纤传感技术的钢球表面缺陷检测研究D.济南：济南大学，201117龚凌云.基于虚拟样机的钢球检测设备研究及运动仿真D.武汉：湖北工业大学，机械制造及其自动化，200719武倩倩.微型钢球表面缺陷检测实现方法及其关键技术研究D.山东科技大学,流体机械与工程，201220武倩倩，杨前明，张华宇，谢计业.微型钢球表面展开和缺陷检测装置控制系统的设计J.应用科技，2012,39（4）：47-5021谢凤芹，肖林京，路亚鹏，张华宇.一种用于钢球表面缺陷检测的电涡流传感器研究J.传感器与微系统,2012,31（11）：34-39致 谢 首先非常诚挚的感谢我的导师李国平教授，从题目的选择到查阅资料，思路的确立，任务书、方案论证，再到展开机构的机械图及零件图的绘制，检测系统的电路设计，最后到说明书的编写等各个环节中，他都给我们定期做了详细的安排，才能使得毕业设计一步一步、有条不紊地进行，直到现在顺利地完成。李老师平时工作很忙，但他还是很负责任，认真的对我们每一阶段所做的内容进行指导和审查，他孜孜不倦的敬业精神、严谨的教学态度、丰厚的学术造诣对我影响极大，并将会使我终生受益，是我以后学习及工作的榜样。再次向李老师致以崇高的敬意和诚挚的感谢。 感谢闫龙华、刘军、孔凯、苗壮、尤鹏、杨毓贤、祁炳进等同组同学，在毕业设计期间与他们密切合作，相互探讨、学习以及进步，共同营造了团结互助、集思广益的学习氛围。 还要特别感谢一直关心和支持我的家人们，虽然和他们相隔甚远，但是他们的理解、厚爱与无私奉献是我前进的最大动力，使得我能够心无旁骛的顺利完成毕业设计。在以后的日子里，我会带着他们的期盼更加努力的学习和工作，我一定会好好地孝敬和报答他们的。 感谢所有给予过我帮助，支持我的每一个人。- 22 -