【文章內容簡介】 開輪機構中，它的運動件包括展開輪、被測鋼球和主 動輪。展開輪的結構如圖 所示。 濟南大學畢業(yè)設計 6 圖 展開輪結構 其中 A、 B 分別 為鋼球與展開輪的接觸點， OA、 OB 分別 為展開輪的瞬時母線，OA 垂直于 OB(即展開輪的兩個側面夾角保持固定的 90 度 )， AB 的 連線與轉動軸的夾角為 a。 隨著展開輪的繞著轉軸的轉動， OA、 OB 將 會產生偏轉，即展開輪側面發(fā)生偏轉，這會使得兩個接觸點 AB 的連線與展開輪轉動軸之間的夾角 a 發(fā)生改變， a又 為時間的正弦函數，它可以表示為： ? ? ? ?wtt sin?? （ 21） 接觸點 A 和 B 的瞬時速度分別表示為 ： ? ?? ?aRLwV A ??? 45c o s （ 22） ? ?? ?aRLwV B ??? 45s in （ 23） 相對鋼球旋轉軸，作為展開輪，它的的角速度分別表示為 ： ? ?? ? ? ?aRaRLww A ???? 45c o s45c o s （ 24） ? ?? ? ? ?aRaRLww B ???? 45s in45s in （ 25） 當 t=0，則展開輪與鋼球的旋轉軸二者是平行的 ，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，鋼球旋轉軸將逐漸發(fā)生傾斜，最終其到達最大極值的傾斜角度，然后傾斜角 a開始減小，直到到達反向的平衡位置， a=0， WA=WB；接著反向傾斜， a小于 0， WA 小于 WB，最終其到達最大極值得傾斜角度，繼而傾斜角度將會漸漸地減小，最終回到原來的正向初始位置，這樣地往復運動。在鋼球檢測中 a轉動一周存在 ??2 的 變化范圍，展開輪的兩個側面為非對稱的 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。有了這種特殊的結構，在展開輪的作用下，被檢測鋼球既做正旋轉運動，又做側旋轉運動，從而實現鋼球的全面展開 。 濟南大學畢業(yè)設計 7 展開輪的設計 如圖 ，為鋼球表面展開機構的機械圖。 圖 鋼球表面展開機構 從圖中可以看出，鋼球表面展開機構中有驅動輪、展開輪、壓緊輪、激光器、振動傳感器，壓緊輪支架，激光器支架及底座，展開輪支架，機器支架，還有很多的螺釘、螺栓和螺母。 圖 。 濟南大學畢業(yè)設計 8 圖 展開輪 圖 為激光器的支架及底座。 圖 （ a） 激光器側向支架 圖 （ b） 激光器底座 濟南大學畢業(yè)設計 9 3 信號處理系統(tǒng)分析及設計 在鋼球檢測系統(tǒng)中，鋼球支撐件以及傳感器周期性微弱振動對信號的影響非常大，這會使信號很容易被這種環(huán)境噪聲所淹沒，導致光電轉換后的測量信號信噪比非常小，因此說僅僅對信號進行前置放大是遠遠不夠的，必須采取微弱光電信號處理方法來增強信號，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、光子計數技術、鎖相放大技術 ??9 。其中鎖相放大技術，處理電路比較簡單，它只對被測信號與參考信號相同頻率相同相位的信號分量有響應，可以很大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設計來鋼球表面缺陷信號處理系統(tǒng)。 為了實現鎖相放大，必須對光源發(fā)出的光進行斬光或者調制 ??10 ，因此與靜態(tài)試驗中使用的恒功率驅動不同，本論文設計的光源發(fā)出的是脈沖光，通過發(fā)射光纖照射到被測鋼球表面 (調制區(qū) )，反射后，表面形 貌 (紋理粗糙程度等因素 )引起光的強度幅值發(fā)生變化，從而將此脈沖光變成了被調制的信號光并被探測器接收，接下來只要對此信號進行解調就可以獲得與表面形貌相對應的信號。這樣就將信號由低頻范圍遷移到設定的高頻范圍，從而避開低頻噪聲的不利影響，檢測系統(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對其進行檢測。 信號處理系統(tǒng)總體方案如圖 ，激勵光源調制電路可以產生固定頻率的方波，將此方波作為系統(tǒng)的載波信號，通過驅動電路提供足夠大的電流，驅動光源發(fā)出穩(wěn)定的脈沖光進入發(fā)射光纖。三個相同的 PIN光 電探測器分別接收三路光信號由接收光纖束發(fā)出出的，轉換為微弱電壓信號再經過前置放大后。在各自的鎖相放大器中，三路信號分別經過濾交流放大、帶通濾波、相敏檢波、低通濾波后，再通過一個除法器將其中的兩路信號得到兩路信號的比值，然后和第三路信號共同送到 CPU中進行采集及處理。 濟南大學畢業(yè)設計 10 圖 鋼球表面質量檢測信號處理系統(tǒng)總框圖 調制光源激勵電路 調制光源激勵電路是用來為光電管提供一個 100KHZ的矩形方波信號的，此信號一方面可以作為光源的激勵信號，最終被轉換為脈沖信號從而作為載 波信號；另一方面是作為后面相敏檢波的參考信號。在此選用 NE555時基集成芯片，用它組成的脈沖振蕩電路，占空比是可調的。如圖 ， NE555芯片 3腳為輸出端，輸出電流大約20mA左右，此電流不能直接驅動發(fā)光二極管，因此必須要加入驅動級或者功放級。在這里選用的是門驅動電路 75451來實現的，通過驅動級后，能夠獲得的輸出電流大概為 100mA，而后再接入發(fā)光部件，經由改變電位器 R100，進而就可以改變發(fā)光的強弱。此處所用的發(fā)光部件是采用惠普公司的 HFBR15X7發(fā)光模塊，其內部含有一個波長 650nmLED。 濟南大學畢業(yè)設計 11 R4T R I G2C V ol t5GND1T H R6D I S7Q3VCC8U 28N E 555C 280. 01uFC 601nFD1D I O D ED2D I O D ER 108620R 109620R / 1100R 1510081243U 29D S 75451R 110 100AN1C A T H2G N D3G N D4G N D5G N D8U 3015X 7R82KR 11127C 6110uF+ 12f a ngbo 圖 調制光源激勵電路 光電轉換及前置放大電路 相對與發(fā)光模塊，選用的是惠普公司的 HFBR25X6接收模塊作為光電轉換器件，在內部，有跨阻前置放大電路和一個 PIN光電二極管。 能夠將 接收到的光信號經過HFBR25X6接收模塊 改變?yōu)槟M電壓信號，繼而此模擬電壓信號再通過選用 T型反饋網絡的反相比例放大電路。選用 T型反饋網絡，是為了代替反向比例放大電路的 fR ，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： KR RRRRRRR f 322 222022212120 ???? （ 31） 放大比例為 ： 23227 2220222121200 ?????? RR RRRRRRUU i （ 32） 電路圖如圖 。 濟南大學畢業(yè)設計 12 V C C4G N D3G N D2S I G1G N D8G N D5U12 5 X 6R247R147R72KC 2 50 . 0 1 u FC10 . 1 u FC 3 60 . 4 7 u F 746+32U4A D 8 2 5C20 . 1 u FC30 . 1 u FR 1 21 0 0R 1 11 0 0R 2 01KR 2 21K+55R 2 11K 圖 光電轉換及前置放大電路 帶通濾波電路 相對噪聲的功率譜密度，有效信號的 功率譜密度較窄，而帶通濾波器只會讓一部分噪聲經過，于是說噪聲濾波器能夠在一定程度上優(yōu)化信噪比。其電路圖如圖 示： R 3 6R 3 9R 3 8C 4 3C 4 8C 4 2R 3 7C 4 9+32467U 1 1A D 8 2 5+ 1 2 1 2 圖 帶通濾波電路 鎖相放大電路 鎖相放大技術是基于互相關原理的一種微弱信號檢測技術，鎖相放大器由輸入 濟南大學畢業(yè)設計 13 信號通道，參考信號通道以及相敏檢波三部分組成。輸入信號通道首先對初始信號進行初步的選頻放大和窄帶濾波，參考信號通道通過移相和鎖相提供與輸入信號相同頻率和相同相位的參考信號，然后由乘法器實現輸入信號和參考信號的相乘，得到兩者的和頻等差，經過低通濾 波器后得到與輸