【文章內(nèi)容簡介】 檢測航天、國防等所需的高精度鋼球方面，從而使得大多數(shù)時間檢測設(shè)備都處于閑置狀態(tài)。 日本的大旺鋼球表面缺陷自動檢測機(jī)，它是通過非接觸式光學(xué)探傷方式來檢測鋼球表面缺陷及其表面粗糙度的，依靠33個傳感器對球面進(jìn)行全面檢測，這種方式不會產(chǎn)生誤檢，而且產(chǎn)品的質(zhì)量也很容易保證。機(jī)器的檢測原理：接受光照射位置相對于工件的旋轉(zhuǎn)變換的傳感器，傳感器會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)行自動振動使其隔開。該儀器是最大的優(yōu)勢是，它可以測試成品鋼的球，因為測試可以在注入條件做了。其缺點是成本過高，而且由于檢測方式是點掃描的方式，所以其效率較低。 （2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀 對于鋼球檢測原理和方法的研究，我國開始于1958年，然后由重慶大學(xué)、洛陽軸承研究所、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，國內(nèi)研制的鋼球表面缺陷檢測儀器大都是采用了渦流檢測技術(shù)、光電檢測與CCD圖像處理技術(shù)以及光電檢測技術(shù)等技術(shù)。其中渦流檢測技術(shù)在對鋼球裂紋的檢測方面靈敏度較高，但對其它缺陷檢測方面靈敏度就相對較低；而光電檢測與CCD圖像處理對鋼球裂紋的檢測方面其靈敏度又較低。因此，在鋼球市場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，而且靈敏度又相對較高的鋼球表面缺陷自動化檢測設(shè)備。 設(shè)計內(nèi)容光纖傳感檢測技術(shù)是一種新式的傳感技術(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的。與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，光纖傳感檢測技術(shù)具備靈敏度高、響應(yīng)速度快、動態(tài)局限大、抗電磁干擾等優(yōu)點?；诋?dāng)前國內(nèi)外鋼球外貌缺陷檢測方式的研究，聯(lián)系企業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)實情況，在此將基于光纖傳感檢測技術(shù)用來檢測鋼球的表面缺陷，其設(shè)計內(nèi)容包含以下： （1）分析鋼球表面檢測機(jī)械系統(tǒng)的工作流程，鋼球展開機(jī)構(gòu)的實現(xiàn)方法，經(jīng)緯展開運動軌跡的分析，展開輪的結(jié)構(gòu)及工作原理，展開輪的設(shè)計。（2） 為了削弱鋼球外貌缺陷檢測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)計鋼球表面缺陷信號處理系統(tǒng)，其中包含調(diào)制光源激勵電路，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，除法運算電路，信號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 鋼球外貌檢測機(jī)械系統(tǒng)大致能夠分為進(jìn)球、展開和分選三個部分的工作流程。，其中最為關(guān)鍵的是鋼球表面展開機(jī)構(gòu)部分。. 鋼球表面質(zhì)量檢測機(jī)械系統(tǒng)工作流程 鋼球展開機(jī)構(gòu)的實現(xiàn)方式對于鋼球表面進(jìn)行展開，這里選用的是單驅(qū)動經(jīng)緯的展開方法。由于展開輪的作用，在驅(qū)動輪帶動鋼球做定向高速轉(zhuǎn)動的時候，在與轉(zhuǎn)軸垂直的方向鋼球會受到拔動，這將會使鋼球表面得以展開。那么經(jīng)過一定的時間間隔，展開機(jī)構(gòu)底部的探測區(qū)域使得鋼球表面上的每一點都能夠被通過，從而鋼球就可以得到全面的展開。 單驅(qū)動經(jīng)緯展開機(jī)構(gòu) 經(jīng)緯展開運動軌跡分析做個設(shè)想，激光掃描經(jīng)線是由西邊往東邊鋪滿整個鋼球表面的，激光掃描斑點開始移動于沿著經(jīng)度為L的經(jīng)線，從南極點往北極點，穿越北極點后再沿著L+n經(jīng)線運動，從而鋼球表面的完全展開就能被實現(xiàn)，然而這種方式是步進(jìn)形式的運動，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，這將會造成不連續(xù)的進(jìn)給運動，此方式比較難實現(xiàn)。 經(jīng)緯展開軌跡示意圖為了保持連續(xù)的進(jìn)給運動，那么進(jìn)行掃描的時候就不能只完全沿著經(jīng)線。：激光掃描斑點開始移動于沿著經(jīng)度為L的經(jīng)線，從南極點出發(fā)，當(dāng)經(jīng)過赤道的時候，掃描斑點已經(jīng)偏移到經(jīng)線L和L+n的中間位置，掃描斑點在到達(dá)北極點的時候其運動方向向量正好與L+n經(jīng)線相切，穿越到北極點后，其運動方向向量正好與L+n177。180的經(jīng)線相切，然后再穿過赤道，沿著L+2n177。180經(jīng)線到達(dá)南極點，如此循環(huán)，最終將實現(xiàn)鋼球表面的完全展開。 展開輪結(jié)構(gòu)及工作原理 在展開輪機(jī)構(gòu)中，它的運動件包括展開輪、被測鋼球和主動輪。 展開輪結(jié)構(gòu) 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(cè)面夾角保持固定的90度)，AB的連線與轉(zhuǎn)動軸的夾角為a。隨著展開輪的繞著轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，OA、OB將會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，即展開輪側(cè)面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這會使得兩個接觸點AB的連線與展開輪轉(zhuǎn)動軸之間的夾角a發(fā)生改變，a又為時間的正弦函數(shù)，它可以表示為： （21）接觸點A和B的瞬時速度分別表示為： （22） （23）相對鋼球旋轉(zhuǎn)軸，作為展開輪，它的的角速度分別表示為： （24） （25） 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，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)運動。在鋼球檢測中a轉(zhuǎn)動一周存在的變化范圍，展開輪的兩個側(cè)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(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，被檢測鋼球既做正旋轉(zhuǎn)運動，又做側(cè)旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)鋼球的全面展開。 展開輪的設(shè)計 ，為鋼球表面展開機(jī)構(gòu)的機(jī)械圖。 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(jī)器支架，還有很多的螺釘、螺栓和螺母。 展開輪 為激光器的支架及底座。（a） 激光器側(cè)向支架（b） 激光器底座3 信號處理系統(tǒng)分析及設(shè)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(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換后的測量信號信噪比非常小，因此說僅僅對信號進(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(shù)、光子計數(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(yīng)，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(shù)設(shè)計來鋼球表面缺陷信號處理系統(tǒng)。 為了實現(xiàn)鎖相放大，必須對光源發(fā)出的光進(jìn)行斬光或者調(diào)制，因此與靜態(tài)試驗中使用的恒功率驅(qū)動