【文章內容簡介】 檢測航天、國防等所需的高精度鋼球方面，從而使得大多數時間檢測設備都處于閑置狀態(tài)。 日本的大旺鋼球表面缺陷自動檢測機，它是通過非接觸式光學探傷方式來檢測鋼球表面缺陷及其表面粗糙度的，依靠33個傳感器對球面進行全面檢測，這種方式不會產生誤檢，而且產品的質量也很容易保證。機器的檢測原理：接受光照射位置相對于工件的旋轉變換的傳感器，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量的優(yōu)劣，并將鋼球進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、洛陽軸承研究所、南京光學儀器廠、哈爾濱軸承廠、瓦房店軸承廠等單位進行了更系統(tǒng)的探索和研究。近些年來，國內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、光電檢測與CCD圖像處理技術以及光電檢測技術等技術。其中渦流檢測技術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備。 設計內容光纖傳感檢測技術是一種新式的傳感技術，它是在光導纖維及光纖通信技術的發(fā)展基礎上而迅速成長起來的，它是以光為載體，光纖為介質，感知和傳輸外界信號的。與傳統(tǒng)檢測技術相比，光纖傳感檢測技術具備靈敏度高、響應速度快、動態(tài)局限大、抗電磁干擾等優(yōu)點?；诋斍皣鴥韧怃撉蛲饷踩毕輽z測方式的研究，聯(lián)系企業(yè)生產的現(xiàn)實情況，在此將基于光纖傳感檢測技術用來檢測鋼球的表面缺陷，其設計內容包含以下： （1）分析鋼球表面檢測機械系統(tǒng)的工作流程，鋼球展開機構的實現(xiàn)方法，經緯展開運動軌跡的分析，展開輪的結構及工作原理，展開輪的設計。（2） 為了削弱鋼球外貌缺陷檢測體系大概存在的噪聲，使用基于調制技術和鎖相放大技術，分析并設計鋼球表面缺陷信號處理系統(tǒng)，其中包含調制光源激勵電路，光電轉換及前置放大電路，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 鋼球表面展開機構分析及設計 鋼球外貌檢測機械系統(tǒng)大致能夠分為進球、展開和分選三個部分的工作流程。，其中最為關鍵的是鋼球表面展開機構部分。. 鋼球表面質量檢測機械系統(tǒng)工作流程 鋼球展開機構的實現(xiàn)方式對于鋼球表面進行展開，這里選用的是單驅動經緯的展開方法。由于展開輪的作用，在驅動輪帶動鋼球做定向高速轉動的時候，在與轉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。那么經過一定的時間間隔，展開機構底部的探測區(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。 單驅動經緯展開機構 經緯展開運動軌跡分析做個設想，激光掃描經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度為L的經線，從南極點往北極點，穿越北極點后再沿著L+n經線運動，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形式的運動，換句話說，每當激光掃描完一條經線，鋼球就要沿著緯線旋轉一定角度，這將會造成不連續(xù)的進給運動，此方式比較難實現(xiàn)。 經緯展開軌跡示意圖為了保持連續(xù)的進給運動，那么進行掃描的時候就不能只完全沿著經線。：激光掃描斑點開始移動于沿著經度為L的經線，從南極點出發(fā)，當經過赤道的時候，掃描斑點已經偏移到經線L和L+n的中間位置，掃描斑點在到達北極點的時候其運動方向向量正好與L+n經線相切，穿越到北極點后，其運動方向向量正好與L+n177。180的經線相切，然后再穿過赤道，沿著L+2n177。180經線到達南極點，如此循環(huán)，最終將實現(xiàn)鋼球表面的完全展開。 展開輪結構及工作原理 在展開輪機構中，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： （21）接觸點A和B的瞬時速度分別表示為： （22） （23）相對鋼球旋轉軸，作為展開輪，它的的角速度分別表示為： （24） （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(xiàn)鋼球的全面展開。 展開輪的設計 ，為鋼球表面展開機構的機械圖。 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。 展開輪 為激光器的支架及底座。（a） 激光器側向支架（b） 激光器底座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。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(xiàn)鎖相放大，必須對光源發(fā)出的光進行斬光或者調制，因此與靜態(tài)試驗中使用的恒功率驅動