小直徑鋼球表面缺陷檢測機設(shè)計

郭 建，謝 鑫

(華南理工大學廣州學院 機械工程學院，廣州 510800)

小直徑鋼球表面缺陷檢測機設(shè)計

郭 建，謝 鑫

(華南理工大學廣州學院 機械工程學院，廣州 510800)

鋼球是滾動軸承的重要零部件，表面缺陷會影響工作精度。國內(nèi)鋼球表面缺陷的檢測主要依靠人工目測，人工檢測容易受到人為因素影響，檢測效率低。該課題研究設(shè)計了一款鋼球表面缺陷檢測設(shè)備，完成了輥式篩選裝置、圖像獲取裝置、鋼球不良品篩選裝置的機構(gòu)設(shè)計，并對輥式篩選裝置進行了運動分析和計算。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)鋼球的自動上料，分級，檢測，篩選不良品等功能，完成鋼球表面缺陷的檢測。

鋼球；表面缺陷；機構(gòu)設(shè)計；檢測

0 引言

鋼球是滾動軸承的重要零部件，如果鋼球表面存在缺陷，會影響其工作精度，使用壽命等。有資料顯示，國內(nèi)鋼球表面缺陷的檢測主要依靠人眼目測，工人們在白熾燈下用目視的方法對鋼球進行檢測，這種方法不但檢測誤差大而且容易受到個人因素的影響，造成鋼球質(zhì)量良莠不齊，而且長時間在強光下工作，對于工人眼睛傷害很大[1]。隨著工業(yè)4.0時代的到來，人工檢測無法滿足產(chǎn)業(yè)要求，必須改進檢測技術(shù)，提高檢測效率。目前國內(nèi)外已有鋼球的自動檢測方法和裝備[2-4]。電渦流檢測機具有操作簡單、結(jié)構(gòu)緊湊和檢測效率高等特點，但最大缺點是只可檢測半成品球，以及直徑在5～60mm的鋼球。光電檢測機利用多個光電傳感器對銅合金和尼龍雙輥間的鋼球捕捉反射光的變化而進行全球面檢測,通過集成電路判斷鋼球質(zhì)量的好壞并進行自動振動分類，具有檢測可靠、可檢測成品球的優(yōu)點，但是價格昂貴。國內(nèi)近年已有基于機器視覺的鋼球表面缺陷檢測方法專利，并有企業(yè)推出了在該專利上改進的鋼球檢測設(shè)備，這種方法和設(shè)備的優(yōu)點是非接觸式檢測，避免了鋼球的二次損傷，缺點是鋼球只能單列逐個進給，效率低，難以適應(yīng)小鋼球檢測[5]。為解決小鋼球表面缺陷檢測難題，筆者進行了研究，研制了一款自動化的鋼球檢測設(shè)備，可以自主完成上料，鋼球直徑大小分級，鋼球表面缺陷檢測，篩選不良產(chǎn)品，下面對小直徑鋼球檢測機的主要組成機構(gòu)和工作過程進行介紹。

1 小直徑鋼球檢測機整體結(jié)構(gòu)簡介

小直徑鋼球檢測機由電氣控制以及機械結(jié)構(gòu)兩大部分組成。機械結(jié)構(gòu)部分如圖1所示，由兩個震動上料盤、兩個伺服電機和三根圓柱輥組成的輥式篩選裝置，分組小車、玻璃管組成的鋼球分組檢測裝置，支架、電柜等組成。篩選機構(gòu)震動上料盤1與整個輥式篩選機構(gòu)成階梯狀分布，篩選機構(gòu)震動上料盤1分布在高位，篩選下料口3處于低位，鋼球可通過自身重力和管道的導(dǎo)向共同作用下到達篩選下料口3處，通過輥式篩選裝置篩選過后的鋼球，直徑符合生產(chǎn)要求的掉落至圖像獲取裝置震動上料盤12，其余的鋼球按照大小分別掉落到偏大鋼球箱10和偏小鋼球箱11中。圖像獲取裝置震動上料盤12與整個圖像獲取裝置再次成階梯狀分布，圖像獲取裝置震動上料盤12處于高位，檢測下料口13處于低位，鋼球再次在自身重力和管道的導(dǎo)向的共同作用下到達檢測下料口13處。鋼球隨后進給到檢測玻璃管18內(nèi)，并在分組小車前端擋塊14和分組小車尾端擋塊16的共同作用下，按照一定數(shù)量排列在檢測玻璃罩15內(nèi)的分組小車17上。此時CCD攝像頭28對鋼球進行圖像獲取工作。將獲取圖像進行處理后，將處理后信息傳輸?shù)轿捕说膮^(qū)分合格氣嘴21和區(qū)分不合格氣嘴22的控制端，通過控制氣嘴的工作狀態(tài)完成鋼球不良品的篩選。電氣控制部分由兩個CCD攝像頭，兩個伺服電機以及電機控制端，PLC等硬件以及光學圖像獲取系統(tǒng)組成的。

1.篩選機構(gòu)震動上料盤 2.二號輥間縫隙大小前端調(diào)節(jié)手輪 3.篩選下料口 4.一號輥間縫隙大小前端調(diào)節(jié)手輪 5.一號輥 6.固定輥 7.二號輥 8.一號輥間縫隙大小尾端調(diào)節(jié)手輪 9.二號輥間縫隙大小尾端調(diào)節(jié)手輪 10.偏大鋼球箱 11.偏小鋼球箱 12.圖像獲取裝置震動上料盤 13.檢測下料口 14.分組小車前端擋塊 15.檢測玻璃罩 16.分組小車尾端擋塊 17.分組小車 18.檢測玻璃管 19.卸料管道 20.檢測軌道 21.撥球輪 22.區(qū)分合格氣嘴 23.區(qū)分不合格氣嘴 24.合格球箱 25.不合格球箱 26.FX3U PLC 27.電氣閘門 28.CCD攝像頭 29.鋁型材支架
圖1 小直徑鋼球檢測機整體結(jié)構(gòu)

2 輥式篩選裝置設(shè)計

2.1 輥式篩選裝置結(jié)構(gòu)分析

按照鋼球直徑大小來篩選，利用不斷變化的縫隙來完成篩選工作。當縫隙超過鋼球直徑大小的時候，鋼球會穿過縫隙下落，從而達到篩選的要求[6]。利用兩對和水平面保持一定傾角β，相互有一定夾角的α，旋轉(zhuǎn)的光滑圓柱構(gòu)成的輥式篩選機構(gòu)，是一種結(jié)構(gòu)簡單，成本較為廉價的篩選機構(gòu)。兩輥之間有夾角α，使得輥間形成逐漸增大縫隙，當輥間縫隙大于鋼球直徑大小時候，鋼球落下到裝球漏斗中。又由于輥與水平傾斜角度β放置，在重力的作用下，可以沿著縫隙向下滾。輥筒的自身旋轉(zhuǎn)可以幫助鋼球下滾，減少輥對鋼球的支持反力，摩擦力的作用，避免鋼球堵塞在輥上。巧妙增加多一輥，形成三輥式篩選機構(gòu)，較雙輥式的篩選縫隙多了一道，效率提高。

2.2 輥式篩選裝置工作原理

2.2.1 動力傳遞

如圖2所示，電機1與小帶輪2通過鍵和緊定螺釘連接在一起，電機1將扭矩傳遞給小帶輪2，小帶輪2通過V型帶將扭矩傳遞給大帶輪3，大帶輪3分別與二號輥7，一號輥9相連，扭矩傳遞到二號輥7和一號輥9上，帶動輥筒的旋轉(zhuǎn)，從而減少了輥對鋼球的支持反力和摩擦力，避免了鋼球在輥筒上堵塞。

2.2.2 縫隙大小調(diào)節(jié)

如圖2所示，篩選機構(gòu)輥筒間的縫隙可以通過調(diào)節(jié)支撐底板13上的四個縫隙大小調(diào)節(jié)板來調(diào)節(jié)。先調(diào)節(jié)一號輥間縫隙大小前端調(diào)節(jié)板4和二號輥間縫隙大小前端調(diào)節(jié)板5來改變二號輥7和一號輥9分別與固定輥8的前端縫隙大?。辉僬{(diào)節(jié)二號輥間縫隙大小尾端調(diào)節(jié)板10和一號輥間縫隙大小尾端調(diào)節(jié)板11來改變二號輥7和一號輥9分別與固定輥8之間的中心軸的夾角α增大的，便于分出偏小鋼球，合格鋼球，偏大鋼球。

2.2.3 輥式篩選裝置工作過程

如圖2所示，鋼球在篩選下料口6開始進入篩選縫隙，電機1通過傳動系統(tǒng)帶動二號輥7和一號輥9的旋轉(zhuǎn)，并且由于三輥與水平面成角度β放置，在重力和輥筒的旋轉(zhuǎn)同時作用下，鋼球不斷地往下滾動，通過不斷變化的縫隙，直至縫隙大小大于鋼球直徑時，鋼球掉落到裝球漏斗12處，通過管道的導(dǎo)向作用到達指定的位置，等待進入下一道工序。完成篩選工作。

1.電機 2.小帶輪 3.大帶輪 4.一號輥間縫隙大小前端調(diào)節(jié)板 5.二號輥間縫隙大小前端調(diào)節(jié) 6.篩選下料口 7.二號輥 8.固定輥 9.一號輥 10.二號輥間縫隙大小尾端調(diào)節(jié)板 11.一號輥間縫隙大小尾端調(diào)節(jié)板 12.裝球漏斗 13.支撐底板
圖2 輥式篩選機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)

2.3 輥式篩選裝置運動分析及計算

2.3.1 電機以及帶輪設(shè)計及其計算

為了滿足不同直徑鋼球的檢測，經(jīng)過分析，試驗得出：篩選輥筒的轉(zhuǎn)速為30～90r/min可以滿足較大范圍的直徑鋼球檢測。經(jīng)過初步估算，選定電機為TCG M315-402-5K?；剞D(zhuǎn)數(shù)為90～1400r/min，速比為5，功率為40W。由電機參數(shù)與篩選輥筒速度要求決定帶輪傳動比為3。

根據(jù)Pca和n1選取A型帶，且根據(jù)普通V帶輪的基準直徑選定小帶輪直徑為：

dd1=125mm

由傳動比為3可得出大帶輪直徑：

dd2=i×dd1=3×125=375mm

根據(jù)：

(1)

(2)

(3)

可得中心距控制在a=440.75～519.5mm。

由帶輪直徑以及電機軸直徑大小，輥的帶輪安裝處直徑大小決定小帶輪為腹板式結(jié)構(gòu)，大帶輪為輪輻式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 帶輪結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 輥式篩選裝置運動分析

如圖4、圖5所示，設(shè)篩選輥半徑為R，輥傾角為β，夾角為α，被篩選的鋼球半徑為r，質(zhì)量為m，繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量為I，加速度為a，角速度為ε，重力加速度為g。

1.一號輥 2.固定輥 3.鋼球 4.二號輥圖4 三輥式篩選機構(gòu)簡圖

圖5 鋼球在兩輥間的受力分析

分析鋼球位于輥間縫隙為2c處的瞬間受力，通過簡化和計算，可以寫出鋼球在垂直于輥軸線方向和沿著輥軸線方向的力平衡方程式：

mg=N×sinα+F×cosα

(4)

ma=mgsinβ-F1+(N×sinα+F×sinα)×sinβ

(5)

I=F1×B-M

(6)

B為鋼球和輥接觸點A到鋼球中心O2的垂直距離，即鋼球質(zhì)心O2的瞬時轉(zhuǎn)動半徑，B=r×sinα。隨著C的增加，B逐漸減小，因此鋼球沿著輥間作變轉(zhuǎn)動半徑滾動。F為輥與鋼球間沿著切向的滑動摩擦力，它和支反力N，摩擦系數(shù)f的關(guān)系為：

F=N×f

(7)

F1為輥與鋼球之間沿著輥軸向的未知摩擦力。

經(jīng)過多次試驗可以得出鋼球直徑大小與鋼球?qū)佂矇毫Υ笮〉年P(guān)系，依據(jù)被檢測鋼球尺寸對計算壓緊力進行分析，取最大壓緊力為實際壓力。分析結(jié)果如表1所示。

表1 不同直徑鋼球?qū)伒膲毫?/p>

由于鋼球自重變形引起的阻力矩M沿著斜面滾動的時候，存在穩(wěn)定滾動角φ，即當斜面傾角為φ時候，鋼球沿著此面勻速下滾。φ與鋼球自重變形，接觸表面特性有關(guān)，見圖6。

圖6 穩(wěn)定滾動角φ與阻力矩M分析

根據(jù)物體在受壓時，產(chǎn)生變形的赫芝公式，在忽略了輥筒的自身變形后，鋼球與輥筒在接觸處壓縮變形量D與接觸力N的關(guān)系可以表示為：

式中，E為鋼球彈性模量；μ為鋼球的泊松比，K為接觸點處曲率有關(guān)的系數(shù)。

某一瞬間鋼球與輥筒間接觸處的半徑L：

由圖6分析，可以得出此時鋼球滾下的阻力矩。

M=N(r×sinH+L)

純滾動時候a=ε×B，解出加速度a為：

3 圖像獲取裝置設(shè)計

3.1 圖像獲取裝置結(jié)構(gòu)分析

完成篩選工作后的鋼球，通過震動上料盤后即會進入到圖像獲取部分，獲取圖像是后續(xù)處理信息的重要之處。獲取圖像裝置由震動上料盤，鋼球分組機構(gòu)，圖像采集系統(tǒng)，光學顯微成像系統(tǒng)，微機控制圖像處理系統(tǒng)等組成的，見圖7。

圖7 圖像獲取裝置整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 鋼球分組機構(gòu)分析

根據(jù)多次的實驗以及數(shù)據(jù)的分析得出：鋼球在玻璃材質(zhì)上摩擦較小，以及鋼球在玻璃材質(zhì)上受到碰撞，擠壓等造成的表面缺陷的現(xiàn)象較為少[7]。基于以上兩點，選定玻璃為鋼球運載的主要材料。為了避免鋼球在連續(xù)進料是造成鋼球緊挨，錯位等現(xiàn)象導(dǎo)致圖像獲取不完全等現(xiàn)象，本裝置設(shè)計為分數(shù)量一組一組地進入檢測罩內(nèi)檢測，保證檢測的準確度。

3.3 鋼球分組機構(gòu)工作原理

如圖8所示，完成篩選后，直徑符合要求的鋼球通過震動上料盤到達檢測下料口1處，緊接著進入到檢測玻璃管2內(nèi)。由于檢測軌道9與水平面成一定角度放置，故鋼球在重力的作用下沿著檢測玻璃管2向下滾動，此時分組小車前端擋塊4打開，鋼球繼續(xù)向下滾動，鋼球滾動到分組小車尾端擋塊6處，由于分組小車尾端擋塊6處于關(guān)閉狀態(tài)，鋼球開始在擋塊前堆積，直至一定數(shù)量的鋼球一個個有序地排列在分組小車5上玻璃管內(nèi)時，分組小車前端擋塊4關(guān)閉，分組小車5在檢測玻璃罩3內(nèi)，由CCD攝像頭完成圖像獲取步驟。完成后，分組小車尾端擋塊6打開，完成圖像獲取的鋼球繼續(xù)在重力作用下向下滾動，到達卸料管道7口處，通過管道和撥球輪8的作用下，鋼球有序地在檢測軌道9中繼續(xù)向下滾動，完成圖像獲取工作。

1.檢測下料口 2.檢測玻璃管 3.檢測玻璃罩 4.分組小車前端擋塊 5.分組小車 6.分組小車尾端擋塊 7.卸料管道 8.撥球輪 9.檢測軌道
圖8 鋼球分組機構(gòu)建模圖

3.4 光學圖像獲取系統(tǒng)

為了保證圖像分辨率和清晰度，須設(shè)計合理的光學圖像獲取系統(tǒng)。系統(tǒng)由待檢測鋼球，光源系統(tǒng)和圖像獲取系統(tǒng)構(gòu)成。為了有效的降低外界物體對鋼球檢測過程中造成的影響，必須將鋼球放置于檢測玻璃罩內(nèi)檢測，光源系統(tǒng)提供均勻穩(wěn)定的光通量，圖像獲取系統(tǒng)可有CCD攝像機以及物鏡組合構(gòu)成。

經(jīng)過多次試驗和數(shù)據(jù)分析，本系統(tǒng)采取利用在檢測玻璃罩內(nèi)安裝一只100W的碘鎢燈作為光源系統(tǒng)，外加調(diào)壓器供電，既能滿足系統(tǒng)要求，也方便日后維修。采用LED陣列，照明均勻，光譜單色性好，發(fā)光亮度與電流的大小成線性關(guān)系，電壓易于控制，自由度高。

不同批次的鋼球表面光亮程度差異較大，須調(diào)節(jié)發(fā)光亮度。為了調(diào)節(jié)鋼球表面缺陷圖像的對比度，須點解照明電壓，充分利用CCD攝像頭的動態(tài)范圍，使得8位像素的平均灰度值在120～200[8-10]。

實驗得知照明電壓與圖像像素平均灰度值的乘積為常數(shù)，即：

UλG=C

(8)

式中：U為照明電壓；λ為照明類別系數(shù)，λ=1(LED)，λ=2.7(碘鎢燈)；G為圖像像素平均灰度值；C為常量。

為了提高圖像的清晰度，CCD敏感面位于物鏡的成像焦平面上，根據(jù)凸透鏡成像原理可以得出焦距f為：

(9)

式中，ω′為CCD敏感面寬度；ω為每組鋼球排列寬度；h為鋼球表面到凸透鏡的距離。

根據(jù)式(9)可以知道透鏡的焦距為2.88mm，物鏡的分辨率k與CCD攝像頭的分辨率k′之間的關(guān)系為：

(10)

3.5 鋼球不良品篩選裝置設(shè)計

如圖9所示，鋼球完成圖像獲取工作后，系統(tǒng)將其獲取到的圖像通過信息處理后，將其處理后的數(shù)據(jù)傳輸PLC處，PLC通過控制合格氣嘴工作還是不合格氣嘴工作來對鋼球進行篩選，使得鋼球進入到氣嘴下端的合格鋼球漏斗或者不合格鋼球漏斗中，區(qū)分出合格的鋼球以及不合格鋼球。

1.區(qū)分合格氣嘴 2.區(qū)分不合格氣嘴 3.不合格鋼球漏斗 4.合格鋼球漏斗圖9 鋼球篩選裝置結(jié)構(gòu)圖

4 鋼球缺陷檢測系統(tǒng)測試

針對該小直徑鋼球表面缺陷檢測系統(tǒng)檢測準確性、穩(wěn)定性，進行了鋼球缺陷檢測實驗。系統(tǒng)上位機的界面如圖10所示，缺陷檢測機樣機如圖11所示。

圖10 小直徑鋼球表面缺陷檢測機系統(tǒng)

圖11 小直徑鋼球檢測樣機圖

系統(tǒng)檢測實驗選取1000個直徑為10mm的鋼球，其中有600個為有缺陷的鋼球進行測試，整個檢測過程流暢，無出現(xiàn)卡球現(xiàn)象。(600個有缺陷的鋼球里面具有凹陷、擦傷、劃痕缺陷的鋼球各200個)?？偣?00個有缺陷的鋼球，檢測出有缺陷鋼球524個，總體檢測率為87.3%。檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實驗檢測數(shù)據(jù)

對不同批次，不同直徑的鋼球進行多次檢測對比，發(fā)現(xiàn)該檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定較好，總體檢測準確率穩(wěn)定在87%左右。除此之外，還發(fā)現(xiàn)該檢測系統(tǒng)對于凹陷缺陷的檢測準確率最高，可以達到將近90%的準確率；對于擦傷缺陷的檢測，雖然檢測準確率最低，但也可以穩(wěn)定于85%左右。實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖12所示。

圖12 多次的實驗數(shù)據(jù)折線圖

5 結(jié)論

本文針對小直徑鋼球，設(shè)計了一種鋼球自動檢測設(shè)備，完成了輥式篩選裝置、圖像獲取裝置、鋼球不良品篩選裝置的機構(gòu)設(shè)計，并對輥式篩選裝置進行了運動分析和計算。能實現(xiàn)自動上料，分級，檢測，篩選等工序，改善國內(nèi)鋼球表面缺陷檢測落后的狀況；經(jīng)過多次實驗可得，鋼球缺陷檢測機總體檢測準確率在87%左右，凹陷缺陷檢測率可達90%，符合最初的設(shè)計目標，降低了工人的工作強度，實現(xiàn)了鋼球表面缺陷的檢測。

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(編輯 李秀敏)

The Design of the Surface Defect Detect Machine of Small Diameter Steel Balls

GUO Jian, XIE Xin

(School of Mechanical Engineering, Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou 510800,China)

Steel ball is an important component of rolling bearings, and the surface defects of steel ball will affect the accuracy of work. The detection of domestic steel ball surface defects mainly relies on manual eyeballing which is vulnerable to human factors and leads to low detection efficiency. This paper designs a kind of detection equipment of steel ball surface defect, fulfills the mechanism design of roller screening device, image acquisition device, as well as the screening device for bad products, and it also analyzes and calculates the roller sorting device. This equipment can realize the function of automatically feeding, grading, detecting as well as selecting the bad products, and it completes the detection of the surface defects of the steel ball.

steel ball; surface defects; mechanism design; detection

1001-2265(2017)08-0122-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.032

2016-10-29；

2017-01-10

郭建(1987—)，男，河南商丘人，華南理工大學廣州學院講師，碩士，研究方向為數(shù)字制造及計算機控制、工業(yè)機器人應(yīng)用，(E-mail)gj8912866@163.com。

TH122;TG65

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