滚柱分选装置检测控制系统设计.docx

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滚柱分选装置检测控制系统设计

毕业设计任务书

课题名称:

滚柱分选装置检测控制系统设计

学生姓名

专业

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指导教师

摘要

工业的发展对轴承的性能、寿命和可靠性提出了更高的要求，其质量取决于设计、制造和检测各个环节，而滚柱直径的误差是影响轴承质量的关键因素。

在实际生产中测量滚柱尺寸时，因为数量较大，人工检测和分选比较困难，本文主要介绍一种由单片机控制的精密滚柱直径筛选系统，通过机械输送、电测的方式完成滚柱的自动检测及分选，实现自动高效筛选，对轴承的生产具有重要意义。

本设计推料气缸前端装有推杆，滚柱落下后能将其准确地推到限位挡板的位置，通过钨钢测头检测滚柱误差，并将测量值送相敏检波放大器处理后再送电压放大器放大，把与直径误差值成正比的电压值送单片机的模拟量输入模块处理后，根据误差大小来决定具体打开哪一个翻板，再由电磁机构将限位挡板抽离，从而将滚柱送入不同的分料箱，料箱中装有油类物质，在滚柱落入料箱中时起到缓冲作用，使滚柱表面不受磨损，保证其精度。

仿真实验证明，本设计采用的方法是可行的，基于单片机的的轴承检测系统控制可以提高轴承检测的自动化程度。

关键词：

精密滚柱；单片机；模拟量；直径筛选

Abstract

Thedevelopmentofindustryofthebearingperformancethatservicelifeandreliabilityputforwardhigherrequest,it’squalitydependsonthedesign,manufactureandtestingeachlink,andthediameteroftherollerbearingtheinfluenceerroristhequalityofkeyfactors.Intheactualproductionofmeasuringrollersize,becausetheamountislargerandartificialdetectionandsortingismoredifficult,ThispapermainlyintroducesakindofcontrolledbySCMprecisionrollerdiameterfiltersystemthatthroughthemechanicaltransmission,electricalmeasurementiscompletedthewaytheautomatictestandsortingofroller,torealizeefficienton-lineinspection,ithasimportantmeaningofthebearingproduction.

Thisdesignpushmaterialcylinderwithfrontpushrod,rollerfallstotakeitsaccuratelypushedtothelimitthepositionofthepanel,throughthetungstensteelsiderollererrordetectionhead,andthemeasuredvaluesendphasesensitivedetectionamplifieraftertreatment，sendvoltageamplifieramplification,thediameterisproportionaltotheerrorofthevoltagevaluesendSCManalogueinputmoduleafterprocessing,accordingtotheerrorsizetodecidewhichonespecificopentheflap,thentheelectromagneticorganizationswilllimitbafflepullaway,andthuswillrollerintodifferentpointsmaterialbox.Inthematerialboxwithoilmaterial,andintherollertofallintoabuffermaterialboxhittingeffect,makerollersurfacefromwearandensureitsaccuracy.

Thesimulationresultsshowthatthemethodusedinthisdesignisfeasible,bearingcontroldetectionsystembasedontheSCMwhichcanincreasethedegreeofautomationforbearingdetection.

KeyWords:

Precisionroller,SCM,Analog,Diameterfilter

1绪论

1.1课题的背景和研究意义

跨入二十一世纪，随着全球经济一体化和贸易自由化的发展，各国轴承工业发展水平之间存在的差距将会不断缩小，地区存在的成本优势也将不再明显，轴承工业的竞争将更多地体现在技术竞争上，只有掌握了技术的优势，才能处于领先地位。

这将迫使各国不断加大用于科技开发的资金投入，投资力度将更大。

轴承的整体技术水平，在近30年来取得了令人瞩目的进步。

高精度、高转速、高可靠性、长寿命、免维护保养以及标准化、单元化、通用化已成为轴承的基本技术标志。

特别在轴承基础技术进步、通用产品的结构改进、专用轴承单元化和陶瓷轴承的开发等方面成效最为显著。

在机械行业中，轴承是重要的标准零件之一，其质量好坏在一定程度上影响整个机械系统的性能。

轴承产品精度的高低与性能的好坏是靠仪器、设备来检测和判断的。

因此，轴承检测仪自身是否先进，将直接影响到轴承产品检测的准确性和可靠性[1]。

中国正在逐步成为世界上的产品制造中心，国外的先进制造技术和测控技术日益冲击着国内的各个行业。

目前国内的轴承检测分选装置和试验设备仍然与国外的同类先进企业存在着较大的差距。

目前，我国轴承企业广泛应用了自动化程度比较高的加工机床，生产效率和产品质量得到了很大的提高。

但是在快速发展的轴承行业里，存在着一个瓶颈问题，那就是对成品轴承直径检测还是使用很原始的方法，即广泛使用传统的千分尺，对轴承进行人工测量分选。

这种测量分选方法测量精度低，随机误差大，检测结果比较不稳定，自动化程度低，工人劳动强度大，已不能满足高精度测量的要求。

为弥补产品测量分选技术领域与国外先进技术方面存在的不足，同时也为了适应轴承行业，特别是产品出口企业对各项质量指标的有效把握和检测方面的迫切需求，以及从根本上控制检测分选质量和降低成本，确实提高测量精度和分选效率，降低工人劳动强度，实现高精度、高效率、高自动化的轴承直径测量并分选过程，就需要我们在各方面都加以改善，并针对先进制造技术和提高已有产品可靠性和稳定性两个方面齐头并进，进行专项突破，研究制造出一种高精度、自动化程度较高的轴承内径测量分选装置，对于提高轴承直径的测量效率和减少工人劳动强度，具有重要意义。

总之，针对国内轴承检测分选的现状和实际要求，一些精度高、测速快且又经济实惠的自动化检测分选装置应尽快研制出来，以满足飞速发展的轴承工业生产的需求。

这就需要一种自动检测及分选机构，通过机械输送、电测的方式完成滚柱的自动检测及分选，实现自动高效筛选，应用单片机控制技术实现这种方法，不仅可以实现单机手动、自动，也可以方便地实现网络联动，对轴承的生产具有重要意义[2]。

1.2课题的研究现状

轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件，它们广泛应用于工业、农业、交通运输、国防、航空航天、家用电器、办公机械和高科技等领域，与国计民生息息相关。

轴承产品精度的高低与性能的好坏是靠测量分选来保证的。

因此，轴承测量分选技术自身是否先进，将直接影响到轴承产品质量的准确性、可靠性、效率以及工人劳动强度的大小。

随着应用技术的发展，计算机技术的日趋成熟和完善，国际轴承测量技术已向综合化、智能化的方向发展，进入了测量、加工、反馈、补偿、统计一体化的时代。

目前，国外轴承测量的先进技术主要有：

纳米测量技术、网络仪器的开发应用、虚拟仪器与智能仪器。

由于在应用技术领域和国外存在的差距，以及行业内较多的企业对产品质量和检测、控制方面认识不够，目前国内的轴承内径的测量分选技术仍然采用手动测量或半自动测量方式，与国外的同类先进企业存在着较大的差距。

1.3课题的主要研究内容和目标

本文综合论述了研究轴承直径自动检测分选装置的意义、轴承直径测量分选技术的现状及目前国内外的发展动态。

在分析比较了各种常用轴承直径测量分选方法的基础上，结合轴承测量过程中的特点和工作环境，确定了轴承滚柱直径自动检测分选装置的设计方案。

本课题主要研究滚柱分选装置以下几个方面的内容：

1．滚柱自动分选装置执行系统的分析与选择

执行系统是由传动部件与机械构件组成，是实现各种运动的实体。

主要包括落料斗、气缸、测微器、挡板等。

2．滚柱分选装置驱动系统的分析与选择

驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。

通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择电气驱动的方式。

3．滚柱分选装置控制系统的设计

控制系统是分选装置的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。

本系统采用单片机对各执行机构进行控制，主要包括对单片机芯片的型号选择、传感器类型进行选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。

4．对设计方案进行调试，检验程序的可执行性，并用proteus仿演示。

本设计是基于单片机的自动分选系统，其功能是对滚柱直径进行连续测量，将被测参数转变为电信号，再经电路放大、逻辑运算处理后，控制相应的执行机构，完成滚柱的自动分选。

1．4解决的关键问题

1．滚柱分选装置的设计问题，要求分选装置结构简单、经济、具有一定的代表性。

2．滚柱分选装置的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决物料和控制系统的协调问题。

3．执行部件的运动精度的问题。

4．传感器的类型选择。

5．软件类型选择及运用。

6．元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。

2滚柱直径分选控制系统总体设计

2.1滚柱直径分选控制系统示意图

精密滚柱直径筛选系统示意图如图2.1所示。

系统由1个落料管、1个推料气缸、1个误差测量机构、1个限位挡板、7个料斗及料斗电磁翻板组成。

在落料管的低端装有缺料传感器B0，有料时为0，无料时为1；推料气缸为双作用气缸，由电控阀TA和TB控制，当TB得电时，气缸缩回，TA得电时气缸伸出，在气缸的两端各装1个位置传感器（常开），气缸缩回到位时B8-1为动作，气缸伸出到位时B8-2动作；测量机构的钨钢测头，在弹簧的作用下能自然接触被测滚柱，不需要驱动装置，测量机构可根据滚柱直径误差大小输出-10～+10V的电压信号；限位挡板装有位置传感器B9（常开），挡板伸出到位时B9动作，缩回到位时B9复位；在7个料斗入口处均装有1个光电传感器（B1～B7，常开）及1个电磁翻板（Y1～Y7），每落下一个滚柱，光电传感器就产生一个脉冲信号以便对落下的滚柱进行计数[3]。

2.2系统控制要求

2.2.1检测流程

（1）初始状态（零）：

振动台处于关闭即不落料状态，限位挡板处于伸出位置，推料气缸处于缩回位置，各料斗的电磁翻板均处于关闭位置

（2）按启动按钮，振动台开始工作，落下一个待测滚子

（3）气缸推杆前伸，将待测滚子推到待测区域，直到滚子与限位挡板接触

（4）滚子进入待测区域时，测头下移与滚子接触即刻开始测量滚子直径。

并将测量值送相敏检波放大器处理，再送电压放大器放大，最后将与直径误差值成正比的电信号送单片机的模拟量输入模块进行处理。

（5）根据误差的大小来决定打开相应料斗的电磁翻板。

（6）再由电磁机构将限位挡板抽离。

（7）滚柱在推料气缸再次的作用下落入对应料斗并计数；如果料斗计数满，则发出报警信号（按消警按钮可消除警报），更换料斗后可再按启动按钮继续进行滚柱测量；如果料斗计数器未满，则直接进入下一个滚柱的测量，并如此循环。

（8）按下停止按钮，系统停机并复位；振动台停止工作，限位挡板伸出，推料气缸回缩，各电磁翻板关闭。

单片机

阀门控制

I/O接口

信号处理

A/D转换

1.气缸2.活塞3.推杆4.被测滚柱5.落料管6.传感器7.测头8.限位挡板9.电磁翻板

10.容器

图2.1滚柱直径自动分选装置的结构和工作原理示意图

2.3

2.3.1

2.4

3硬件、软件选择

3．1传感器选型

3.1.1传感器

传感器（英文名称：

transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以成为换能器、检测器、和探头等。

常用传感器的输出信号多为易于处理的电量，如电压、电流、频率和数字信号等。

3.1.2直线位移传感器

直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。

为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。

传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。

将传感器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求，因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。

直线位移传感器参数如表3-1所示，实物图如图3.1所示。

表3-1直线位移传感器参数

特点

参数

BW通用拉杆系类

75mm

可用电性行程（A、E）

75mm

电阻±10％

5KΩ

独立线性率

0.05%

机械行程（M、T）

82mm

最大工作速度

10m/s

建议使用电流

≤10μA

使用温度范围

﹣60～150℃

尺寸A

155mm

图3.1BWL75

3.1.3滑动式直线位移传感器：

通用滑块导电塑胶膜系列，有效行程75mm～3000mm，两端均有4mm缓冲行程，精度0.05%～0.02%FS。

外壳表面阳极处理，防腐蚀；内置导电塑料测量单元，无温漂，寿命长；具有自动电气接地功能。

密封等级为IP54（向下安装时为IP57），DIN430650标准插头插座，可以适用在大多数通用场合，特别是长度方向受到限制，对中较困难的场合；拉杆配合球头具有10mm自动校正功能，允许极限运动速度为10m/s。

3.1.4对射式传感器

对射式传感器（光电晶体管输出）基于sep8506红外发光管，sdp8406光电三极管和sdp8106光电达林顿管。

接收器输出由一施密特触发电路缓冲以保证与现行的数字电路匹配。

可引起接收器状态改变的发光管电流最大值为20ma，输出级为发射极接地的npn三极管，带10kω的集电极电。

对射式传感器参数如表3-2所示，实物图如3.2所示。

表3-2对射式传感器参数

特点

参数

产品名称

光电传感器

尺寸

Φ5

描述

接收器

附加信息

200Hz

长度

35

材质

VA

操作电压

10-30VDC

输出电流

100mA

输出

pnp,no

检测距离

250

连接

5m缆线

图3.2OE050100

3.1.5电感式传感器

电感式传感器（inductancetypetransducer）电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

电感式传感器参数如表3-3所示，实物图如图3.3所示。

表3-3电感式传感器参数

特点

参数

有效行程规格（mm）

80～1500mm

输出型式

0～5VDC、0～10VDC、4～20mADC、RS485

线性精度

≤0.05%FS

迟滞

≤0.001%FS

工作电流

电压、数字输出型≤16mA，电流输出型≤35mA

使用温度范围

-20～125℃

极限运动速度

10m/s

图3.3MTC

3．2电磁阀的选型

3.2.1电磁阀

电磁阀（Electromagneticvalve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。

用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。

电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。

电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

3.2.2电磁阀的工作原理

电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。

这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

3.2.3电磁阀的分类

1．直动式电磁阀

原理：

通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。

特点：

在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。

2．分步直动式电磁阀

原理：

它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。

当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。

特点：

在零压差或真空、高压时亦能可动作，但功率较大，要求必须水平安装。

3．先导式电磁阀

原理：

通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。

特点：

流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。

电磁阀参数如表3-4所示，实物图如图3.4所示。

表3-4电磁阀参数

产品特点:

参数

动作方式

先导式

控制方式

常闭（标准），常开（可选）

接口螺纹

G1/2～G2

公称通径

DN15～DN50mm

工作压力

最高1.6MPa

适用介质

中性，气态或液态流体

介质粘度

≤21mm²/s

介质温度

-10～+80℃

环境温度

-10～+50℃

阀体材质

黄铜

密封材质

NBR（标准），FPM、EPDM（可选）

标准电压：

AC：

220V（50/60HZ）DC:

24V

防护等级：

IP65

3．2推料气缸

推杆前端可根据滚子直径选取相应的大小，便于推动滚子前移

3．3检测装置

传感器运动轨道

16mm

传感器

3mm

2mm

测头（可连续测量）

测量不同直径滚子时根据直径大小将传感器调节到传感器运动轨道上相应的数值处，以便于测量3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm共十九个不同规格的滚柱直径。

4硬件设计

5模拟量设置

5.1模拟量的处理

在生产过程中，有许多过程变量的值是随时间连续变化的（如温度、压力、流量等），称为模拟量。

为了实现对这些物理量的控制，首先需要经测量传感器将物理量转换为电量（如电压、电流、电阻、电荷等），然后再经变送器将测量结果转换为标准的直流电压和直流电信号（如±1000mV、±10V、4～20mA等），再将标准的模拟电信号送入模块进行A/D转换，变成CPU能够接收的数字量信号后送入CPU进行处理，单片机处理后的二进制电平信号再送给模拟量输出模块D/A转换，转换成模拟量信号后去驱动相应的执行器。

模拟量处理模块的主要功能是，把生产过程中送来的模拟信号转换成单片机可使用的数字信号（A/D转换），或将经过CPU的内部程序处理，单片机以数字量形式给出的控制数据转换成模拟量（D/A转换），以供执行机构使用。

该模块还具有将单片机与被控对象、执行机构实现电气上隔离的能力[6]。

6滚柱直径分选控制系统单片机控制程序

6.1工作过程子程序

7系统运行调试

调试步骤：

略

结论

本文针对精密滚柱直径分选系统进行了分析和设计，简述了轴承直径分选系统与控制系统的工作原理，建立了轴承直径检测分选的单片机控制，通过轴承检测系统中的单片机控制，减轻了工人劳动强度，提高了轴承检测精度和分选效率，提升了轴承检测的自动化程度。

取得的主要研究成果如下：

（1）设计的供料系统把待加工的滚柱从落料管中分离出来，按照控制要求，定量、定时、定向地送到加工位置，为下一步的测量做好准备工作。

（2）运用传感器技术和单片机模拟量输入功能，对滚柱的直径进行分选，通过压电传感器将直径误差转换为电信号输入单片机拟量输入模块进行处理，判断误差范围，从而为分料系统做好准备。

（3）

需进一步研究的问题：

（1）本文所用的是基于单片机的滚柱直径测量及分选系统，只是初步对不同外径的滚柱进行了筛选，可以进一步对滚柱的内外径进行更高精度的分选。

（2）本文所用的检测系统属于直径误差检测方向，可以进一步对滚柱表面的凹凸度进行检测，可以用于对轴承表面裂纹的检测，确保轴承的使用寿命和筛去生产过程中的次品。

致谢

本设计（论文）的工作是在朱根兴师的悉心指导下完成的，朱老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。

在此衷心感谢朱老师对我的关心和指导。

转眼间，为期数月的毕业设计终于接近尾声了，这也象征着我们的大学学习的生涯也要结束了。

回想这几个来的设计，感触多多，其中有过喜悦、有过灰心、有过颓废，甚至有段时间真的觉得做不下去了。

但当我们克服一个又一个的难关后，我们的思路越来越清晰，喜悦的感觉越来越明显。

在仿真室工作及撰写毕业设计（论文）期间，罗旭峰等同学对我设计工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。

参考文献

[1]杨文杰,夏远飞.自动检测技术概况[J].工业仪表与自动化装置,1996,2

（2）:

12-14.

[2]邓善熙,吕国强.在线检测技术[M].北京,机械工业出版社,1998:

64-76.

[3]胡建.西门子S7300/400PLC工程应用[M].北京:

航空航天大学出