滚珠直径测试机构.docx
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滚珠直径测试机构
滚珠直径测试机构系统设计
——————测控仪器课程设计报告
姓名：
王寒江
班级：
测控10-2班
学号：
03101265
指导老师：
丁保华、张有忠、田丰、叶平
中国矿业大学机电工程学院测控技术与仪器
2013年11月26日
一、设计目的…………………………………………………………………………………3
二、设计思路…………………………………………………………………………………3
三、电感传感器……………………………………………………………………………..3
1、基本结构……………………………………………………………………….3
2、工作原理……………………………………………………………………….4
四、总体设计…………………………………………………………………………………5
五、机械控制部分设计………………………………………………………………….7
1、动力机构设计………………………………………………………………..7
2、自动测量装置的设计…………………………………………………….7
3、自动分选装置的设计…………………………………………………….8
六、电气测量部分设计………………………………………………………………….8
1、信号拾取模块………………………………………………………………..8
2、信号处理模块………………………………………………………………..8
3、信号执行模块………………………………………………………………11
4、软件程序……………………………………………………………………..14
5、误差分析……………………………………………………………………..17
七、设计小结……………………………………………………………………………….17
八、参考文献……………………………………………………………………………….18
一、设计目的
球轴承是支承轴的标准组件，它具有摩擦阻力小、效率高、结构紧凑、维护简单等优点。
轴承的游隙（指在无负荷情况下，轴承内外环间所能移动的最大距离）对轴承的寿命、温升、噪声、额定动负荷都有很大影响。
通常在运转温度下球轴承游隙应接近于0；对于大冲击、重负荷环境，应选用游隙较大的轴承；对于运转精度高、音响要求高的，应选用游隙较小的轴承，轴承滚珠直径的大小也与游隙大小直接相关。
在安装过程中，其直径尺寸的一致性直接影响轴承的动态特性。
因此，在轴承安装之前必须对滚珠的直径尺寸进行精确测量和分选。
轴承滚珠的直径由Φ1.000~65.000mm不等，测量范围不大，但尺寸的精度要求却很高，一般要精确到小数点后第3位，如直径为Φ26.988mm，Φ56.240mm……的钢球。
本设计仅对直径为Φ10.000±0.003mm的滚珠进行分选。
滚珠分选的传统方法往往使用人工分选。
这种分选方法主要弊端是劳动强度大、分选效率低、分选速度慢、分选质量差等等。
为了解决这类问题，拟采用电感传感器智能测试系统，实现对滚珠测量和分选工作的自动化。
二、设计思路
本设计利用气压传动装置将滚珠送到相应的测试工作台，选择电感传感器作为信号拾取源，将被测部件几何尺寸的微小变化转换为线圈的电感变化实现测量，具有工作可靠、灵敏度高、寿命长、线性好、分辨率高、精度搞、性能稳定和重复性好等优点。
将信号通过设计好的调理电路，使用电磁铁驱动电路，打开合格滚珠收料箱或者次品滚珠收料箱，从而达到分选滚珠的目的。
再将误差信号通过A/D转换器输入单片机，利用设计好的单片机程序显示统计滚珠合格和不合格的数量。
三、电感传感器
在测量技术中，电感传感器广泛应用于加速度、位移、振幅、转速、无损探伤等非电量的测量。
在其控制系统中，滚珠直径分类选择器是一个微位移检测装置，实现对滚珠尺寸的检测和计数，是电感式传感器的典型应用。
本测控系统由传感器试验台、直流稳压电源、传感器、直流电机和信号处理电路模块组成。
1、基本结构
电感式传感器的激励元件由线圈和铁氧磁心组成，如图1所示。
式
（1）为电感式传感器的数字模型。
式
（1）中L为电感量，N为线圈匝数，μ为气隙导磁率，S为气隙截面积，δ为气隙厚度。
可知，线圈电感量L气隙厚度δ成反比，与气隙截面积S成正比。
假设起始位置气隙为
，对应的初始电感为
，且S固定不变，当δ有细微的△δ时，引起的自感量的变化量dL为（忽略高次项）：
2、工作原理
电感式传感器是建立在电磁场理论基础上，是利用被测量磁路磁阻变化引起传感器线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量变化来实现非电量测量。
当交流电流过线圈时，线圈产生交变磁场，该磁场通过铁心并指向铁心一侧，即传感器的激励端。
当有金属物体或磁性物体接近传感器激励端时会造成磁场变形。
使用计算机模拟可获得磁场状态图，如图2所示。
从图2可以看出导电材料（如钢板）接近激励端时的磁场效应，变化的磁场导致传感器线圈的阻抗发生变化。
传感器线圈构成变压器初级绕组，金属板构成短路次级绕组，如图3所示。
由于电感耦合作用，在次级回路中产生的感应电流
又反作用于初级回路，从而产生互感系数
。
最终使得线圈本身的阻抗发生变化。
通过与理想变压器回路比较，可得出以下结论：
综上所述，当有导材料接近传感器时，线圈的阻抗Z实值增加，其值等于线圈电阻
加上
、
、
及ω产生的阻抗。
经验表明，阻抗Z的虚值只表明传感器线圈与金属板之间有很小距时的测量变化。
电感式传感器只能利用阻抗Z的实值变化量检测导电材料被测物体。
四、总体设计
对滚珠的标称直径进行控制，允许公差范围为±3μm，在此范围之内为合格产品，应予保留，超出此范围即为次品，应予剔除，并自动统计合格产品与次品数量。
将拾取信号（误差信号）与对标准信号对比，如果在±3μm范围内，则合格产品自动计数（
=
+1），如果超出这个范围，则次品自动计数（
=
+1），当合格产品数与次品数只喝等于产品总数时，自动退出检测系统。
电路设计流程如图4所示。
根据电感传感器的工作原理，配合电气控制电路，设计检测电路。
该电路分为机械控制和电气测量两个电路部分。
机械控制部分主要完成电感传感器的选择、滚珠的推动与定位、气缸和料箱翻板控制功能；电气测量部分主要完成信号拾取、信号处理和执行显示功能。
检测过程中，可以采用数字示波器进行输出信号的动态观察和测量。
滚珠的直径分选器测控系统电路原理框图如图5所示。
五、机械控制部分设计
1、动力机构设计
鉴于设计要求能够连续精密的测量滚珠直径，即要求动力机构能不断给测量机构传动滚珠，这种传动机构有电气传动和气动传动两类。
电气传动不太平稳，气动传动中的固定式气缸传动适合精密测量，这里根据传动运动性的要求，我们选用双活塞杆双作用气缸。
双杆活塞缸活塞两侧都有活塞杆伸出，根据安装方式不同又分为活塞杆固定式和缸筒固定式两种。
由于本次设计的仪器体积较小，我们采用缸筒固定式双活塞杆气压缸。
气缸固定在底座上，位置固定。
另外小型气缸传动只能承受轴向力。
要保证其稳定工作，机构设计时在送料杆的前进方向增加滚针，以及水平方向加挡板限定其水平方向的位移，保证气缸只受轴向力使其行程确定，保证将滚珠送到特定的位置。
气缸所带载荷（如工作台）与气缸两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一腔排气），活塞杆带动工作台左右移动，工作台移动范围等于其有效行程S的3倍。
当输入压力，流量相同时，其往返运动输出力及速度均相等。
本设计选择EMAL系列铝合金迷你缸，此气压缸采用含油轴承，使活塞杆无需加油润滑；汽缸本体、前后盖经过彩色EP涂装氧化处理，具有耐磨性、耐腐蚀性及耐久性等优点。
型号命名：
EMAL
CM
20
50
S
LB
系列代码：
双作用型
后盖型式
空白：
摆尾型
U：
平尾型
CM：
圆尾型
缸径
行程
感应磁环
S：
带磁环
空白：
不带磁环
固定形式
空白：
基本型
LB：
前后固定式
FA：
前法兰式
SDB：
后摆式
根据机构的设计，我们所选择的型号为EMAL—U20×50。
2、自动测量装置的设计
传感器安装：
传感器物理尺寸决定，滚珠与其探头属于点面接触。
因此，为保证传感器探头与测试台的距离保持恒定不变，且安装完毕之后应用标准滚珠对其进行校零。
同时安装时应注意传感器探头位移应控制在其线性行程内。
测量台：
表面需要精加工，以保证其表面粗糙度达到设计要求。
安装时要保证其表面与传感器探头表面平行。
软件部分：
反复采样，比较，当所得数据在允许的误差范围内时处理并存储，保证其采样数据的准确性。
3、自动分选装置的设计
主滚道与水平成30º，以使滚珠能靠自重顺滚道滚下，开关的长度C大于滚道宽度B，关系约为C=1.5B。
当被测滚珠直径符合要求时，电磁铁驱动电路控制开关1打开（状态如下图双点划线所示），接着让滚珠沿主滚道滚下，滚珠被开关1挡住，顺势流向分道1，开关1的打开时间由继电器控制。
然后开关1复位（主滚道畅通），开始测量第2个钢球。
如果所测滚珠直径超出了允许的误差范围，就沿主滚道滚出，进入次品滚珠收料箱。
六、电气测量部分设计
1、信号拾取模块
本设计考虑到1μm的检测精度比较高，检测传感器的选择是否得当对最后的结果影响很大，选择合适的传感器可以将干扰减少到最少。
所以采用AD698高精度线性差动式传感器（LVDT：
LinearVariableDifferentialTransformer）为信号拾取电路，以磁芯的机械位移为输入，交流电压信号为输出，该电压与磁芯位置成正比。
传感器初级线圈由外部参考正弦信号源激励，两个次级线圈反向串联，磁芯的移动可改变初级线圈之间的耦合磁道，从而产生两个幅值不同的交流电压信号，以满足后续电路的信号要求，如图6。
2、信号处理模块
由相敏检波电路、标准信号设置电路、电压比较放大电路和电磁驱动电路组成。
以相敏检波电路为核心，完成鉴别调制信号相位和选频功能，如图7所示。
相敏检波电路
电路组成：
4个组成性能一致的整流二极管
-
串联成一个闭合的电桥，4个节点a、b、c、d分别接在变压器
、
的次级线圈上，输入信号
与检波器的参考电压
分别经过
、
夹在电桥的两个对角，电桥中电阻
-
为限流电阻，限值都为R，起保护所在桥臂二极管的作用。
﹥﹥
=
+
，且与
同频，以保证准确控制4个二极管的导通状态。
工作原理:
当衔铁在零点（中点）以上移动,即位移x（t）>0时,
与
同频同相。
当
与
都是正半周时，
的次级线圈输出电压
为上正下负，根据同名端标识，
也为上正下负；
的次级线圈输出电压
为左正右负，根据同名端标识，
也为左正右负。
根据电路分析原理可知，各级变压器的次级输出为：
当
与
都是负半周时，分析同理。
当衔铁在零点（中点）以下移动，即位移x（t）<0时，
与
同频反相。
此时，无论
与
是正半周还是负半周，输出电压为：
总之，相敏检波电路的输出电压的变化规律反映了位移的变化规律，即
的大小反映了位移x（t）的大小变化，其极性反映了位移x（t）的方向（正向位移输出正电压，负向位移输出负电压），各电压之间的波形图如图8所示。
如图8，
的每个周期可以分为4个阶段：
第1阶段：
正半周上升段，
>0，且呈增大趋势，可知为衔铁向上运动；
第2阶段：
正半周下降段，
>0，且呈减小趋势，可知为衔铁向下运动；
第3阶段：
负半周下降段，
<0，且呈增大趋势，可知为衔铁向下运动；
第4阶段：
负半周上降段，
<0，且呈减小趋势，可知为衔铁向上运动；
其他电路
为了便于分析，由
、
、
3个电阻组成任意标准等级设置成标准信号档，可以通过选择不同的标准档，满足各种标准量与相敏检波信号（误差信号）进行比较。
当信号相同（在误差范围内）时，则通过电压放大器，驱动电磁控制器，打开滚珠收料箱，并统计个数，如图9所示。
3、信号执行模块
使用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号,输入单片机,再通过数码管将结果显示出来。
集成A/D转换器品种繁多，选用时应综合考虑各种因素选取集成芯片。
一般采用逐次比较型A/D转换器用得比较多，所以我采用了ADC0804。
它采用CMOS工艺20引脚集成芯片,分辨率为8位,转换时间为100μs,输入电压范围为0-5V。
芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接连接在数据总线上。
单片机采用AT89C52，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
为了直观的显示滚珠分选的结果，我打算使用液晶显示器。
液晶显示器的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。
各种型号的液晶通常显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名的。
比如：
1602的意思是每行显示16个字符，一共可以显示两行；类似的命名还有0801、0802、1601等，这类液晶通常都是字符型液晶，即只能显示ASCII码字符，如数字、大小写字母、各种符号等。
12232液晶属于图形型液晶，它的意思是液晶有122列、32行组成，即共有122×32个点来显示各种图形，我们可以通过程序控制这122×32个点中的任一个点显示或不显示。
类似的命名还有12864、19264、192128、320240等，根据客户需要，厂家可以设计出任意数组合的点阵液晶。
根据本系统的需要，我选择用LCD1602。
1602液晶为5V电压驱动，带背光，可显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内置128个字符的ASCII字符集字库，只有并行接口，无串行接口。
通过LCD1602，我们可以直观的看到正品数量和次品数量，如下图。
4、软件程序
#include//52系列单片机头文件
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
ucharcodetable[]="Qualified:
";
ucharcodetable1[]="UnQualified:
";
ucharcodedigit[10]={"0123456789"};//定义字符数组显示数字
sbitlcden=P3^4;//液晶使能端
sbitlcdrs=P3^5;//液晶数据命令选择端
sbitadwr=P3^6;//定义AD的WR端口
sbitadrd=P3^7;//定义AD的RD端口
sbitadcs=P3^3;//定义AD的CS端口
ucharc1;//合格滚珠数量
ucharc2;//次品滚珠数量
ucharx;//利用标准滚珠获得标准值
ucharn;//允许误差值
ucharnum;
voiddelay（uintxms）
{
uinti,j;
for（i=xms;i>0;i--）//i=xms即延时约xms毫秒
for（j=110;j>0;j--）;
}
voidwrite_com（ucharcom）//写命令
{
lcdrs=0;
P0=com;
delay（5）;
lcden=1;
delay（5）;
lcden=0;
}
voidwrite_data（uchardate）//写数据
{
lcdrs=1;
P0=date;
delay（5）;
lcden=1;
delay（5）;
lcden=0;
}
voidinit（）//液晶屏初始化
{
lcden=0;
write_com（0x38）;//设置16X2显示,5X7点阵,8位数据接口
write_com（0x0c）;//设置开显示，不显示光标
write_com（0x06）;//写一个字符后地址指针加1
write_com（0x01）;//显示清零，数据指针清零
}
voidmain（）//主程序
{
uchara1,a2,a3,adval;
P0=0x00;//置CSAD为0，选通ADCS以后不必再管ADCS
init（）;
while
（1）
{
adcs=0;
adwr=1;
_nop_（）;
adwr=0;//启动AD转换
_nop_（）;
adwr=1;
_nop_（）;
P1=0xff;//读取P1口之前先给其写全1
adrd=1;//选通ADCS
_nop_（）;
adrd=0;//AD读使能
_nop_（）;
adval=P1;//AD数据读取赋给P1口
adrd=1;
adcs=1;
if（adval<（x-n）||adval>（x+n））
c2=c2+1;//次品数加1
elsec1=c1+1;//合格数加1
write_com（0x80）;
for（num=0;num<9;num++）
{
write_data（table[num]）;
delay（5）;
}
write_com（0x80+0x0d）;
a1=c1/100;//取百位
a2=（c1%100）/10;//取十位
a3=c1%10;//取个位
write_data（digit[a1]）;
write_data（digit[a2]）;
write_data（digit[a3]）;
delay（50）;
write_com（0x80+0x40）;
for（num=0;num<9;num++）
{
write_data（table1[num]）;
delay（5）;
}
write_com（0x80+0x4d）;
a1=c2/100;//取百位
a2=（c2%100）/10;//取十位
a3=c2%10;//取个位
write_data（digit[a1]）;
write_data（digit[a2]）;
write_data（digit[a3]）;
delay（500）;
delay（500）;
delay（500）;
delay（500）;
delay（500）;
delay（500）;
delay（500）;
delay（500）;
}
}
5、误差分析
系统误差来源有以下几个方面
（1）系统的采样频率必须大于信号最高有效频率f的2倍。
如果不满足奈奎斯特采样定理将产生混叠误差，为避免输入信号中杂散频率分量的影响，在采样预处理之前，用截止频率为f的低能滤波器，即高混叠波滤波器，进行滤波。
（2）A/D转换器的性能指标对整个系统起着至关重要的作用是系统中重要误差元，所选A/D转换器在精度和速度方面都应该满足系统要求。
（3）电容传感器的精度受很多因素的影响，环境温度的改变会引起机构尺寸及介质介电常数的改变，另外漏电阻，边缘效应的寄生参量也会影响传感器精度，随着电子技术的不断发展，特别是集成电路的广泛运用，这些缺点也得到了一定的克服，如果按规定条件使用电容传感器完全能够不影响整个系统的精度。
（4）仪器的零点不准，仪器未调整好，外界环境（光线、温度、湿度、电磁场等）对测量仪器的影响所产生的误差。
（5）理论误差这是由于所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能够达到理论公式所规定的要求，或者是试验方法本身不完善所带来的误差。
（6）个人误差这是由于观察者个人感官和运动感官的反应或习惯不同而产生的误差，它因人而异，并与观察者当时的精神状态有关。
七、设计小结
该设计系统选用AD698高精度线性差动式电感传感器，将其所检测的细微位移量经过相敏检波、比较放大等信号处理电路，转换为相应的电压信号，辅以合适的电气动控制电路，最后通过电磁驱动器、单片机完成滚珠直径分选、正次品个数和误差的统计。
通过本次设计我复习了CAD和Proteus的使用和单片编程，对自身掌握的知识进行查漏补缺，为接下来的毕业设计和工作打下良好的基础。
本次设计，我遇到很多问题,比如机构的设计。
不同的结果有不同的优缺点，在功能上都能实现。
工作台的底座和测量台的确定方法中，我用了两颗螺丝来确定在纵向轴方向不移动，在横向方向，用开槽的方法使测试台牢牢的固定在工作底座上。
在电路设计方面，我采用了变相器代替自己设计的传感器、滤波放大器等，好处是，市场上上变送器种类很多，可选范围很大。
而且，变送器种含有传感器、滤波放大器、放大电路等，输出信号也是工业标准测量信号，给我们的设计工作带来很大方便的同时也保证了产品的精度。
由于时间比较紧迫和需要准备考研，这次的设计还很不完善，有很多地方还有待改进，对整个系统的可行性也有待考证。
在充足的时间下，毕业设计一定要解决这些方面，做一份更加完善的课程设计。
，
八、参考文献
[1]郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社，2009.
[2]钟富昭等.8051单片机典型模块设计与应用[M].人民邮电出版社，2007.
[3]刘迎春,叶湘滨.传感器原理设计与应用，国防科技出版社，2004.2
[4]秦荣荣、崔可维.机械原理.高等教育出版社，2006.3第一版
[5]寇尊权.机械课程设计.机械工业出版社，2008.1第一版
[6]陈育中.电子设计工程，2011年02期
[7程德福，林军，智能仪器，北京：
机械工业出版社，2006,8
[8]何克忠，李伟，计算机控制系统，北京，清华大学出版社，2003，9
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