本五 23 孟俊峰.docx

1、本五 23 孟俊峰摘要本设计是针对滚珠按直径自动分选的难题，提出一种采用CCD光电传感器来实现对滚珠直径进行测量的方法。通过对CCD中被挡光部分的像元个数的计数，从而获得滚珠的实际直径，经过系统中单片机的自动分析判断，启动分选装置，将符合条件的滚珠分选出来。该方案可较好的实现滚珠的自动分选，是光电技术在滚珠分选行业的典型应用。关键字：滚珠；分选机；CCD-TCD142D传感器；89C52单片机；误差分析 Abstract This design is for the ball in the problem of automatic sorting diameter,puts forward a

2、 method to realize the measurement of ball diameter by CCD photoelectric sensor.Through the count of CCD were counted in the pixel light-blocked, to obtain the actual diameter of ball, after the judgment of singlechip in system,start sorting device,sorted out in line with the conditions of the ball.

3、This scheme can realize automatic sorting the ball better,is a typical application of photoelectric technology in ball separation industry.目 录第一章 绪论 11.1 滚珠分选机研究的现状 11.2 研究内容 1第二章 方案设计 2第三章 分选机模块设计 33.1 上料装置 33.2 送料装置 43.3 测量部分 63.3.1 测量装置 63.3.2 激光发射端 73.3.3 CCD光电传感器 83.3.4 CCD-TCD142D传感器 103.4 分选部

4、分 113.4.1 分选原理 113.4.2 分选装置 12第四章 系统软件设计 134.1单片机 134.1.1 AT89C52简介 134.1.2 引脚介绍 134.2 CCD-TCD142D电路 164.3 二值化电路处理 174.4 输入模块 184.5 显示模块 194.6 分选模块电路设计 204.7 总体电路设计 214.8 系统程序设计 21第五章 测量误差分析及误差消除方案 225.1 误差分析的要素 225.2 随机误差 235.2.1 滚珠热胀冷缩引起的随机误差 235.2.2 被测滚珠尺寸产生的测量误差 235.2.3 被测滚珠表面粗糙度引起的误差 245.3 系统测量

5、误差 255.3.1 测量环境中杂质引起的误差 255.3.2 传感器定位引起的误差 255.4 本章小结 26参考文献 27致 谢 28第一章 绪论 1.1 滚珠分选机研究的现状调查资料表明，国内外对轴承滚珠的分选装置的研究经历了很长的一段时间，它作为轴承制造业中重要的专用设备，对提高轴承质量，提高生产效率，减轻工人的劳动强度，具有十分重要的意义。根据测量方式的发展过程将分选装置分为以下几个阶段1：第一阶段：采用千分表对滚珠进行测量，这种方式出现最早，也是应用时间最长的一种测量方式，在我国大多数的轴承生产厂家依然沿用该分选方式，它虽然能够在一定程度上满足生产的需要，但由于采用该方法必须投入大

6、量的人力资源，严重的浪费了劳动力，对于人口密集型的地区来讲尚可以适用，但对于劳动力稀缺的地方就存在着人力资源浪费的现象。第二阶段：采用接触式的测量方式，根据不同的滚珠，设计不同类型的滚珠分选机，设计的目的是为了能够实现自动上料、自动送料、自动测量以及依类别分选等过程。第三阶段：采用非接触式的测量方式，将计算机强大的数据处理能力和庞大的分析能力有机地结合起来，以满足人们对于工业自动化程度不断提高的需要。采用非接触式的测量方式不仅能够解决测量过程中由于磕碰产生的误差，而且测量精度也非常高 。综上所述，滚珠分选机因轴承行业的兴起而发展，随着工业发展的程度的不断递进，研制自动化程度更高的分选设备对我国

7、工业自动化水平的提高有强劲的推进作用。 1.2 研究内容 （1）研发一种能够取代传统检测方式的测量设备，其作用对象是轴承滚珠。 （2）寻求一种不同于当前分选机的测量方式，提出利用CCD光电传感器实现非接触式测量的方式来获得被测滚珠的直径的思路，并在结构中合理运用。 （4）对测量过程中由随机误差、系统测量误差引起的对测量结果可能产生误差的原因进行分析，找出主要误差和次要误差，对可能产生的误差值进行量化，并提出避免和减少误差产生的方案。 第二章 方案设计本次设计主要采用模块化设计，模块化设计主要是以功能化的产品结构为基础，分解产品，在分解中考虑到各个要素的可行性，从而在早期就预测到设计中可能会出现

8、的矛盾，提高设计的可行性和可靠性，降低产品的成本2。系统主要功能模块包括的部分有：测量模块、控制模块、送料模块、上料模块、分料模块以及落料模块；次要功能模块包括：支架模块、动力模块以及外形罩模块。本文章将主要介绍设备中的上料装置、送料装置、测量部分与分选装置，并对最后测量结果进行误差分析。滚珠分选流程图如下：图2-1 滚珠分选系统流程图待测滚珠由自动上料装置送下，经送料装置送入测量部分，测量部分通过CCD-TCD142D测出滚珠的直径数据，使滚珠经过不同的阀门进入到不同的料箱中储存，从而完成对滚珠直径的自动测量与分选。CCD-TCD142D图像传感器作为测量元件。拟采用AT89C52单片机进行

9、数据处理和控制分选，用LCD12864-0402B进行数据显示。第三章 分选机模块设计 3.1 上料装置 上料装置它的作用是把盛在料斗里的工件送至待料位置，实现自动供料。作为自动上料装置的料斗有多种结构型式，常采用往复式推管式结构，其中常见的有如图3-1两种，前一种是气动式的，它实际上是一组复合气缸，中空的活塞杆即为料管，两气缸的运动时反向的，一般用在圆锥滚子和圆柱滚子等分选机上。后一种是机械式的，由电机传动，也是由两支上下往复运动的推管组成，一般用在滚珠和钢球等分选机上。 1、上套 2、上料管组件 3、托快 4、螺钉 5、软管组 6、压软管块 7、托架 8、侧向轴承 9、摆杆 10、盖板 1

10、1、油杯 12、塞子图3-1 料斗 要保证高精度、高速度的自动分选，有一个高效率的自动上料机构是必须的，两向往复推管式料斗能很好地保证这一点。即使对于不易下料的某些大规格滚珠，也能保证100个每分的供料速度，此时两推管的往复运动速度为60-100次每分，因此供料情况完全满足要求。此外，在这种结构中，两推管对料斗中所盛滚珠的搅动较小，故虽然下料速度甚快，但滚珠的搅动量不大，因而与其他一些结构形式的料斗相比较，这种料斗噪音较小，滚珠表面搓伤也较小3。 3.2 送料装置送料装置不仅应满足送料对象的节拍要求，而且要为CCD光电传感器的工作提供条件。CCD光电传感器的响应时间较短，测量速度快，可以采用气

11、缸推料的方式，由送料杆将滚珠从待料位置送入测量位置，同时把前一个滚珠推入分选装置，从而实现送料。如图3-2所示，送料装置有三个功能件组成，分别是50斜面、气缸、V型定位块。三个功能件安装在设备中的测量工作台上，组成送料结构。50斜面安装在工作台的右侧，其出口端与V型定位块相连，斜面上的滚珠在重力和后排滚珠的推力作用下顺利滚落到V型定位块中。在V型定位块的一侧由装有推杆的气缸连接，气缸的往复运动推动滚珠在V型块上的移动。V型块是滚珠移动的载体，不仅与50斜面、气缸相连，还有一部分位于传感器之间，便于滚珠的测量4。 图3-2 滚珠送料装置示意图 具体设计思路4如下： 50斜面的设计：如图3-3所示

12、，滚珠为球面体,其与工作台之间的接触方式为点接触,斜面对滚珠产生的摩擦力小,存在一定斜度的平面上的滚珠会自动滚落,便于滚珠的自动送料。同时,过大的倾斜角度会导致滚珠不能按顺序排列在斜面和V型定位块上,经计算采用斜度为50的斜面为适合角度。此外,设计中为了方便滚珠能够顺利的从斜面上滚落到V型定位块上,在50斜面的出口端相对于V型定位块高出2mm,这样既会使滚珠可以正常滚动到V型块上,又可以避免滚珠卡在50斜面和V型定位块二者间。图3-3 50斜面结构示意图 气缸的设计：气缸选用的是标准件,其行程的选择是根据滚珠的直径决定，对于测量不同直径的滚珠时,气缸的行程是需要调节的,因此实际测量中应根据不同

13、直径在气缸端头处装上不同长度的推杆,以满足送料时的需求。此外,推杆不仅起到送料的作用,在推杆伸出的同时还将阻挡下一个滚珠下落,保证50斜面上的滚珠能够逐个有序地移动，从而起到阻料的作用。 V型定位块设计：V型定位块是连接50斜面与传感器之间的纽带，同时滚珠测量的过程也是在其上进行的，所以，该定位元件不仅需要为滚珠的移动提供支承，而且还要保证滚珠在移动的过程中不被磨损。该元件的材料应采用尼龙制成，尼龙具有很高的机械强度、耐热、摩擦系数低、耐磨损，并且还有具有吸震性，对于测量设备的定位元件是一种很好的材料5。同时，如图3-4所示，在V型定位块的一侧铣出宽度为5mm的条形槽，光电传感器的发射端发射的

14、激光将从此处贯穿，滚珠在V型定位块上移动经过时可以通过CCD接收端暗区的长度而计算出待测滚珠的直径。图3-4 V型块结构示意图 该方案有如下优点: (l)该送料装置仅采用三个构件来实现，结构紧凑，能够满足对送料设计的要求，简单而实用。 (2)采用50斜面放置滚珠，与气缸伸出的推料杆之间联动使其可以在重力的作用向下自由移动的同时也达到了逐个放行的目的，省去阻料器的设计。 (3)采用尼龙V型定位块使定位准确，滚子在移动过程中减少其摩擦，避免在测量时表面粗糙度受到破坏。 3.3 测量部分 分选机的两个重要的模块是测量与分选，测量是滚珠分选的第一个环节，也是决定整机测量精度、测量速率的主要环节。测量工

15、具的选择是该部分设计的首要任务之一，下面结合现有的测量仪器进行比较，选择满足测量需求的产品。现阶段用于滚珠直径测量的仪器共有两种，分别是接触式传感器、非接触式传感器， 接触式传感器：主要以压电传感器为主，仪器结构简单，价格较高，但测量精度高，测量准确。多出现在20实际90年代中后期研制的滚珠分选机中，测量效率相对较高，可减少劳动力投入，降低工人的劳动强度。缺点是现有市面上出售的传感器价格居高不下，导致分选机的价格难以被中小生产厂家所接受，不利于自动化设备的大范围推广。非接触式传感器：现阶段出现的非接触式测量分选机中，光电传感器是唯一被应用的传感器。光电传感器结构简单、体积小、测量精度高、测量结

16、果准确可靠、价格较高，但由于其在测量过程中对被测零件没有磨损，且被测零件定位简单，响应时间短、速度快，可以满足现代工业快速滚珠测量的目的。利用光电传感器进行测量是滚珠测量行业的最佳方案之一。本设计采用光电传感器进行测量，光电传感器用于测量系统时，具有不接触、精度高、速度快、灵敏度好及不受电磁干扰等优点，对于生产线或设备维修都具有极大的应用潜力。3.3.1 测量装置如图3-5（a）所示,左侧为激光发射端,右侧为CCD接收端，发射端产生一个截面状的平行光束向前传递，CCD接收端能够检测到所发射的平行光束范围，这样就在两者之间形成了一面测量区域。从图3-5（b）中可见，V形定位块在激光通过的部分铣出

17、缺口以便光线能够完全无阻碍通过，当待测滚珠从中穿过时，被测滚珠会阻挡住一部分平行光束，在CCD光敏面上形成暗区，而其余部分形成亮区，此时只要测得暗区的长度就可计算出被测滚珠的直径值。（a）（b）图3-5 测量装置示意图 3.3.2 激光发射端测量装置的激光发射端采用半导体激光器作为发射光源，半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器，亦被称为半导体激光二极管。半导体激光器具有超小型、高效率、结构简单、成本低、易于调制等优点6。其原理如下：通过金属接触给PN结加上正向偏置，在作用区内，电子和空穴复合产生光子。当注入电流较小时，注入结区的电子和空穴也较小，辐射小于吸收，此时激光器只能产生自

18、发辐射，出现普通的荧光；电流逐渐加大，注入结区的电子和空穴增多，这时将发射很亮的荧光。当注入电流增大到增益足以补偿损耗时，才能产生谱线尖锐、模式明确的振荡，此时才是真正的激光。其特性如下：功率电流特性是半导体激光器重要的特性，是系统设计的重要依据，当激光器注入电流较小时，自发辐射占据主导地位，输出的光为荧光；随着注入电流的逐渐增大，开始产生受激辐射，输出光功率也逐渐增加，当注入电流增大到某一值时，输出光功率急剧增加，这个电流就是阈值电流，当注入电流大于阈值时，激光器发出激光。如图3-6所示，为激光发射端的光学系统，半导体激光器发射的激光经光栅变成平行光束后射向被测滚珠以及CCD接收端，从而完成

19、对滚珠的测量。图3-6 激光发射端光学系统示意图3.3.3 CCD光电传感器CCD（Charge Coup Led Device)即电荷耦合器件，是一种新型的固体成像器件，它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电子芯片，既具有光电转换的功能，又具有电信号电荷的储存、转移和读出的功能。CCD传感器在结构上可分为面阵和线阵。面阵CCD主要用于图像的记录、储存等方面，线阵CCD主要用于物体外部尺寸的非接触检测及机器人视觉中的精确定位等。较之传统的机械式、光学式、电磁式测量方法，线阵CCD传感器实现了尺寸检测的智能化、自动化。线阵CCD因其驱动简单，信号处理相对容易，而在工业检测领域得到了

20、广泛的应用7。而本次设计正是以线阵CCD传感器为基础来测量滚珠直径，从而实现滚珠的自动分选。 （1）CCD光电传感器的工作原理CCD电荷藕合器采集图像信号,可分为三个过程,首先将光信号转换成电荷,然后暂时存放在存储器中,最后用时钟脉冲顺序读出信号。1.采光积累电荷当人射光照射到光敏元件上时,由于光量子的激发,使光敏材料上的导电粒子（电子空穴对）增加,在金属电极下的P型硅衬底上表面形成电荷积累。人射光越强,在光敏材料中激发的导电粒子越多,形成的电荷积累也越多。2.电荷的转移及电荷信息的读取 为取出存储区中积累的电荷信息,在金属铝电极和P型硅衬底加上控制电压,使存储区中电荷向下一存储电荷区中转移,

21、送至电荷信息读取电路,在时钟脉冲控制下顺序读出。CCD电荷祸合器像串行移位寄存器一样,以行为单位,一位一位地输出信息,实施电荷的转移输出。电荷转移和电路信息读取电路是一个构造较复杂的半导体电路，需在P型硅衬底上制作电荷转移存储器，输出电极（N+），还需要有三组不同电源相配合方能输出电荷信息。CCD电荷耦合器输出的是与入射光强度成比例的模拟信号，此信号送往A/D转换，转换成一个与入射光强度成比例的二进制数（该二进制即对应一个像素的数据），并送往下一级电路处理。 （2）CCD光电传感器的特点及应用 CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储

22、、传输、处理和复现。其特点如下： 1.体积小重量轻； 2.功耗小、工作电压低、抗冲击与震动、性能稳定、寿命长； 3.灵敏度高、噪声低、动态范围大； 4.响应速度快、有自扫描功能、图像畸变小、无残像； 5.像素集成度高、尺寸精确、商品化生产成本低。其主要应用于数字相机、数字摄像机、扫描仪中，在采用光学方法测量外径的仪器中，常把CCD器件作为光电接收器。 （3）CCD的输出信号 图3-7为CCD的输出信号示意图，亮区处为高电平，暗区处为零，且像元之间的距离是已知的(相邻像元中心距是制造时确定的)。CCD的感光或挡光区域输出的信号经二值化处理后并作适当的电平变换，成为一定宽度的电平信号。如果得到挡光

23、区域所包含的像元个数，则就可计算出该挡光区的宽度来。由于CCD的信号是移位输出的，且移位信号的输出是与移位时钟脉冲对应的，所以为了计算出挡光区域所包含的像元个数，只需对图3-7(b)中a、b两点间所对应的移位时钟脉冲数进行计数即可，这样就不需要将每一像元信号均读出处理，而只需采用计数电路对像元个数进行计数即可。 （a） （b）图3-7 CCD输出信号示意图 3.3.4 CCD-TCD142D传感器CCD传感器本设计采用的是线阵TCD142D传感器。TCD142D是一种具有2048位光敏元的双沟道两相线阵CCD器件，共有2110个光敏像元阵列，62个哑元(前51个、后 11个，以铝膜遮盖用于测量

24、暗电流)，共有22个引脚，其中12个是空脚8。TCD142D具有高灵敏度、低暗电流等优点，其管脚排列如图3-8所示： 引脚说明： 1A（1B、2A、2B）：时钟 SH：转移栅 RS：复位栅 OS：信号输出 DOS：补偿输出 OD：电源 SS：地 NC：空脚 图3-8 TCD142D管脚图 其主要性能参数如下： 像敏单元数目：2048像元 像敏单元大小：14m14m14m（相邻像元中心距为14m） 总体传输效率：92 时钟频率：0.1-20MHZ 工作温度：-25-+600C 供电电源：+12V 光敏区域：采用高灵敏度和低暗电流PN结作为光敏单元3.4 分选部分 3.4.1 分选原理 当前面的C

25、CD测量出滚珠的直径后,单片机就将该直径与事先设定的合格直径范围进行比较,一旦符合预设要求,则单片机就会向相应的输出口发出高电平,该高电平触发继电器后开启电磁阀门,从而使滚珠落入不同的料箱中，即完成对不同直径滚珠的分选。其流程图如下：图3-9 分选装置流程图 3.4.2 分选装置本次设计拟将滚珠分为三类，直径在下偏差与上偏差之间的合格产品一类，直径超过上偏差的一类，直径小于下偏差的一类。如图3-8所示，分选装置主要由一个主滚道与三个下料管道组成9，主滚道与水平成150角以使滚珠能靠自重顺滚道滚下，阀门开关的长度C大于滚道宽度L，关系约为C=1.5L。当被测滚珠直径符合规定的合格直径时，单片机控

26、制阀门1，打开阀门1状态如图3-10(虚线所示），接着让滚珠沿主滚道滚下，滚珠被开关1挡住，顺势滚向下料管道1，落入对应的料箱。然后开关复位，主滚道畅通，开始分选下一个滚珠，如果所测滚珠直径超出了允许的误差范围，当其小于下偏差时，打开阀门2；当其超过上偏差，打开阀门3；最后落入对应的料箱，以此完成对滚珠的分选。第四章 系统软件设计 4.1单片机 4.1.1 AT89C52简介本次系统设计单片机拟采用AT89C52，AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k 字节的可反复擦写的只读程序存储器和256 字节的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高

27、密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合10。AT89C52主要性能参数如下： 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容 8k字节可重擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz-24MHz 三级加密程序存储器 2568字节内部RAM 32个可编程I/O口线 3个16位定时/计数器 8个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式 4.1.2 引脚介绍 (1) 电源引脚 Vcc（40脚）：正电源的引脚，工作电压是5 V GND（2

28、0脚）：接地端图4-1 AT89C52引脚示意图 (2) 时钟电路的引脚XTAL1和XTAL2为了产生时钟信号，在89C52单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就是片内反相放大器的输入端，XTAL2端则是片内振荡器反相放大器的输出端。单片机使用的工作方式是自激振荡的方式，XTAL1和XTAL2外接的是12 MHz的石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号。时钟信号电路如图4-2所示：图4-2 时钟信号电路 (3) 复位RST（9脚）当振荡器运行时，只要有两个机器周期即24个振荡周期以上的高电平在这个引脚出现时，那么就将会使单片机复位，

29、如果将这个引脚保持高电平，那么52单片机芯片就会循环不断地进行复位。复位后的P0口至P3口均置于高电平，这时程序计数器和特殊功能寄存器将全部清零。复位电路如图所4-3示：图4-3 单片机复位电路图 （4）输入输出口（I/O口）引脚P0口是一个三态的双向口，既可以作为数据和地址的分时复用口，又可以作为通用输入输出口。P0口在有外部扩展存储器时将会被作为地址/数据总线口，此时P0口就是一个真正的双向口。而在没有外部扩展存储器时，P0口可以作为通用的I/O接口使用，但此时只是一个准双向口。P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而P1口只有通用I/O接口一种功能，而且P1口能驱动4个LSTTL

30、负载；在使用时通常不需要外接上拉电阻就能够直接驱动发光二极管；在端口置1时，其内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入端口用。对于输出功能，可以通过程序指令来控制单片机引脚的输出。P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而且P2口具有驱动4个LSTTL负载的能力。P2端口置1时，内部上拉电阻将端口的电位拉到高电平，作为输入口使用；在对内部的Flash程序存储器编程时，P2口接收高8位地址和控制信息，而在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口就送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2引脚上的内容在此期间不会改变。P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口能驱动4个

31、LSTTL负载，当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口还有第二功能，如下： P3.0：串行通讯输入口（RXD） P3.1：串行通讯输出口（TXD） P3.2：外部中断0请求输入端（ INT0） P3.3：外部中断1请求输入端（INT1） P3.4：定时器0输入端(T0) P3.5：定时器1输入端(T1) P3.6：外部数据存储器写选通信号输出端（/WR） P3.7：外部数据存储器写选通信号输出端（/RD） 4.2 CCD-TCD142D电路 TCD142D的内部结构如图4-4所示，TCD142D有2110个光敏二极管，其中前51个和后11个是用作暗电流检测（被遮蔽的），中间的2048个光敏二极管是曝光象敏单元。光敏二极管的两侧是用作储存光生电荷的MOS电容阵列，在MOS电容阵列的两侧是转移栅电极，转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出由信号输出单元和补偿输出单元构成。当TCD142D接受到光照后，光敏元件立刻产生电荷，改电荷被储存在转移栅电极中；