钢球表面缺陷检测技术的研究

发布时间：2017-09-14 21:40

  本文关键词：钢球表面缺陷检测技术的研究

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【摘要】：滚动轴承在国民经济中素有“工业的关节”之称,钢球是它最常用的滚动体,肩负着承受载荷和传递力的作用。钢球的质量在很大程度上影响着轴承的精度、动态性能及其使用寿命。据国内外相关资料统计,由钢球表面缺陷引起的球轴承的振动和噪音的比例占71.4%,是制约球轴承质量提高的主要因素。钢球表面缺陷的检测既是整个钢球生产加工工艺的最后一道质量检测的关卡,又是决定钢球出厂精度的关键性工序,由此可见,钢球表面缺陷的检测是影响钢球质量提高的关键性因素。目前,我国钢球生产企业使用的钢球质量自动检测装置大部分依赖进口,但是该设备价格昂贵在我国钢球企业无法得到推广使用;国内众学者针对钢球质量自动检测装置的研究大多还处于实验状态,少部分研制成功的样机也有待提高其检测效率和准确度。因此我国迫切需求开发一种价格适中、灵敏度较高、准确度较好的钢球质量自动检测仪,突破发达国家对高精度钢球和轴承市场的垄断。本文是在一系列项目基金的资助下展开的基于同轴多光纤RIM-FOS实现钢球表面质量自动检测的研究,以Beckmann散射理论和双光束比较设想为理论依据,将光纤传感技术和微弱信号处理的方法引入钢球表面质量的检测中,结合STM32单片机系统和上位机系统,力求研制出一套价格适中、高速高效的钢球表面质量自动检测的装置,以弥补我国在高精端轴承业的“短板”。本文基于钢球表面缺陷参数的量化原理,结合机械行业钢球表面缺陷的评定标准,把缺陷分为粗糙类缺陷和位移类缺陷,便于光纤传感器提取缺陷信息;以Beckmann散射理论和双光束比较设想为理论依据,提取钢球表面的粗糙度或位移的信息。分析RIM-FOS的工作原理及其光纤结构的设计,选用三圈同轴多光纤RIM-FOS对钢球表面质量进行检测。分析发射光纤出射端的光强分布,选取准高斯分布假设,依据球面几何关系推导光纤传感器的函数模型,为光纤传感系统的标定奠定基础。分析设计钢球表面缺陷检测的硬件系统和软件系统。硬件系统的设计包括信号处理系统的设计和单片机系统的设计;设计信号处理电路完成光信号向电信号的转换并通过差动放大电路、带通滤波放大电路和低通滤波放大电路逐级滤除噪声干扰,放大有用信号,通过除法运算电路的设计将缺陷的位移类特征单独提取出来,获得反映被测面位移缺陷的信息;单片机系统采用模块化的设计方案,通过A/D转换、串口通信、数据存储等模块的设计,采用C语言编程,实现模数转换,并将采集的信号送到上位机进行分析。制作电路板,搭建实验平台,通过对粗糙度标准样块的测量实验,完成光纤传感系统位移和粗糙度的标定;通过对大量已知缺陷钢球分别进行钢球表面缺陷粗糙度与位移的多次重复性测量实验,初步建立输出模拟电压波形与钢球表面缺陷类型的对应关系,为钢球表面质量自动检测设备的研制奠定基础。
【关键词】：钢球 表面缺陷 光纤传感器 信号处理 单片机
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG115.28
【目录】：

• 摘要8-10
• abstract10-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 课题研究的背景及意义12-15
• 1.2 国内外钢球检测技术的研究现状15-19
• 1.2.1 国外钢球检测技术的研究现状15-17
• 1.2.2 国内钢球检测技术的研究现状17-19
• 1.3 光纤传感技术19-20
• 1.4 主要研究内容20-22
• 第二章 钢球表面缺陷检测的理论分析22-35
• 2.1 钢球表面缺陷的分类22-26
• 2.1.1 人工检测的缺陷评定分析22-24
• 2.1.2 评定钢球表面缺陷的参数分类24-26
• 2.2 钢球表面缺陷检测的光学原理26-27
• 2.3 光纤传感器的理论研究27-33
• 2.3.1 光纤传感器的原理与分类27-28
• 2.3.2 RIM-FOS的工作原理28-30
• 2.3.3 RIM-FOS光纤结构的设计30-32
• 2.3.4 发射光纤出射端光强分布的理论模型32-33
• 2.4 钢球表面缺陷检测的总体设计方案33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第三章 光纤传感器的建模与信号处理电路的设计35-53
• 3.1 同轴型多光纤RIM-FOS的简介35-36
• 3.2 同轴型多光纤RIM-FOS的建模分析36-40
• 3.2.1 接收光纤有效受光面积的分析36-38
• 3.2.2 曲率对光强调制特性影响的理论分析38-40
• 3.3 信号处理电路的整体设计40-51
• 3.3.1 调制光源驱动电路的设计41-43
• 3.3.2 光电转换与差动放大电路的设计43-45
• 3.3.3 带通滤波电路的设计45-48
• 3.3.4 低通滤波电路的设计48-49
• 3.3.5 除法运算电路的设计49-51
• 3.4 本章小结51-53
• 第四章 钢球表面缺陷检测单片机系统的设计53-69
• 4.1 钢球表面缺陷检测的单片机系统设计53-54
• 4.2 单片机硬件系统设计54-63
• 4.2.1 微处理器芯片选型54-56
• 4.2.2 电源电路56
• 4.2.3 串口通信电路56-57
• 4.2.4 A/D转换电路57-58
• 4.2.5 数据存储电路58-59
• 4.2.6 液晶显示屏电路59-60
• 4.2.7 调试接口电路60-61
• 4.2.8 其它基本电路61-63
• 4.3 单片机系统的软件设计63-68
• 4.3.1 单片机系统主程序设计63-64
• 4.3.2 采集时间与键盘输入程序设计64-65
• 4.3.3 A/D转换程序设计65
• 4.3.4 液晶显示程序设计65-66
• 4.3.5 串口通信程序设计66-67
• 4.3.6 报警指示程序设计67-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第五章 钢球表面缺陷的检测实验69-79
• 5.1 搭建实验平台69-71
• 5.2 光纤传感系统的标定71-75
• 5.2.1 光纤传感系统粗糙度的标定72-74
• 5.2.2 光纤传感系统位移量的标定74-75
• 5.3 同轴多光纤RIM-FOS检测钢球表面的缺陷75-78
• 5.3.1 钢球表面粗糙类缺陷的检测实验75-76
• 5.3.2 钢球表面位移类缺陷的检测实验76-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第六章 结论与展望79-81
• 6.1 结论79-80
• 6.2 展望80-81
• 参考文献81-84
• 致谢84-86
• 附录86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：852521