钢球表面质量检测系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

钢球表面质量检测系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

开轮机构中，它的运动件包括展开轮、被测钢球和主 动轮。 展开轮的结构如图 所示。 济南大学毕业设计 6 图 展开轮结构 其中 A、 B 分别 为钢球与展开轮的接触点， OA、 OB 分别 为展开轮的瞬时母线，OA 垂直于 OB(即展开轮的两个侧面夹角保持固定的 90 度 )， AB 的 连线与转动轴的夹角为 a。 随着展开轮的绕着转轴的转动， OA、 OB 将 会产生偏转，即展开轮侧面发生偏转，这会使得两个接触点 AB 的连线与展开轮转动轴之间的夹角 a 发生改变， a又 为时间的正弦函数，它可以表示为：    wtt sin （ 21） 接触点 A 和 B 的瞬时速度分别表示为 ：   aRLwV A  45c o s （ 22）   aRLwV B  45s in （ 23） 相对钢球旋转轴，作为展开轮，它的的角速度分别表示为 ：     aRaRLww A  45c o s45c o s （ 24）     aRaRLww B  45s in45s in （ 25） 当 t=0，则展开轮与钢球的旋转轴二者是平行的 ，即 a等于 0， WA=WB。 随着 t的 增大，使得 a增大 ， a大于 0， WA大于 WB，钢球旋转轴将逐渐发生倾斜，最终其到达最大极值的倾斜角度，然后倾斜角 a开始减小，直到到达反向的平衡位置， a=0， WA=WB；接着反向倾斜， a小于 0， WA 小于 WB，最终其到达最大极值得倾斜角度，继而倾斜角度将会渐渐地减小，最终回到原来的正向初始位置，这样地往复运动。 在钢球检测中 a转动一周存在 2 的 变化范围，展开轮的两个侧面为非对称的 V型锥面就是由于这种夹角的变化而形成的，展开轮两侧与钢球的接触线分别为余弦和 正弦曲线。 有了这种特殊的结构，在展开轮的作用下，被检测钢球既做正旋转运动，又做侧旋转运动，从而实现钢球的全面展开。 济南大学毕业设计 7 展开轮的设计 如图 ，为钢球表面展开机构的机械图。 图 钢球表面展开机构 从图中可以看出，钢球表面展开机构中有驱动轮、展开轮、压紧轮、激光器、振动传感器，压紧轮支架，激光器支架及底座，展开轮支架，机器支架，还有很多的螺钉、螺栓和螺母。 图。 济南大学毕业设计 8 图 展开轮 图 为激光器的支架及底座。 图 （ a） 激光器侧向支架 图 （ b） 激光器底座 济南大学毕业设计 9 3 信号处理系统分析及设计 在钢球检测系统中，钢球支撑件以及传感器周期性微弱振动对信号的影响非常大，这会使信号很容易被这种环境噪声所淹没，导致光电转换后的测量信号信噪比非常小，因此说仅仅对信号进行前置放大是远远不够的，必须采取微弱光电信号处理方法来增强信号，减弱噪声，改善信噪比。 常用的改善信噪比方法有：取样积分技术、光子计数技术、锁相放大技术 9。 其中锁相放大技术，处理电路比较简单，它只对被测信号与参考信号相同频率相同相位的信号分量有响应，可以很大程度上抑制无用的噪声，提高信噪比。 本节将利用锁相放大技术设计来钢球表面缺陷信号处理系统。 为了实现锁相放大，必须对光源发出的光进行斩光或者调制 10 ，因此与静态试验中使用的恒功率驱动不同，本论文设计的光源发出的是脉冲光，通过发射光纤照射到被测钢球表面 (调制区 )，反射后，表面形 貌 (纹理粗糙程度等因素 )引起光的强度幅值发生变化，从而将此脉冲光变成了被调制的信号光并被探测器接收，接下来只要对此信号进行解调就可以获得与表面形貌相对应的信号。 这样就将信号由低频范围迁移到设定的高频范围，从而避开低频噪声的不利影响，检测系统也就变为交流系统，接下来就可以利用锁相放大技术对其进行检测。 信号处理系统总体方案如图 ，激励光源调制电路可以产生固定频率的方波，将此方波作为系统的载波信号，通过驱动电路提供足够大的电流，驱动光源发出稳定的脉冲光进入发射光纤。 三个相同的 PIN光 电探测器分别接收三路光信号由接收光纤束发出出的，转换为微弱电压信号再经过前置放大后。 在各自的锁相放大器中，三路信号分别经过滤交流放大、带通滤波、相敏检波、低通滤波后，再通过一个除法器将其中的两路信号得到两路信号的比值，然后和第三路信号共同送到 CPU中进行采集及处理。 济南大学毕业设计 10 图 钢球表面质量检测信号处理系统总框图 调制光源激励电路 调制光源激励电路是用来为光电管提供一个 100KHZ的矩形方波信号的，此信号一方面可以作为光源的激励信号，最终被转换为脉冲信号从而作为载 波信号；另一方面是作为后面相敏检波的参考信号。 在此选用 NE555时基集成芯片，用它组成的脉冲振荡电路，占空比是可调的。 如图 ， NE555芯片 3脚为输出端，输出电流大约20mA左右，此电流不能直接驱动发光二极管，因此必须要加入驱动级或者功放级。 在这里选用的是门驱动电路 75451来实现的，通过驱动级后，能够获得的输出电流大概为 100mA，而后再接入发光部件，经由改变电位器 R100，进而就可以改变发光的强弱。 此处所用的发光部件是采用惠普公司的 HFBR15X7发光模块，其内部含有一个波长 650nmLED。 济南大学毕业设计 11 R4T R I G2C V ol t5GND1T H R6D I S7Q3VCC8U 28N E 555C 280. 01uFC 601nFD1D I O D ED2D I O D ER 108620R 109620R / 1100R 1510081243U 29D S 75451R 110 100AN1C A T H2G N D3G N D4G N D5G N D8U 3015X 7R82KR 11127C 6110uF+ 12f a ngbo 图 调制光源激励电路 光电转换及前置放大电路 相对与发光模块，选用的是惠普公司的 HFBR25X6接收模块作为光电转换器件，在内部，有跨阻前置放大电路和一个 PIN光电二极管。 能够将 接收到的光信号经过HFBR25X6接收模块 改变为模拟电压信号，继而此模拟电压信号再通过选用 T型反馈网络的反相比例放大电路。 选用 T型反馈网络，是为了代替反向比例放大电路的 fR ，避免大阻值电阻稳定性差带来放大比例不稳。 其等效阻值 为： KR RRRRRRR f 322 222022212120  （ 31） 放大比例为 ： 23227 2220222121200  RR RRRRRRUU i （ 32） 电路图如图。 济南大学毕业设计 12 V C C4G N D3G N D2S I G1G N D8G N D5U12 5 X 6R247R147R72KC 2 50 . 0 1 u FC10 . 1 u FC 3 60 . 4 7 u F 746+32U4A D 8 2 5C20 . 1 u FC30 . 1 u FR 1 21 0 0R 1 11 0 0R 2 01KR 2 21K+55R 2 11K 图 光电转换及前置放大电路 带通滤波电路 相对噪声的功率谱密度，有效信号的 功率谱密度较窄，而带通滤波器只会让一部分噪声经过，于是说噪声滤波器能够在一定程度上优化信噪比。 其电路图如图 示： R 3 6R 3 9R 3 8C 4 3C 4 8C 4 2R 3 7C 4 9+32467U 1 1A D 8 2 5+ 1 2 1 2 图 带通滤波电路 锁相放大电路 锁相放大技术是基于互相关原理的一种微弱信号检测技术，锁相放大器由输入 济南大学毕业设计 13 信号通道，参考信号通道以及相敏检波三部分组成。 输入信号通道首先对初始信号进行初步的选频放大和窄带滤波，参考信号通道通过移相和锁相提供与输入信号相同频率和相同相位的参考信号，然后由乘法器实现输入信号和参考信号的相乘，得到两者的和频等差，经过低通滤 波器后得到与输。