基于電感傳感器的滾珠分選機設計

陳月晨，苑會娟，詹 燁

CHEN Yue-chen1, YUAN Hui-juan1, ZHAN Ye2

（1.哈爾濱理工大學 測控技術(shù)與通信工程學院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，哈爾濱 150080）

0 引言

由于加工精度的限制，以同一種方式生產(chǎn)出來的滾珠會有一定的直徑誤差，有些廠家為了保證生產(chǎn)出來的軸承的穩(wěn)定性，因此采用很高精度的生產(chǎn)機器，由此產(chǎn)生了很高的制作成本。若采用精度不高的生產(chǎn)機器，生產(chǎn)出廠的滾珠軸承的穩(wěn)定性又無法達到預期。

如果可以在生產(chǎn)滾珠的最后一步能夠?qū)L珠進行分選，選出在一個公差帶內(nèi)的滾珠，并且在軸承套圈的生產(chǎn)過程中考慮這個公差，這樣就可以在不需要置換低精度設備的情況下生產(chǎn)高精度軸承?？梢妼τ跐L珠軸承的自動分選的研究有非常重大的意義。

由于位移傳感器非常普及，因此外文文獻主要都是對于分選流水線的設計[1]和采用電容傳感器[2]對于滾珠的表面進行精確測量。其中基于電容傳感器對滾珠表面的幾何結(jié)構(gòu)進行精確測量十分先進，并且該裝置主要應用于超高精度的滾珠的篩選。

現(xiàn)在國內(nèi)的直徑測量主要分成兩類，第一類是使用CCD等光學感應器件對于被測量進行分選，第二類是使用傳統(tǒng)的位移傳感器對于被測量進行篩選。由于光學感應器件有速度快，誤差小，功能多等優(yōu)勢[3]，光學感應器件大多都用于精度要求不高的場合，如水果分選[4,5]等。傳統(tǒng)位移傳感器大多都用于高精度的測量場合，如電磁軸承，磁懸浮軸承等。

對于分選方式和電感式位移傳感器的驅(qū)動電路，國內(nèi)的各大院校也對其進行了深入的分析，如有些院校采用滾籠式分選[6]，可以大大加快分選進度，但是分選的尺寸很大，分選精度不高，大多是礦石[7]等對象。對于電感傳感器的驅(qū)動電路很多的院校都提出了很多的抗干擾和提高精度[8～10]的方式，但是都僅限于提高傳感器的測量精度，并沒有實際的應用的例子。針對實際應用差動變壓器的設計[11,12]，大多都用于軸承使用時的實時測量，并沒有對于軸承在加工和制造過程中的問題進行解決。

文獻[13,14]提出了一些智能化篩選方式，但是文獻都沒有涉及到機械部分的設計，大多都是對于設計的原理進行了論證[15,16]，最多對于分選結(jié)構(gòu)進行了設計，然而對于關(guān)鍵的測量機構(gòu)的設計卻是一筆帶過，沒有詳細的描述。

1 滾珠分選機硬件電路的設計

本次設計主要采用模塊化設計，分選系統(tǒng)主要功能模塊包括有上料模塊，送料模塊，測量模塊，分選裝置和料箱。其硬件電路由測量部分、控制部分、動力部分及按鍵顯示部分組成，測量部分由電感式位移傳感器和AD574為主的AD轉(zhuǎn)換板組成，中央控制板由89C51為MCU的最小系統(tǒng)構(gòu)成，動力部分由3臺四相步進電機和以L298N為主的驅(qū)動板組成，按鍵顯示部分由HD7279驅(qū)動的數(shù)碼管和按鍵組成。除此之外還有兩臺35W的開關(guān)電源分別為測量系統(tǒng)、中央控制板以及動力部分提供電力。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分選系統(tǒng)硬件電路的組成

1.1 測量部分的設計

測量部分的傳感器是電感式位移傳感器，其主要任務是測出滾珠的直徑并且將位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號方便測量，由于這套系統(tǒng)對于精度比較高而對于速度沒有過高的要求，因此AD轉(zhuǎn)換器采用雙積分型AD轉(zhuǎn)換器來確保轉(zhuǎn)換精度，又因為雙積分型AD轉(zhuǎn)換需要一定的時間，如果這時前端電壓發(fā)生變化，則會產(chǎn)生的錯誤的數(shù)據(jù)，最后導致分選結(jié)果錯誤，因此在AD轉(zhuǎn)換前應當增加采樣保持器，這樣套系統(tǒng)實現(xiàn)了使電感式位移傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的功能。

1.2 中央控制板的設計

如圖2所示是89C51中央控制板的原理圖。

圖2 中央控制板連接示意圖

中央控制板采用以89C51為MCU的控制板，該控制板為89C51單片機提供運行所需的外部電路，并且將所有的IO管腳引出，以方便連接外部設備。因此在設計中央控制板的時候，也盡量設計得小一些，這樣方便安裝和調(diào)試。

1.3 動力部分的設計

本分選裝置的動力部分主要是為活板門的開啟與關(guān)閉和滾珠的送料裝置提供動力，由于送料裝置為鏈輪推動滾珠向前滾動，并且保證滾珠在合適的位置上被測量，因此對于動力部分的精度也提出了要求，因此本分選系統(tǒng)采用四相步進電機來提供動力，并且讓步進電機工作在8拍模式下，這樣就可以保證送料裝置工作的精度和穩(wěn)定性。

由于步進電機是感性負載，因此在突然掉電的情況下會產(chǎn)生反沖電流，因此在設計原理圖的時候應當考慮反沖電流對驅(qū)動芯片的影響，因此在芯片的驅(qū)動端都加上了二極管來消除反沖電流的影響，如圖3所示。

圖3 動力模塊連接示意圖

1.4 按鍵顯示部分的設計

由于3臺步進電機的控制和AD574的控制使用了大多數(shù)IO接口，因此讓單片機直接控制LED和控制按鍵已經(jīng)不可能了，所以需要外部擴展顯示芯片和按鍵，采用串行的方式進行控制LED和讀取按鍵信息。由于考慮到以后裝箱的可能性，因此在設計PCB的時候特意將數(shù)碼管設計在正面，其余所有的元件都設計在背面，并且在設計的時候?qū)@示和按鍵分開，這樣在安裝的時候有一定的自由度。

1.5 軟件的設計

分選系統(tǒng)流程圖如圖4所示。分選系統(tǒng)是由單片機控制整個分選流程，因此單片機內(nèi)部的程序也和硬件系統(tǒng)對應的分為幾個模塊進行實現(xiàn)，并且這幾個模塊相互配合形成流程圖，實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行。

圖4 軟件流程圖

從分選流程的角度進行考慮，單片機首先需要控制送料齒輪傳送一粒滾珠到傳感器下并進行測量，因此在程序的起始需要送料模塊，然后單片機需要從傳感器讀取數(shù)據(jù)，并且進行判斷，這個數(shù)據(jù)是落在哪個公差帶內(nèi)部。所以單片機需要數(shù)據(jù)讀取模塊和數(shù)據(jù)判斷模塊。在完成判斷后需要打開對應的門，因此需要開門模塊，當滾珠落入對應料箱后，此閥門應當關(guān)閉并等待下一個滾珠到來。

綜上所述，完成整個控制需要以下模塊：送料模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)判斷模塊、開門模塊和關(guān)門模塊。根據(jù)上面所列舉的模塊，構(gòu)建了這個分選系統(tǒng)的流程圖。

2 機械結(jié)構(gòu)的設計

本分選機構(gòu)的特點在于上料機構(gòu)和測量機構(gòu)是在一個地點完成，而且上料機構(gòu)一次性完成上料、測量和退料這三部，而且可以循環(huán)往復進行測量，具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易的特點，同時，所有的傳動機構(gòu)都是標準件，在市場上都可以以很低的價格購買到。整體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和俯視圖如圖5和圖6所示。

圖5 分選裝置側(cè)視圖

圖6 分選裝置俯視圖

2.1 上料機構(gòu)的鏈輪的設計

上料機構(gòu)的核心是一個由步進電機驅(qū)動的鏈輪。由于鏈輪主要是用來與鏈條配合，完成傳動任務，并且鏈節(jié)的形狀為圓柱形，因此鏈輪也可以用于分開一粒與另一粒滾珠，并且固定住被測的滾珠。由于分選的滾珠公稱直徑為10mm，因此鏈條滾子直徑d1=5mm?？紤]到在分開一粒與另一粒滾珠的時候，減小滾珠進入齒輪死區(qū)的概率，因此該鏈輪配合的鏈節(jié)距應當盡量的小，本分選系統(tǒng)采用鏈輪截距P=3/8=9.525。齒數(shù)z=15，鏈輪參數(shù)計算如下。

分度圓直徑為：

取分度圓直徑d=46mm。

齒頂圓直徑為：

取齒頂圓直徑D=50mm。

齒根圓直徑為：

取齒根圓直徑d=41mm。

2.2 測量機構(gòu)的設計與實現(xiàn)

LVDT垂直于鏈輪安裝，當鏈輪將一粒滾珠送到傳感器探頭下時，傳感器放下探頭，并測量該滾珠的直徑，測量完成后抬升探頭，鏈輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，送來下一粒滾珠并且將這粒滾珠推送到分選區(qū)域。同時對于測量臺也有一定的要求，在LVDT下的測量臺必須是用鎢鋼制成，這樣才可以有一定的硬度，保證測量數(shù)值的準確，同時還保證了耐用性。

2.3 分選機構(gòu)的實現(xiàn)

分選機構(gòu)的示意圖如圖7所示，其實質(zhì)為可以控制閥門開合的料箱，在本設計中，為了節(jié)約成本，所以控制機構(gòu)開合的轉(zhuǎn)動力也來自步進電機，當有滾珠滾落的時候，相對應的閥門由步進電機控制打開90°并延遲4秒，然后再將閥門關(guān)上。然而在實際生產(chǎn)過程中，應當采用將聯(lián)軸器和滾道進行焊接的方式進行連接，防止?jié)L珠滾落到錯誤的料箱內(nèi)，或者直接采用氣動閥門，也可以增加分選機構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖7 分選機構(gòu)示意圖

3 分選機構(gòu)的精度分析和標定

3.1 分選裝置的精度

本設計采用由SOWAY公司生產(chǎn)的SDVB20系列回彈式位移傳感器，該傳感器的分辨率達到≤0.01μm，其重復性誤差達到≤0.01%。

采用的AD轉(zhuǎn)換器為AD574，是一個12位的AD轉(zhuǎn)換器。傳感器輸出的電壓值為0～10V，AD的輸入值為0～10V。因此，AD轉(zhuǎn)換器工作在滿量程狀態(tài)下，輸出212=4096個數(shù)，因此該套分選裝置的分辨力為：

又因為AD轉(zhuǎn)換器的誤差約為最小位的2～3倍，因此該套裝置的輸出分辨力為1.83μm。

實際測量時，儀器的分辨力至少是測量實物的精度的3倍，因此該裝置能分選的最小公差約為5μm。

3.2 儀器的標定

采用標準量塊對儀器進行標定，量塊等級為1級，符合93-2235標準，并且在20℃時進行標定，以保證測量的準確性。

標定采用如下方案，使用1mm的量塊進行調(diào)零，并且每間隔0.2mm取一點測量輸出，并且記錄輸出值，這樣在全量程內(nèi)有14個標定點。對于部分沒有合適量塊的標定點，應當采取兩塊量塊研合的方式進行標定。為了減小誤差，應當盡量采用較少的量塊進行研合。標定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 標定數(shù)據(jù)

獲得測量數(shù)據(jù)后，采用最小二乘法對于數(shù)據(jù)進行擬合，并且獲得擬合方程為：

擬合直線如圖8所示。

4 結(jié)論

本設計在總結(jié)現(xiàn)階段滾珠分選方式的優(yōu)缺點的基礎上，提出了采用鏈輪傳送滾珠實現(xiàn)上料，采用LVDT測量滾珠直徑實現(xiàn)分選。采用了模塊化的設計思路，便于產(chǎn)品更新?lián)Q代，使其具備了更強的適應能力。在設計中，采用LVDT作為測量傳感器，同時具有可靠性高和精度高兩種優(yōu)點。使用鏈輪和步進電機配合進行傳動，機械結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)。通過89C51單片機進行數(shù)據(jù)處理和控制分選，用HD7279和數(shù)碼管進行數(shù)據(jù)顯示。對設計制作的分選裝置進行了標定，采用最小二乘法求出了擬合方程。

本設計還可以在以下方面進行提高：

該設計目前只適用于滾珠的分選，對于其它類型的滾子無法進行測量；分選速度過慢，如果可以使用其他測量方式加快分選速度則更好。

圖8 擬合直線

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