CN201429585Y - 一种轴承钢球缺陷的涡流相敏检测与质量分选控制装置 - Google Patents

Abstract

一种轴承钢球缺陷的涡流相敏检测与质量分选控制装置，属于机械自动化检测领域，主要解决普通钢球检测需要人工检测且误检率高的问题，包括：信号产生单元、涡流感应单元、相敏检波单元，AD转换单元、控制装置、中心处理装置和分选装置，信号产生单元产生交变激励信号，在钢球表面感应出涡电流，感应信号经过前置放大电路放大后就可以进行相敏检波，使用模拟乘法器来完成相敏检波电路的设计，然后将信号AD转换后传送至微处理器，最后通过分选装置实现对钢球的筛选，该控制装置可以批量无损检查钢球表面及亚表面的缺陷，可以替代人工外观检查，降低误检率，提高生产效率。

Description

一种轴承钢球缺陷的涡流相敏检测与质量分选控制装置

技术领域

本实用新型涉及钢球制造行业的一种钢球质量检测装置，具体地说是一种通过涡流相敏检测技术来对钢球质量进行分选的装置。

背景技术

钢球是滚珠轴承的重要零件，钢球的质量对滚球轴承的精度、运动性能及使用寿命的影响至关重要，“零缺陷”己从过去优质品的要求变为对钢球产品的正常要求，钢球属于批量加工产品，擦伤和轻微碰伤难以避免，在生产中完全杜绝不现实，当前钢球表面缺陷的检测仍采用人工检测方法，即将钢球置于显微镜下放大1 00倍，再与标准照片目视对照，判断存在缺陷的所属类别。这无疑需要大量人力，且生产效率难以提高；检验人员长时间地观测，也使漏检的机会大大增加。

发明内容

针对现有滚珠轴承中钢球检测的诸多不足之处，本实用新型提供了一种采用涡流探伤的原理来批量无损检查钢球表面及亚表面裂纹、麻点，乌球等缺陷，以增加钢球的可靠性，可以替代人工外观检查，降低误检率，提高生产效率。

本实用新型采用的具体技术方案是：一种轴承钢球缺陷的涡流相敏检测与质量分选控制装置，包括：信号处理装置、控制装置、中心处理装置和分选装置，中心处理装置与控制装置连接，控制装置连接信号处理装置和分选装置，所述的信号处理装置设有信号产生单元、涡流感应单元、相敏检波单元和AD转换单元，信号产生单元与控制装置连接，涡流感应单元与相敏检波单元连接，相敏检波单元与AD转换单元连接，AD转换单元与控制装置连接。

控制装置可以使用8051F020单片机作为控制器，中心处理装置可以选用ARM作为处理系统，分选装置主要实现钢球的送球、喂球、展开、分选，送球主要是顺序地将钢球送到检测点，喂球和展开主要完成对钢球表面的展开，便于涡流感应单元的检测，分选主要是根据上位机对钢球表面质量的判断，使不同缺陷的钢球进入相应的通道。

所述的信号产生单元设有激励信号单元和参考信号单元，所述的涡流感应单元设有激励线圈电路和测量线圈电路。信号产生单元主要是产生高频交变电流，只有当探头线圈中通有交变电流时，靠近被测钢球，钢球表面才会出现感应电流，这里可以使用正弦交流信号，参考信号单元可以使用CPLD产生两路相位相差90°的方波作为参考信号。涡流感应单元的探头可以采用差动式结构，在两根半圆磁芯上绕以相同匝数的线圈，方向相反，作为测量线圈电路，后将两半圆磁芯合并，在其外绕以线圈，作为激励线圈电路。在调试过程中，做到电平衡、阻抗平衡。实际检测中，当探头垂直接近被测钢球表面时，如果钢球表面完好，测量线圈中感应信号大小相等，方向相反，信号叠加后，差动信号为最小，阻抗平衡。当探头接近钢球部位出现裂纹时，即改变了探头的自身平衡，阻抗也随之变化，使差动输出发生变化，产生缺陷信号，缺陷信号送入信号处理电路。

所述的激励信号单元设有功率放大电路和电路补偿电路以提高检测的灵敏度和准确度。

所述的中心处理装置连接有显示单元、键盘和报警单元；显示单元可以为LCD显示器，使其对钢球质量检测结果可以显示、记录及存储，并进行质量评价，可通过键盘设定装置初始参数，可以通过RS-232/422通讯接口在线对钢球质量检测与分选系统进行数据传输。

激励源产生交变激励信号，经功率放大后在钢球表面感应出涡电流，因为激励线圈的磁场变化也会对测量线圈产生影响，为提高检测的灵敏度，要进行电势补偿，消除激励线圈对测量线圈的影响，使得测量线圈产生的感应信号几乎全部由钢球表面涡流所感应，而激励线圈感应的信号则由补偿电路所抵消，这样测量线圈获得的阻抗信号才能最大限度地反映出钢球表面缺陷的情况，提高了检测的灵敏性。感应信号再经过前置放大后就可以进行相敏检波，可以利用CPLD产生两路相位相差90°的方波作为参考信号。使用模拟乘法器来完成相敏检波电路的设计，利用模拟乘法器，可以提高信号的信噪比，这是因为模拟乘法器的输出频率分量少，通过简单的滤波电路就能去除无用信号。采用两片模拟乘法器分别完成感应信号与两路标准正交化信号的相乘，然后经过滤波后得出X与Y方向的直流信号和交流信号，通过直流信号可以画出阻抗平面图，利用交流信号，它可以与直流信号配合，提高对缺陷响应性能的测试，通过调节乘法器的增益，可以调节输出信号幅值的大小和灵敏性，获得合适的分解信号，满足系统设计要求。

在涡流检测信号分析过程中，缺陷信号的信息包括幅值和相位两部分，涡流检测中有一维(幅值)检测和二维(相位和幅值)综合检测两种主要方法，二维检测提供更为丰富的关于缺陷的信息。相敏检波器实质是个模拟乘法器，主要作用是将输入信号与参考信号(正弦或方波)相乘，其结果会出现输入信号与参考信号的差频项及和频项，后续的低通滤波的作用是滤除和频分量，这时的等效噪声带宽很窄，极强地抑制了输入噪声。

设缺陷信号为：U₀＝Asin(ωt+Ф)

                              (1)

两路相位相差90°的信号分别为：

$U_R=\frac{4B}{\mathrm{\π}}(\sin \mathrm{\ωt}+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{\ωt}+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\ωt}+...)---\left(2\right)$

$U_S=\frac{4B}{\mathrm{\π}}(\cos \mathrm{\ωt}-\frac{1}{3}\cos 3\mathrm{\ωt}+\frac{1}{5}\cos 5\mathrm{\ωt}-...)---\left(3\right)$

则经过相敏检波后的输出分别为：

$U_X=U_0\×U_R=A\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\Φ})\×\frac{4B}{\mathrm{\π}}(\sin \mathrm{\ωt}+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{\ωt}+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\ωt}+...)$

$=\frac{2\mathrm{AB}}{\mathrm{\π}}[\cos \mathrm{\Φ}-\frac{2}{3}\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\Φ})-\frac{2}{15}\cos (4\mathrm{\ωt}+\mathrm{\Φ})-...]$

$=\frac{2\mathrm{AB}}{\mathrm{\π}}\cos \mathrm{\Φ}+\underset{n=0}{\overset{n\→\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{-4\mathrm{AB}}{\mathrm{\π}(2n+1)(2n+3)}\cos [(2n+2)\mathrm{\ωt}+\mathrm{\Φ}]---\left(4\right)$

同理：

$U_Y=U_0\×U_S=A\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\Φ})\×\frac{4B}{\mathrm{\π}}(\cos \mathrm{\ωt}-\frac{1}{3}\cos 3\mathrm{\ωt}+\frac{1}{5}\cos 5\mathrm{\ωt}+...)$

$=\frac{2\mathrm{AB}}{\mathrm{\π}}\sin \mathrm{\Φ}+\underset{n=0}{\overset{n\→\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^{n}4\mathrm{AB}}{\mathrm{\π}(2n+1)(2n+3)}\cos [(2n+2)\mathrm{\ωt}+\mathrm{\Φ}]---\left(5\right)$

经过低通滤波后，高频成分被滤掉，输出为：

$U_x=\frac{2\mathrm{AB}}{\mathrm{\π}}\cos \mathrm{\Φ},$ $U_y=\frac{2\mathrm{AB}}{\mathrm{\π}}\sin \mathrm{\Φ},$ 所以通过相敏检波，阻抗信号的电阻量和电感量被分别提取出来，得出阻抗信号的X分量和Y分量，根据阻抗图，可以对各种缺陷进行判别。

本实用新型的有益效果是：该轴承钢球缺陷的涡流相敏检测与质量分选控制装置，通过采用涡流探伤的原理来批量无损检查钢球表面及亚表面裂纹、麻点，乌球等缺陷，以增加钢球的可靠性，实现人机界面操作，通过控制系统自动实现对钢球的检测，可以替代人工外观检查，降低误检率，提高生产效率。

附图说明

图1为该装置的总体功能框图

图2为该装置的信号处理框图

具体实施方式

本实用新型的轴承钢球质量在线检测与分选系统以涡流效应为基础，主要包括信号处理电路和处理控制装置及其扩展电路组成。

如图1所示，该总体功能框图中，控制装置选用8051F020单片机，完成对涡流检测板接收到的正交缺陷信号进行AD转换，和对产生参考信号的CPLD进行控制，以便产生两路同步的正交信号，作为相敏检波的参考信号，中心处理装置选用ARM处理器，其主要是根据AD转换后的数值，进行缺陷的判别，它能够根据判别算法实时地处理大量的数据，保证了在线检测的准确性，降低了误检率，并且连接一键盘和报警装置和显示器LCD，通过控8051F020单片机控制钢球的分选装置，实现对钢球质量的检测分选。

如图2所示，信号产生单元的激励信号源产生交变激励信号，经功率放大后在钢球表面感应出涡电流，涡流传感器的半圆磁芯作为涡流探头，对钢球表明进行探测，激励线圈设有电压补偿电路，与激励线圈感应的信号相抵消，这样测量线圈获得的阻抗信号才能最大限度的反映出钢球表面缺陷的情况，提高了检测的灵敏性。感应信号再经过前置放大后就可以进行相敏检波，可以利用CPLD产生两路相位相差90°的方波作为参考信号。使用模拟乘法器来完成相敏检波电路的设计，利用模拟乘法器，可以提高信号的信噪比，然后将信号通过接口PSD1或PSD2传输给F020

Claims (4)

1.一种轴承钢球缺陷的涡流相敏检测与质量分选控制装置，其特征是：包括信号处理装置、控制装置、中心处理装置和分选装置，中心处理装置与控制装置连接，控制装置连接信号处理装置和分选装置，所述的信号处理装置设有信号产生单元、涡流感应单元、相敏检波单元和AD转换单元，信号产生单元与控制装置连接，涡流感应单元与相敏检波单元连接，相敏检波单元与AD转换单元连接，AD转换单元与控制装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种轴承钢球缺陷的涡流相敏检测与质量分选控制装置，其特征是：所述的信号产生单元设有激励信号单元和参考信号单元，所述的涡流感应单元设有激励线圈电路和测量线圈电路。

3.根据权利要求2所述的一种轴承钢球缺陷的涡流相敏检测与质量分选控制装置，其特征是：所述的激励信号单元设有功率放大电路和电路补偿电路。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种轴承钢球缺陷的涡流相敏检测与质量分选控制装置，其特征是：所述的中心处理装置连接有显示单元、键盘和报警单元。

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