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钢球表面检测研究分析


   近年来发展的钢球质量检测仪器大多采用涡流检测技术,检查时对钢球的球面多采用子午线展开方式,但由于此类仪器价格昂贵、使用过程中难以达到钢球检查要求的清洁度、子午线展开方式中子午轮型面复杂、制作难度大、子午轮在应用中易于磨损、受损的子午轮会导致钢球展开不充分、容易引起缺陷漏检、需要经常更换、维护费用高,目前在国内推广使用受到一定的限制。
  因此,为简化子午线展开的复杂模型,介绍一种采用经纬展开方式的钢球表面展开系统,并简要介绍该系统的设计制作。此系统具有价格便宜、易于制作、展开充分、不易磨损等特点。

1 系统组成与工作原理
以机械展开为核心的钢球自动检测系统主要分为自动进料系统、机械展开系统、涡流检查系统、自动分选系统。自动进料系统定时定量有规律地将钢球供应给机械展开系统。
  钢球在机械展开系统作用下,连续、完整和高效地将待检测表面在一定时间内连续全部送至传感器的有效探测区域,使其不存在任何盲点,并且尽量减小重复点以提高检测质量和检测效率。涡流检查系统将材质不合格的钢球分选到异质钢球通道。自动分选系统根据涡流检查的结果对钢球进行分类。检测系统结构示意如图1所示。
  钢球表面检测系统用于工业轴承生产中钢球的无损检测,能够自动筛选出有缺陷(如裂纹)和材质(如热处理状态、化学成分和硬度)不合格的钢球。该系统检测的基本原理及工作流程是:钢球由进料斗经配料盘进入材质分选通道,材质检查由涡流探头、下料孔进入分选系统,不合格的钢球从A通道剔除,合格钢球经B通道进入探伤通道,探伤时由上导轮的球窝有序地将钢球送入探伤位置,探伤后的钢球由下导轮球窝送入分选器,根据探伤时有无缺陷信号分别送入合格通道和不合格通道。检测中,机械装置、涡流检查系统和工控机应该各司其职、协同工作,机械装置保证钢球的有序进给、传动和展开,涡流检查系统通过传感器测取信息,由工控机统一控制。

2 钢球表面检测的机械系统
2.1 钢球表面机械展开系统
机械展开是钢球检测时整个球面都能保证得到检查的技术关键。如果展开不充分,会使局部球面得不到检查,导致漏检。因此,在实现外观质量检测过程中,钢球须在此展开机构的作用下,连续、完整和高效地将待检测表面在一定时间内连续全部送至传感器的有效探测区域,使其不存在任何盲点,并且尽量减小重复点以提高检测质量和检测效率。
  本研究采用经纬展开方式对钢球表面进行机械展开,即探头沿钢球赤道摆动扫描,钢球沿经线方向旋转地互动展开,这种展开方式简化了子午线展开的复杂模型,只要经纬方向的转动配合恰当,就可以方便得到充分的展开。
  机械展开系统的运动部件主要有探头架、上下导轮,当电机控制上下导轮同速度搓动时,步进电机控制探头架上安置的成180。角的两只探头沿赤道方向对钢球扫描检查。由于采用上下导轮搓动形式,保证钢球被检时能很好地转动,并且上下导轮的接触球面为V字型,使被检钢球与导轮的接触可近似看作是点接触,所以,可以认为被检钢球与上下导轮间作纯滚动而不产生滑动。
  检测中被检钢球的进出料是由轮系上的球窝实现的。在上下导轮同步转动时,下导轮将带走检查完毕的钢球,同时上导轮将待检球送入检查位置。
  经纬展开方式中,探头沿钢球赤道方向摆动扫描,钢球沿经线方向旋转,因此探头在钢球表面的扫查轨迹是钢球面上的一圈圈的螺旋线。螺旋线能否覆盖整个球面和螺旋线的密度决定了展开是否充分,是否有局部的漏检存在。
  由于探头在钢球表面的扫查轨迹是复杂的空间螺旋线,并且钢球在展开过程中只作纯旋转运动,不产生移动,因此为了能对探头在钢球表面扫查运动规律做动态仿真,同时分析钢球展开轨迹空间螺旋线的间距即死区大小和检测运动周期,建立了一套简便有效的数学模型。

2.2 自动进料、自动分选系统
由于滚动体便于运送,设计了与检测速度相适应的进、出料和分选机构。进料由料嘴和配料盘完成,料嘴和配料盘都由电机带动低速转动,料嘴的转动可使料斗中的钢球有所扰动,以便钢球可以源源不断地进入检查通道。配料盘转动用于控制进球速度与检测速度保持一致,避免通道中供求过量积压或供求不足。
  在进球途中安排了材质检查、分选机构,经过涡流检查,材质不合格的钢球在这里被分选到异质钢球通道。材质分选之后安排了异质球分选机构,把与被检钢球规格直径尺寸不相吻合的钢球送入异质通道剔除出去。异质球分选机构采用了一对辊轮。
  辊轮由两截直径不等的圆柱组成,两辊轮小端低、大端高,成一定角度的平行安装。小端间隙以被检钢球校准(通常比被检钢球大0.15~0.2O mm),两辊轮以内侧向上的不同方向转动,这样,当钢球从辊轮间隙上方滚动通过时,小于被检钢球规格尺寸(称小球),在辊轮大端尺寸处已经从辊轮间隙中跌落到辊轮大端下方的小球槽被剔除,大于被检钢球规格尺寸的钢球(称大球)则不论在辊轮大端还是小端都不能从辊轮间隙中跌落下来,只能从小端的尾部滚落到大球槽中被剔除。检测后只有从辊轮小端间隙中跌落下来的钢球才能进入探伤通道。在制作辊轮时尽量提高它的表面清洁度和光滑程度,避免钢球被划伤或污损。在涡流探伤通道中安装光电管,用以对通过的钢球进行计数。
  由于电磁阀门具有响应速度快、易于控制的特点,在材质分选和探伤分选中均采用电磁阀门结构。在合格球通过时,涡流仪将不会发出信号,电磁阀门将会在无任何动作情况下让球进入合格通道,当有异质球或伤球通过阀门时,涡流信号经计算机处理判别,计算机将会控制电磁阀门动作让钢球进入旁路分选出去。

3 结束语
通过对钢球检测系统的研究,理论上验证了采用经纬展开方式的钢球表面机械展开系统设计的实用性,并将此理论已经应用到实际中,经检验该系统可以准确地检测钢球有无缺陷。
  但本系统在低速检测时比较稳定,当进行高速检测时有时会出现误检,所以该系统将有待改进。将在机械控制部分采用数字PID进行控制,可以抑制高速检测过程中的干扰和不稳定等;尝试采用数字图形显示技术进行钢球质量的检测,以便于直观、形象地对钢球检测仪的检测性能和运行状态进行判断。
  总之,该系统不但简化了子午线展开的复杂模型,而且具有价格便宜、易于制作、展开充分、不易磨损等特点,便于在我国推广使用。

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