1、轴承圆柱滚子表面缺陷检测装置设计轴承是工业机器当中不可或缺的一个零件，轴承中最重要的部分就是轴承滚子，轴承滚子不仅在支撑载荷方面起着重要作用用，而且设备在高速旋转时，滚子对维持设备的稳定性起着至关重要的作用。目前针对滚子表面缺陷的检测有多种方法，尤其是近年来随着机器视觉的兴起，这项技术在轴承滚子表面缺陷的检测当中应用越来越广泛。本文主要围绕机器视觉技术，对圆柱轴承滚子表面的图像采集系统、自动上料机构和筛选机构进行研究，并设计了一套高自动化程度的轴承圆柱滚子表面缺陷检测装置,可大大提高检测效率和检测精度，主要研究工作如下：1 .根据大量的实验研究和观察，分析和总结出轴承圆柱滚子表面缺陷的6中类别
2、，并对每种缺陷类别制定了相关的识别标准，根据圆柱滚子表面缺陷检测装置的识别标准来制定图像采集系统的设计指标；根据图像采集系统的设计指标完成该检测系统中相机、光源等硬件的选型和结构设计;完成圆柱滚子表面缺陷检测系统的整体设计方案。2 .根据检测的要求，设计一套完整的检测流程，通过对检测流程的分析，确定了传动平台的整体框架，包括传动平台的侧板、两组转动轴位置的确定、两组电机的选型。为提高该装置检测的自动化程度，设计了自动上料结构和筛选机构。3 .分析了该检测装置中受力最大的两个关键零件，并对其进行受力分析和强度计算，最终通过计算可验证链轮驱动轴和滚筒驱动轴机器轴上零件均满足强度要求。本文通过对轴承
3、圆柱滚子表面缺陷检测装置进行了较为全面的研究，解决了目前轴轴承圆柱滚子表面缺陷检测的效率低、精度低、自动化程度低等诸多弊端，为轴承圆柱滚子检测提供了一种较为合理的办法。关键词机器视觉；轴承圆柱滚子；图像采集；表面缺陷检测；自动化摘要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景与研究意义11.2 国内外研究现状分析31.2.1 国内研究现状31.2.2 国外研究现状6第2章滚子表面缺陷检测装置总体方案设计82.1 滚子表面缺陷检测系统设计的总体要求82.2 滚子表面缺陷识别标准92.3 轴承滚子表面缺陷检测系统方案设计92.3.1 滚子表面图像采集方式的确定92.3.2 图像采集装置机械结
4、构设计102.3.3 硬件选型112.4 检测流程152.4.1 线阵相机的采图控制方案152.5 本章小结17第3章滚子表面缺陷检测装置关键部件设计183传动平台设计182.5.1 传动平台框架整体布局192.5.2 传动平台侧板截面设计203.2 自动下料机构设计223.3 本章小结23第4章主要零件结构设计和强度计算244.1 链轮驱动轴的设计与校核244.1.1 链轮驱动轴的设计244.1.2 链轮驱动轴的校核254.2 滚筒驱动轴的设计与校核264.2.1 滚筒驱动轴的设计264.2.2 滚筒驱动轴的校核274.3 本章小结29第5章技术经济评价305.1 技术评价305.1.1 确
5、定评价的技术性能项目305.1.2 确定具体评价指标305.1.3 对各方案进行评价305.2 经济评价315.3 技术一经济综合评价325.4 本章小结333435ABC 录录录 附附附-V-第1章绪论1.1 课题背景与研究意义近年，中国制造业迅速发展，在工业生产中对自动化的需求越来越强大，高精度、高产能，低能耗的机械装置，是支撑现代工业发展的关键。随着中国制造业的崛起，世界各大经济大国也都在向着制造业强国方向不懈努力。其中发展尤为显著的当属德国，率先提出了领先世界的工业4.0和智能工厂的概念，大大提高的其在世界大国制造业中的领先地位。当今,在中国人民的不断奋斗下，中国己经加入了制造业大国的
6、行列，正在朝着制造业强国继续努力。从全世界的角度看，当今，美国、德国、日本都是在智能制造行业领域比较领先的国家。中国要想在国际上占有领先地位，就必须保证产品质量。但由于我国目前产品种类繁多，产品的检测方式仍然以人工检测为主，故要想提高产品的检测精度、检测效率，就必须从根本上提高工业设备的自动化水平。轴承是机器中最重要、最基础的一种零件，也是设备运行时噪声和震动的重要来源之一，轴承决定了设备运行的平稳性于可靠性。轴承的水平从某种程度上能够体现出一个企业甚至一个国家的工业水平。轴承中最重要的部分就是轴承滚子，轴承滚子不仅起着支撑载荷的作用，而且在高速旋转时，滚子通过滚动的方式支撑着设备的稳定。如果
7、滚子表面出现缺陷陷，将会极大地影响机器设备运转的平稳性、甚至会存在安全隐患，轴承圆柱滚子表面常见缺陷如图1-1所示。图1-1轴承圆柱滚子经常出现的表面缺陷大量有关轴承表面缺陷的实验证明：因轴承滚子失效而导致轴承在运转中破坏的比例国内达58.8%而国外的情况却要乐观不少，仅23.4对：轴承滚子表面的缺陷可以使轴承在高速运转中因震动发生断裂而失效，小则机器失效，大则将发生严重的事故，甚至引发工作人员伤亡，并且会给国家带来重大的经济损失。若是在低噪声的静音轴承中，对轴承滚子的表面质量要求相对于普通轴承又会高出一个等级，图1-2为轴承在各行业中的应用。图1-2轴承在各行业中的应用据中研产业研究院公布2
8、022-2027年中国轴承行业市场深度调研与竞争格局预测报告显示：2021年中国轴承出口数量为782132吨，相比2020年同期增长了192987吨，同比增长32.7%;出口金额为515142.4万美元,相比2020年同期增长了152332.3万美元，同比增长42虬2021年，中国轴承出口均价为0.66万美元/吨，于2021年3月达到峰值为0.72万美元/吨。与此同时，不得不承认，我国与世界轴承行业强国相比，仍存在较大差距，主要表现为创新意识薄弱、设计水平不足、检验水平较低、关键技术缺失。根据中国工业联合会所作的中国轴承制造产业研究报告与中信建设所推出的轴承行业研究报告报道，这些领域所大量使用
9、的滚子正是我国轴承进口所占比例最大的项目，占总额的17.1%,其中近50%的进口来自德国和日本，由此可见，滚子轴承的质量已经成为制约我国装备制造业产业升级的关键因素之一，故提升滚子表面缺陷的检测就显得极为重要。1.2 国内外研究现状分析1.2.1 国内研究现状目前国内对轴承滚子表面缺陷的检测主要有以下几种方式：(1)人工检测：目前人工检测的方法大多是是凭借肉眼对轴承滚子表面进行观察，绝大多数中小型轴承加工工厂仍然使用人工检测的方法，在散光灯下目视检测，这种检测方法受工人情绪等主观性影响较大，由于工人经验水平的不同，导致对同种零件的评价标准不同，并且检测效率低,工作强度大，极易造成漏检或误检，造
10、成滚子质量下降错误!未找到引用源。，图1-3为人工在检测圆柱轴承滚子。图1-3人工检测轴承滚子表面缺陷(2)声振检测法：其基本原理是通过对被测轴承滚子施加特殊的外激励，使其产生振动。通过测量被测轧辑的振动特性，工人可以确定轧辐的振动状态，如果对振动频率、振幅等进行分析和评价，就可以检测出材料的缺陷。通过对被检测工件的振动分析，可以知道由于裂纹的存在，被检测工件的稳态固有频率和阻尼比会发生变化。当对被测工件施加相同幅值的激励时，如果被测工件存在裂纹缺陷，其阻尼比会比无裂纹缺陷工件的阻尼比下降得更快，并且可以发现，频率分量降低，发出的声音较低，而后者发出的声音响亮清晰。福建工程学院周景亮团队提出了
11、利用声振法对轴承滚子表层的裂纹进行检测叫提出由于裂纹的存在，改变了滚子结构原有的振动模态参数，通过多点激励产生滚子的声音并由传感器接收，处理器对接收到的声音进行处理和分析，并利用模式识别技术判断滚子表面是否存在缺陷，如实验示意图所示。该检测方法不同于传统的检测方法。基于声纳探测方法的探测技术不需要依靠人工判断。系统的整个识别过程是全自动的智能识别，避免了人为主观因素造成的误差，图1-4为声振检测法的原理图。（3）涡流探测：涡流探测是采用电磁感应的原理，通过正弦波激发探测器的线圈，使探测器接近金属表面时，线圈附近的交流磁场会使其产生感应电流。在平面金属中，感应电流的方向是一种叫做旋流的同轴线圈。
12、同时，漩涡还会产生与线圈磁场相反的频率的磁场。这种方法对表面和近表面缺陷的敏感性很高，线性显示在特定的区域。ET材料采用ET时，应考虑材料的质量、表面状况和检验准则，从而确定测试方案和技术参数，当采用ET时，无法准确判断出缺陷的圆周方向，而采用旋转探头ET可以实现，但检测速度相对缓慢，图1-5为涡流检测仪示意图。图1-5涡流检测仪示意图（4）磁粉检测：用磁性粉末作为一种检测手段来检测缺陷。根据磁性材料的种类，可将其划分为干、湿两种，并按磁性材料在工件上的停留时间划分为连续式和剩余式两种。磁粉探伤是一种常见的检测手段，它对工件的损伤非常小，可以有效地探测到铁磁材料的表面缺陷。其基本原理是：在被测
13、量的物体上施加一个磁场。在磁场作用下，工件表面出现裂纹、气孔、划痕等，使其表面的磁场线产生改变，使其产生局部磁极，在缺陷区产生漏磁场。漏磁场将在探测中产生的磁粉吸收并聚合，形成缺陷。由于表面效应，磁粉在直流电磁场中的探测深度只有12毫米，34毫米。磁性粉末检测是一种表面探测技术。这是建立在诸如电磁感应或磁性的金属等物理现象上。当磁性金属工件被磁化时，由于其内部的组织结构很均匀，因此在其内部会形成一条均匀的磁力线，从而使磁力线的分布变得不均匀。当磁性粉末溅到工件表面时，其边缘会吸附磁性粉末，从而暴露出缺陷。所有被检测出的工件，除了需要进行热处理以外，通常都需要进行磁场的退磁。简单实用的基本消磁方
14、式是把经过磁场检测的工件缓慢地从带有交流电的螺旋线圈中抽出来，或逐步减少直接经过工件的交流电流，从而实现去磁。用磁性粉末检测样品，采用磁粉检测，方法简单，但也容易发现皮下的缺陷。磁性粉末检测时，当材料或工件受到磁化时，漏磁场就会在材料的表面或其周围产生。在磁粉探伤中，一般能探测到不同尺寸、形状、不规则裂纹分布、毛线夹杂、白点、褶皱、夹层等。当这些缺陷出现在工件的表面或者周围时，通过磁性粉末探测到的磁性粉末就会形成一幅特殊的图像。通过这种方法，可以通过对磁性粉末的凝聚特性进行判定,并对其进行准确的检测。通过磁粉检测，可以直观地反映缺陷的形状、位置、大小和严重程度，对缺陷的最小宽度为0.1um,微
15、细裂缝深度在10um左右。然而，磁性粉末检测对被检产品的表面质量有很高的要求，对检测人员的技术和经验都有很高的要求，并且在很小的范围内检测速度很慢，图1-6为磁粉探伤原理图。图1-6磁粉探伤示意图（4）机器视觉检测法：近年来，随着科技的日益进步，机器视觉技术发展尤为迅速。在各行各业领域尤其是工业、航空航天、医疗、军事和医疗领域。典型的机器视觉检测技术主要包括照明装置、图像收集装置、计算机处理系统和相关的机械执行机构等。通常的工作过程为：照明装置为检测区域提供光源，使得图像收集装置能够采集到所测工件的实际图像,之后图像收集装置将采集到的图像传送给图像处理系统，图像处理系统通过对接收到的图像数据进
16、行分析和处理，得出相关的结论，之后给控制中心发送指令，来控制相关机械结构进行运动来达到筛选检测的目的。国内的视觉检测技术虽然晚于国内，但仍然有广泛的应用。比如李等人总结了机器视觉检测技术在电子元器件、管道、质量控制中的典型应用。仇等人通过对农业智能机械、病虫害监测、农副产品质量检测三个方面来描述机器视觉在农业方面的发展。由此可见，机器视觉检测技术在生产生活中应用还是比较广泛的，当然，在轴承滚子检测的研究也有很多。李等人设计滚筒加挡板的结构，通过使用曲线拟合的方法对滚子进行表面质量缺陷检测，但是由于像素少精度低，只能对大面积、大范围的缺陷进行检测L陈等人利用相机采集带有条纹的滚子表面图像，在两张
17、图像相似度极高的情况下利用拆分算法，能够实现滚子表面缺陷的分割，但是在实际情况中，很难实现这种运算。崔基于Labview平台对轴承进行缺珠检测，但只进行了定性检测【。文等人利用四个相机和两个光源对滚子表面进行图像采集，但是成本较高，图1-7为机器视觉检测原理图。图1-7机器视觉检测原理图1.2.2国外研究现状视觉检测技术作为一种应用及其广泛的高新技术，一直是国内外学者个技术专家热衷的研究领域。早在1983年，位于德国的Honeywell公司就已经率先完成了基于CCD成像的毛坯缺陷自动检测装置的设计研究，该项研究确立了以CCD成像传感器系统和句法模式的缺陷自动分类器在机器视觉检测中的主要地位41
18、。德国的另一家公司MVtecSoftware公司研究开发了一款名为Halcon的图像处理软件，此项软件是一个功能较全面、性能较强大的视觉处理软件，该软件已经成为世界上算子最齐全、应用最广泛的视觉处理软件之一，已成为机器视觉软件开发的主流软件1。Hardin介绍了当前机器视觉、深度学习和人工智能之间的关系，并且指明了机器视觉未来发展的重要方向是高速机载图像处理系统的研究。Patel设计开发了一种三维测量技术系统，该系统可以对距离进行测量口71。为提高苹果苹果缺陷检测效率，Siddiqi等通过使用卷积网络来提高检测的效率。Emam通过利用机器视觉来对瓷砖的尺寸进行测量，并且取得了不错的效果”纥Gr
19、ajales通过使用机器视觉对蛋壳进行缺陷检测，以达到蛋能够成功孵化的目的。Enrique通过利用机器视觉对建筑的材料进行缺陷检测，从而降低了工作人员的依赖21Ireri通过将机器视觉和机器学习相结合得到了西红柿分级的目的，大大提高了分级系统的稳定性与可靠性PLRajalingappaa利用机器视觉结合机器学习对枪的管道进行分类和检测，大大提高了系统的可靠性12%综上所述，当今针对轴承滚子表面缺陷的研究，还没有一款高效的设备对轴承滚子表面缺陷进行检测。本文通过当前研究现状的分析，设计了一款全自动轴承滚子表面缺陷检测装置，包括自动上料机构、传动机构、图像采集系统、筛选机构等组成，实现了在无人操作
20、的情况下，自动对滚子进行上料、检测和筛选，大大节省了人力和物力，降低了生产制造成本。-20 -第2章滚子表面缺陷检测装置总体方案设计2.1 滚子表面缺陷检测系统设计的总体要求轴承滚子表面缺陷检测系统是为了能够提高滚子表面缺陷检测的效率和精度，为了能够达到相关质量要求，对轴承滚子表面缺陷检测系统提出了更高的质量要求,主要体现在以下方面：1 .检测系统和上料下料机构应该实现高度自动化。为提高检测效率，减少检测时间是提高整个检测系统效率的关键；本检测系统应提高检测系统的可行性与稳定性，减少复杂程度，尽量减少工作人员的劳动强度。2 .该检测系统要提高滚子表面质量检测的精度，视觉检测装置应能准确采集被检
21、测件的实际表面图像，图像处理系统应能根据收集到的图像信息进行准确判断，以确保对轴承滚子表面的检测做出比较全面、准确的评价。3 .该检测装置应能够适应不同规格的圆柱轴承滚子表面质量检测。根据技术要求，该检测系统需能够对直径在5mm-50mm的不同轴承滚子进行检测。4 .该检测装置应不能对滚子表面质量产生第二次伤害，要求滚子在检测过程中，检测装置的机械结构不能对滚子造成划痕、挤压等新的缺陷。5 .该检测装置和检测系统要有足够高的稳定性和可靠性，检测质量不应随着检测数量、检测时间、外部环境、机器震动等变化而变化，而要保持一个相对稳定的检测水平，如果一台设备出现故障，该机器必须使工作人员能够方便、迅速
22、的进行维修，以确保检测工作能够顺利进行。6 .该检测装置应该操作简单，对工人的专业技术水平要求较低，使得普通工人经过简单地培训之后便可以上岗工作，这样也不要求相关工作人员有较高的只是文化水平，可以给广大失业者提供就业机会，缓解当前的失业形势。因此操作简单、准确是对本检测装置的基本要求。7 .其他要求。作为一款工业机器，首先要保证的便是安全系数，防止因机器的损坏而造成不可挽回的损失；此外低噪声、符合人体工学的设计也是基本的要求。以上这些要求是贯穿整个轴承滚子表面质量检测的所有环节2.2 滚子表面缺陷识别标准经过大量的实验研究和观察，总结出了6种轴承圆柱滚子表面常见缺陷的评判标准126，如表2-1
23、所示表2-1轴承圆柱滚子表面缺陷检测装置的识别标准缺陷类型人工检测法识别标准视觉检测法识别标准剥离有一定深度和面积，呈凹凸不平鳞状，有尖锐的沟角，呈海滩条纹状。有一定深度，面积一般大于5mm2,小于300mm2麻点密集的小凹坑，用手触摸有手感。有一定深度，单个麻点直径通常大于0.2mm,小于1mm。划痕有一定深度的长条状伤痕，用手触摸时，有手感深度一般大于0.5mm,长度一般小于4mm,宽度约为0.5mm,面积小于26mm2电蚀成片斑点、凹坑、密集的小坑状、金属熔融或洗衣板状。成片电蚀磨损光亮的不规则磨痕，手感不明显。光亮不规则，面积大于5mm2锈蚀带有一定面积且形状不规则的暗淡锈斑。面积大于
24、5mm2,小于10mm22.3 轴承滚子表面缺陷检测系统方案设计2.3.1 滚子表面图像采集方式的确定为了能够获得清晰的轴承滚子表面图像，就需要选择圆柱面的正确展开方式，目前根据现在研究，滚子柱面展开的方式大致分为三种，如图图2-1轴承滚子柱面的三种展开方式方式一：让滚子从一个斜面上滚下，滚落到下方平面上之后，在平面上方有三个面阵相机，可以抓取滚子表面图像。之后图像处理系统对抓拍的的若干张图像进行拼接，计算出完整的滚子柱面图像，从而检测出滚子表面质量缺陷。但是，当用这种方式展开时，由于滚子做加速运动，滚子会产生加大的震动，这就容易造成滚子的运动方向会发生一定的偏转，从而给后期合成拼接滚子的完整
25、表面图像带来很大难度，且图像的准确度也会有所下降。方式二：包括带有磁力的转台和一个工业相机，轴承滚子被吸附在磁力转台上，当开始采集图像时，转台转动，带动轴承滚子转动，此时位于右侧的工业相机会拍下滚子的完整柱面，以此来进行圆柱滚子表面质量检测。但是此种方式也有缺陷，若想要获得准确完整的滚子柱面图像，必须要求滚子放在转台的轴线上，但这就对对中性有了更高的要求，并且转台旋转时，滚在还会在离心力的作用下发生震动甚至倾斜，这样又会降低图像采集的精度。方式三：包括两个展开轮和一个工业相机组成，此种方式的检测原理为，两个展开轮以相同的角速度绕自身转轴旋转，在摩擦力的作用下，位于两个展开轮上的轴承滚子就会发生
26、自转，此时位于上方的相机就会采集到轴承滚子完整的表面图像。相对于前两种方式，此种图像采集装置不会发生震动和倾斜等问题，有利于提高滚子表面图像采集的准确度。综上所述，通过比较三种典型的圆柱面展开方式，可以清楚地看到，方案三显然避免了前两种展开方式的弊端，是本文设计轴承滚子表面缺陷检测装置的最佳圆柱面展开方式。2.3.2 图像采集装置机械结构设计轴承滚子表面缺陷检测装置的机械机构框架要能够适应不同的规格的轴承滚子表面质量检测，固定相机和光源的角度应能够进行合理的调节，具备较高的自由度和灵活性，使得光源的反射光经过滚子表面反射后，能够最大限度进入相机，从而获得清晰的图像。为了利用已有的零部件条件并且
27、使检测系统能够具备良好的照明条件,相机的位置应该能够在垂直方向上可调，并且能够调整俯仰角度和倾斜角度。光源需要有较好的俯仰角度和倾斜角度的调节能力，同时，相机和光源的角度要调整适当，使得相机的采图平面和光源的照射平面正好交叉于轴承滚子滚动面的顶部母线，如图所示，否则将会出现光线照射不均匀等问题，增大图像处理系统后期合成图像的难度，还有可能掩盖掉滚子表面实际存在的缺陷，从而大大降低轴承滚子表面质量检测的精度，图2-2为相机采光平面与光源照射平面相交示意图。（b）未重合与漠子顶部母线图2-2相机采图平面与光源照射平面相交示意图根据上述要求，相机在垂直方向上的位置调整通过滚珠丝杠来实现，俯仰角度通过
28、划定的圆弧槽来实现；相机切斜角度通过粗调机构来实现。光源的俯仰角度与相机类似，也是用划定的圆弧槽来实现倾斜角度通过调整平台来实现。相机和光源的调整机构如图2-3所示。图2-3相机可调节平台（左）和光源可调节平台（右）2.3.3 硬件选型2.3.3.1 相机的选择（1）相机类型：在该轴承滚子表面缺陷检测装置中，相机的作用就是获取轴承圆柱滚子表面的完整图像，之后将采集到的图像传送给图像处理系统。目前市面上常用的数字影像捕捉传感器主要有两种，一种是CMOS（互补性氧化金属半导体）传感器，另一种是CCD（电荷耦合器件）传感器mi。CMOS传感器与一般的感应器不一样，可以将每一像素的电荷资料都传送给另一
29、位像素，而不会有丝毫的疏漏。通常，这些信息都是从传感器的底部输出的，经过传感器的边缘，再进行放大。在CMOS感测技术中，每个像素的旁边都有一个放大器，它能释放储存在记忆电路里的资料。CMOS感应器的性能在一定程度上提高了CMOS感应器的复杂度,同时也减少了捕捉到的光子的有效区域，同时也降低了输出信号的均一性,但由于采用了大量的并行处理结构，CMOS感应器的整体带宽和速度都会提高，但在机器视觉方面，它的核心指标是速度和噪音。CCD传感器中,每个像素都会把捕捉到的电荷经过少量的输出结点进行传输，转化成一个电压信号并储存在缓冲中，再以模拟信号的形式从该信号中被传输出来，因为CCD传感器可以捕捉到光子
30、，因此它的输出信号均匀度非常高，而均匀度对于图像质量来说是非常关键的。CCD与CMOS器件的最大差别是由信号电荷向模拟信号转化，再到数字信号的转化。与CMOS感光元件CCD相比，它的优势在于：分辨率高，杂讯低，动态范围宽，线性特性曲线好，感光范围广，光谱响应范围广，图像失真低，体积小，重量轻,不受电磁场影响。工业相机的类型主要分为线阵相机和面阵相机两种;线阵相机的典型应用领域有金属、塑料、纸张、是指检测连续的材料，如纤维。被检测的物体通常移动均匀，为了使用一个或多个摄像头均匀地检测其整个表面，利用逐行扫描，已达到对完成图像的采集;线阵摄像机还可以处理由多行组成的基阵图像由于传感器的高分辨率，它
31、可以精确到微米。面阵相机实现了像素矩阵成像。在摄像机拍摄的图像中，表现图像的细节不是由像素的多少来决定，而是由分辨率来决定。分辨率由所选择的镜头焦距确定，即使是相同的相机，当选择不同焦距的镜头时分辨率不同，像素的多少并不决定图像的分辨率，两种相机都可以应用于生活中。然而，两款相机在成像原理、成像效率和成像质量方面存在差异。线阵相机每次扫描磁极图像时都完成总线的图像采集;滚筒继续滚动，直到所有照片被收集，然后图像处理系统这种采集方法是将所有这些母线表面图像拼接成完整的轧辑表面图像,面阵相机采集效率高，解决了由于光线不均匀引起的金属柱表面成像质量问题;可以一次采集一个平面或一个曲面的图像，用多个面
32、部摄像机拍摄滚子的表面，但是这样采集到的图像由于辑柱面的明暗不均匀，使得图像的精度降低，容易出现检测漏洞。(2)分辨率在圆柱滚子轴承表面缺陷检测装置的相机类型确定之后，接下来来选取相机的分辨率，由于相机的分辨率和滚子表面图像的采集精度有关，所以相机的分辨率必须通过计算确定。WK.=(2-1)公示中，叫为相机分辨率；W为物场宽度，单位mm；6为轴承圆柱滚子表面缺陷检测的精度要求，单位mm/pixelo本课题中，所选用的滚子直径为20mm,长度为40mm,为了能够完整的采集到滚子表面图像，线阵相机的物场宽度应该大于40mm,并且由于不同滚子直径和长度等规格的不同，要提高该检测系统的适用性，本课题规
33、定物场宽度为90mm。根据分析知滚子表面缺陷检测要求的精度为0.1,所以可根据式（2-2）计算得，线阵相机的分辨率要求为900。但在实际生产中，线阵相机的要求值通常是计算值的2倍，故所选用的相机分辨率应该在1800以上，根据该线阵相机的标准参数，最终选取线阵相机的像素为2048o接下来根据相机的分辨率，可通过下式计算得到圆柱滚子表面缺修检测装置的实际检验精度。WP.=（2-2）K2代入上述所选数据，（=2028,名为该检测装置的实际精度，单位mm/pixelo最终求得=0.0439mm/pixel,即该滚子轴承表面缺陷检测装置的实际精度为0.0439mm/pixeL（3）行频行频是衡量相机采集
34、速度的指标，这一参数直接影响整个检测装置的效率问题，在选择线阵相机时，需要对相机进行行频计算，线阵相机的行频计算可通过下式计算。（2-3）式中，用为滚子的展开速度，r/s；&为滚子直径，单位mm；E为相机的行频，单位Hz。根据圆柱滚子表面图像缺陷检测装置的技术要求可知，圆柱滚子的展开速度叼应大于117s,并且滚子的直径为20mm,这样就可以求得滚子的展开速度至少为62.83mm/s,故通过式（2-3）求得相机的行频尸应大于1431.25Hzo（4）图像传输方式当今市场上主流的工业相机传输方式主要为千兆以太网传输和USB接口传输两种。千兆以太网传输速度较高，协议比较稳定，对CPU的要求也相对较低
35、，占用内存也较少，并且这种接口的工业相机在市场的占有率比较高，技术也比较成熟。USB接口分为USB2.0和USB3.0两种，USB2.0传输速度较慢，占用的CPU资源较多，并且接口需要螺纹连接；USB3.0接口的传输速度相对于USB2.0有了明显的提高，但是就目前来讲,这种接口还没有得到广泛的应用。综上所述，本课题选用的线阵相机型号为MV-CL020-40GM,图2-4所示，相关参数如表2-2所示。图2WMV-CL020-40GM线阵相机表2-2MV-CL020-40GM线阵相机参数型号分辨率像元尺寸行频传输方式图像颜色接口MV-CL020-40GM2048X17Hm1-52kHz以太网黑白C
36、型2.3.3.2光源的选择图像采集与处理系统作为整个轴承滚子表面缺陷检测装置的核心，所有检测信息和目标都源于图像的，成像质量的好坏直接关系到最终的检测质量，而光源作为视觉系统输入的一环，直接影响着成像质量的好坏。按照光的性质划分，光源可划分为可见光源和不可见光源；按照射方式分，光源可分为背向照明、前向照明、频闪照明和结构光等；但是在机器视觉领域，光源通常按照光源形状进行划分，可分为条形光源、环形光源、背光源、同轴光源、AOI专用光源、线性光源、球积分光源、点光源、对位光源和组合光源等。其作用是为被检测的物体提供亮度，从而抑制外部环境光的干扰、提高成像品质、降低输入噪声，从而保证采集图像的稳定性
37、。选择合适的光源并且设计合理的照明系统，对目标图像和背景信息的分离非常有益，可以提高图像的信噪比，达到降低图像去噪、分割、特征提取、识别的难度，同时可以提高该检测装置的的定位与测量精度、系统的可靠性和综合性能。所以，光源是决定整个检测装置成像质量的首要因素。选择光源时，要考虑光源的尺寸、颜色、光照强度、散热性能、稳定性和寿命等因素。本课题采用日本公司生产的LN-60SW2-STK型线光源,经过LED灯珠照射的光穿过前部分的透镜后，就会得到聚光后的线光，即由点光源转换成线光源，此种光源专为线阵相机使用，色温为5500K,颜色为白色，输入电压为24V,功耗为6.1W,图2-5为该线性光源实物图，图
38、2-6为其工作原理。被测物体图2-5LN-60SW2-STK型线光源图2-6LN-60SW2-STK型线光源工作原理2.4 检测流程2.4.1 线阵相机的采图控制方案图2-7轴承圆柱滚子表面缺陷检测装置流程图其中平台驱动步进电机用来驱动平台上的展开轮传动链，使展开轮可以水平面上做横向运动；平台自转电机用来驱动摩擦带转动，通过摩擦带的转动使展开轮自转，图2-8为整机效果图，图2-9为检测装置放大图。工作过程：（1）首先将待检测的轴承滚子倒入储料漏斗中，当该检测装置开始工作时，平台驱动步进电机和下料电机同时运转，并且二者的转动速度有一定的关系，在工作期间，始终保持在展开轮每横向运动一个轴间距（两展
39、开轮之间的固定距离）的距离，下料机构下落一个轴承圆柱滚子，使其恰好落在两展开轮中间，直到所有线阵相机下方均有轴承滚子时，此时平台驱动电机和下料电机均停止工作。（2）当平台驱动步进电机和下料电机停止工作后，线阵相机和平台自转电机同时开始工作，平台自转电机工作后，会驱动摩擦带运动，展开轮在摩擦带的摩擦力作用下进行自转，从而在摩擦力的作用下，使得轴承圆柱滚子发生自转，这样线阵相机就可以对圆柱滚子的完整柱面图像进行采集。（3）当线阵相机将图像采集完成后，平台自转电机停止工作，线阵相机的采集的图像传送给图像处理系统进行图像的处理和分析。若检测到这一组轴承滚子存在缺陷，则控制中心将发送指令给滚子存在问题的
40、对应气缸，气缸通过伸缩使得存在问题的滚子被推下平台，落入到二号收集箱中，接下来平台驱动步进电机工作，将剩下的合格滚子送入到一号箱中；若检测到这一组滚子均为合格品，则平台驱动步进电机工作，将合格品送入到一号箱中。2.5 本章小结本章首先介绍了滚子表面缺陷检测系统设计的总体要求，并对滚子表面图像的三种采集方式进行了概述，最终确定了本课题所选用的展开方式。然后对图像采集装置中的相机和光源的机械结构进行设计。接下来通过计算和分析，确定了相机类型、分辨率、行频、图像的传输方式和光源的类型。最后，对整个轴承圆柱滚子表面缺陷检测装置的工作流程进行了说明。第3章滚子表面缺陷检测装置关键部件设计3.1传动平台设
41、计传动平台作为该检测装置的主体结构，也是决定整个装置检测效率的一个决定性因素，如何能够实现轴承滚子既能运输，又能进项自转，是此传动平台的关键所在，该传动平台主要完成的工作要求如下：（1）该传动平台与下料机构配合，使得轴承滚子能够有序能放置到规定的位置，以方便线阵相机对各个轴承滚子表面进行图像的采集。（2）该传动平台应该能够使得滚子在线阵相机的下方进行自转，以使得线阵相机能够采集到轴承滚子的完整柱面图像，并且保证轴承滚子在自转的时候要保持滚子轴线方向不发生变化。（3）该传动平台应该能够在各个气缸的作用下，分拣出轴承滚子表面存在缺陷的工件和合格工件。（4）该传动平台应该不能对滚子造成二次伤害，如挤
42、压、划痕等（5）该传动平台应该机构紧凑，执行高效。（6）该传动平台应保证滚子安置部件表面简洁，以利于后期目标滚子和北京分离。基*上述要求，采用链传动以带动滚子做水平横向运动，达到将轴承滚子放置到规定位置的要求；采用传动轴驱动摩擦带传动，摩擦带和展开轮紧密接触，展开轮在摩擦带摩擦力的作用进行自转；位于传动平台一侧的气缸负责将表面存在缺陷的轴承滚子推送带二号不合格品收集箱中。图3-1为传动平台整体结构图，图3-2为传动平台剖视图。图3-1传动平台整体结构图3-2传动平台剖视图3.1.1 传动平台框架整体布局如上所述，本传动平台若要实现预定功能，则需要两套传动装置，一套传动用于使展开轮可以在水平方向
43、上横向运动，用于将圆柱滚子放置在预定位置，故此套传动装置需要较高的传动精度，并且为了增加检测的速度，此传动平台横向跨度较大，即传动距离较远，故选择传动比准确的链传动和传动精度较高的步进电机相配合来达到此项工作要求。本课题选用为使展开轮能够进行自转，采用摩擦带摩擦展开轮的方式，由于摩擦带的传动没有严格的传动比关系，故选用直流电机来与之配合。本课题的平台驱动步进电机选用86BYG250C型两相四线步进电机，该电机具有良好的响应性能，自感电抗比较小，噪音比较低，在临近堵转状态时，直接和负载相连并低速运行而不使用齿轮进行减速，因此在负载轴上可以产生高力矩对惯性比，并且可以消除使用减速齿轮带来的系统误差
44、，输出力矩可达6N/m,基本步距角为1.8,额定电压为48V,额定电流为5.6A。此电机驱动采用MA860H型驱动器，该驱动器采用32位DSP技术，内置高细分，低速运行时较平稳，微步细分为16种，最大步数达51200步/转，电容电流的范围为1.0A-6.0A,图3-3为该步进电机实物图，图3-4为该步进电机驱动器。图3-3 86BYG250c步进电机图3-4 MA860H步进电机驱动器链传动的工作长度大于摩擦带的工作长度，故在进行设计时，应将链传动至于外侧，带传动至于内侧，如图所示。由于摩擦带传动距离过长，为了避免因摩擦带因重力下垂导致摩擦带与展开轮之间失去接触，故在两个摩擦带传动轴之间设计若
45、干个张紧轮，使得摩擦带和展开轮之间始终保持接触摩擦状态，图3-5为传动部分局部放大图。图3-5传动部分局部放大图3.1.2 传动平台侧板截面设计不管是链传动还是摩擦带转动，在经过长时间的工作后，两传动轴之间的中心距会有所变化，导致链条和摩擦带松弛，为了解决这一问题，在设计传动平台侧板时，将轴间距设计为可调结构，如图所示，在平台的一侧采用四眼固定座对两个传动轴进行固定，如图；在平台的另一侧采用从动张紧支板对两个从动轴的轴间距进行调整，当链条和摩擦带松弛时，只需要将从动张紧支板向左拉动，然后再用螺栓将其固定，便可达到调节中心距的要求，图3-6为传动平台一侧的局部图，图3-7为传动平台另一侧局部图，
46、图3-8为传动平台侧板的截面图。图3-7传动平台另一侧局部图33.,0*O*p*(Lo0I图3-8传动平台侧板-21-3.2 自动下料机构设计自动下料机构是提升该轴承圆柱滚子表面缺陷检测装置自动化程度的一项重要结构，由于自动下料机构要和平台驱动步进电机互相配合来达到将轴承滚子放置到预定位置的任务，故对自动下料机构有一定的精度要求,并且自动下料机构的下料速度和平台驱动步进电机的工作转速要具有一定的相关关系。故选择采用转动精度较高的步进电机作为自动下料机构的驱动电机，由于梅花联轴器结构紧凑、可吸收震动，安装维修方便等诸多有点，故传动轴和步进电机之间采用梅花联轴器进行连接。每当平台驱动电机转动n个步
47、距角的时候，自动下料机构的步进电机转动m个步距角，自动下料机构的结构图如图所示。主体结构与玉米播种机类似，在步进电机的转速一定的情况下，每隔相同时间就会有一个轴承圆柱滚子从自动下料机构掉落下去，以此来实现自动下料的过程。自动下料机的步进电机选用两相步进电机57HS21,步距角为1.8,额定电压为（），额定电流为4.0A,力矩为2.3N/m,该步进电机具有性能稳定、高速精准、高速响应等优点，能够满足本课题要求，两相步进电机57Hs51如图3-9所示，自动下料机构原理如图3-10所示。图3-9两相步进电机57Hs513.3 本章小结这一章首先介绍的传动平台的作用，以及要实现预定的工作任务，此传动平台应该具有若干个工作要求。接下来分别介绍了传动平台的整体框架的结构布局和传动平台侧板的截面设计。最后介绍了自动下料机构在此轴承圆柱滚子表面缺陷检测装置中的重要性，以及自动下料机构中自动下料的原理和先关控制要求。-33 -第4章主要零件结构设计和强度计算4.1 链轮驱动轴的设计与校核4.1.1 链轮驱动轴的设计平台驱动步进电机选用86BYG250C型两相四线步进电机，相关参数见3.1.1。该步进电机通过联轴器与链轮驱动轴连接，驱动轴通过键和链轮连接，链轮通过链条带动若干个展开轮进行水平方向上的横向
