20070403166_田宗举_轴承钢球成型在线监测系统设计.docVIP

第一章 前言 1.1课题研究背景及意义 轴承钢球是重要的基础零部件，广泛应用于机械、电力、建材、矿山、冶金等领域，尤其是精密工业钢球在国民经济发展中起着巨大作用。那么对钢球的冲压质量进行监测也成为必备工序。以前对钢球包括其它很多锻压件的监测都是用人工进行外观检测。但这种检测过程是在生产的末端工序进行的，不可避免的要浪费较多成品钢球，既费时、费力，又不能进行百分百的监测[1]。 对于更高效率、更高准确性的监测方法，国内相关研究人员也进行了广泛研究和探索。目前已开发出自动外观监测、在线监测等监测方法。自动外观监测法还是不可避免的要遇到在末端工序监测而浪费成品钢球的问题。而在线监测由于其检测过程是在不停机情况下进行而且在钢球生产的上游工序，则可以及时发现钢球缺陷，避免缺陷扩散，而且在线检测可以及时获得冲压质量信息，所以在线监测正逐渐成为主流监测方法。 国外对金属加工的过程监测技术研究已有20多年历史，研究分析冲压力波形与产品质量关系。国外对钢球在线检测方面的研究起步也较早，目前已经成功运用到相关产品的生产过程中，取的较好的检测效果。现以德国Brankamp公司为代表的许多公司已研发出精确的过程监测仪器。 相对于国外在金属冲压质量方面的的研究，我国在这方面的研究起步较晚，钢球冲压在线检测方面的研究就更晚。而且相关研究人员和经费较少，研究范围较小。 为了解决以上了解到的现在钢球生产过程中质量监测存在的费时、费力、不能实时检测、成本高等问题。选择钢球冲压在线监测课题进行研究，希望在硬件和软件设计方面有所突破，以提高钢球检测效率，降低检测成本。同时也希望在本课题的研究过程中对在线监测的相关知识进行学习，以便对后续相关研究做准备。 1.2本在线检测系统的基本原理 做钢球冲压在线监测系统首先需要解决的一个问题就是如何找到与冲压质量有对应关系的物理量，通过采集并分析这个物理量而间接得到钢球冲压质量。这个物理量不仅要和冲压质量有对应关系而且要便于采集，便于计算机处理。通过大量实践调研我们发现冲压力与冲压质量有对应关系[1]。接下来需要解决的问题就是如何采集冲压力信号。在线检测中冲压力可以通过不同的传感器测量出来，如力，应变，加速度，距离及声发射传感器等。通过对比我们采用压力传感器作为采集冲压力信号的探测元件。压力传感器将力信号变成电信号，对电信号进行电荷放大、A/D转换等处理，在经过单片机基于相应算法进行分析，得出冲压质量、冲压数目等信息[2]。 1.3本文的主要研究内容 用压力传感器采集压力信号，需要设计合适压电材料和合适的外形，以保证力信号不失真。压力传感器采集到的是电荷信号，需要设计电荷放大电路将电荷信号变成电压信号[3]。有单个钢球冲压时间极短，而且传感器采集到的是模具振动产生的力信号，若直接进行A/D转换失真较大，则需设计包络检波电路，先对经电荷放大而来的电压信号进行包络检波，形成包络曲线。单片机是整个监测系统的核心部件，需要选择合适型号的单片机，既能满足信号处理速度等使用要求，又要有很好的稳定性。本系统一突出特色就是极佳的人机交互功能。设计有键盘、LCD液晶显示屏，可以直观的显示出冲压过程中力的变化波形等信息，而且便于人们提取相关信息。另外系统还需设计时钟模块、数据存储管理模块等辅助模块。因此本论文的主要研究内容有以下几个环节： （1）压力传感器硬件设计及其在冲压机上的固定安装； （2）电荷放大器电路、检波电路设计； （3）微处理器选型，LCD显示驱动模块、时钟模块、数据存储管理模块、键盘、电源所用芯片选型既电路设计。 （4）编写数据分析、LCD显示、键盘扫描程序流程图及程序。 第二章 系统硬件构成 2.1系统硬件整体构成 图1.1为轴承钢球冲压生产过程在线监测系统的信号流程图。 图1.1 信号流程图 2.2 压电式传感器的测振原理 压电式传感器是一种机电换能装置，所用压电材料（天然石英、人工极化陶瓷等）在受到某固定方向外力作用时，同时在晶体两表面产生等量符号相反的电荷，而且其电荷量与所受载荷成正比，即所谓的正压电效应。当压电晶体受力时，晶体两表面聚集等量的正、负电荷，而晶体的绝缘电阻是很高的，那么压电晶体就可以看作是一只平行板电容器[4][5]。 其电容量为： C=εA/d （1） 晶体片上产生的电荷量与作用力之间的关系为： U=Q/C=dεdF/εA （2） 以上两式中：ε---压电晶体的介电常数； d---晶体片的厚度； A---晶体片 （构成极板）的面积； dε---压电系数； Q---压电传感器两表面产