張付祥, 劉振宇

(河北科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，石家莊 050018)

氮化硅陶瓷具有質(zhì)量輕、硬度高、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率低、摩擦小、耐腐蝕、絕抗磁、高溫強(qiáng)度高、高速離心力小和運(yùn)轉(zhuǎn)溫升低等優(yōu)良性能，具備了滾動(dòng)軸承材料所要求的全部重要特性[1]，所以陶瓷軸承已成為開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)。它不僅可以在一些應(yīng)用領(lǐng)域代替金屬軸承，壽命提高3～5倍，更重要的是可用于金屬軸承難以使用的特殊場(chǎng)合。陶瓷軸承在制藥、化工、紡織、航空航天、冶金、機(jī)械、石油、交通、電子、軍事裝備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和越來(lái)越明顯的市場(chǎng)空間[2]。目前陶瓷球加工主要是沿襲了鋼球的研磨加工方法，由于陶瓷材料固有的脆性及陶瓷球的生產(chǎn)過(guò)程決定了陶瓷球更容易產(chǎn)生偶然性表面缺陷，這些表面缺陷會(huì)造成陶瓷球過(guò)早的疲勞失效和力學(xué)性能降低[3]。由于氮化硅陶瓷材料的特性及表面缺陷細(xì)微，國(guó)內(nèi)、外還沒(méi)有能夠檢測(cè)出各類(lèi)缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)的技術(shù)。因此，對(duì)陶瓷球表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要意義。這里介紹一種陶瓷球表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的球面展開(kāi)機(jī)構(gòu)。

1 陶瓷球表面展開(kāi)原理分析

球體零件表面展開(kāi)的方法歸納起來(lái)有3種：螺旋共軛軸展開(kāi)方法(交叉球帶展開(kāi)法)、平行球帶展開(kāi)法和螺旋球帶展開(kāi)法。

傳統(tǒng)的陶瓷球表面展開(kāi)裝置采用螺旋共軛軸展開(kāi)方法，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)時(shí)只需要陶瓷球按軌跡運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)器固定不動(dòng)。檢測(cè)中，陶瓷球與展開(kāi)輪接觸產(chǎn)生摩擦力，該摩擦力帶動(dòng)陶瓷球按展開(kāi)輪的展開(kāi)軌跡運(yùn)動(dòng)，陶瓷球在展開(kāi)輪和導(dǎo)輪之間的運(yùn)動(dòng)假設(shè)為純滾動(dòng)。但在實(shí)際應(yīng)用中這種展開(kāi)方法存在兩個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)：一是研磨后的陶瓷球雖經(jīng)清洗，但表面仍有油污，且會(huì)使摩擦輪與陶瓷球之間的運(yùn)動(dòng)為滾滑結(jié)合狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)法精確確定；二是載物臺(tái)的滾道磨損后失去了原有的形狀，使陶瓷球不能按設(shè)計(jì)軌跡展開(kāi)[4]。同時(shí)，展開(kāi)裝置還要保證陶瓷球表面在檢測(cè)裝置的掃描范圍內(nèi)全部、連續(xù)展開(kāi)，并保證被檢測(cè)的陶瓷球表面與檢測(cè)裝置距離不變。因此為了克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，這里采取強(qiáng)制球轉(zhuǎn)動(dòng)方式，應(yīng)用平行球帶展開(kāi)法和螺旋球帶展開(kāi)法，展開(kāi)示意圖如圖1所示。

圖1 球面展開(kāi)示意圖

對(duì)于平行球帶展開(kāi)法，檢測(cè)時(shí)檢測(cè)裝置不動(dòng)而球以ωφ的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣球轉(zhuǎn)動(dòng)一周后，掃描器掃描到球表面的平行于赤道的球帶，球帶的寬度為檢測(cè)器的掃描寬度。檢測(cè)完一周后，檢測(cè)器繞球心旋轉(zhuǎn)一個(gè)球帶的對(duì)應(yīng)角度，再進(jìn)行下一個(gè)球帶的檢測(cè)，以此類(lèi)推將陶瓷球表面全部展開(kāi)。

設(shè)檢測(cè)初始仰角為-θ，終結(jié)的仰角θ，則檢測(cè)器檢測(cè)的球帶數(shù)N為

(1)

式中：Dw為被測(cè)球體直徑；θ為俯仰角；αθ為檢測(cè)器沿仰角方向的檢測(cè)精度。

檢測(cè)器每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度N1為

N1=2θ/N。

(2)

平行球帶法中檢測(cè)的過(guò)程是間歇式的，很容易實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，檢測(cè)精度高。對(duì)螺旋球帶展開(kāi)法，檢測(cè)過(guò)程中使用夾具帶動(dòng)陶瓷球以ωφ的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)器繞球心以ωθ的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)球面展開(kāi)。

無(wú)論采用平行球帶展開(kāi)法還是螺旋球帶展開(kāi)法，速度控制都是檢測(cè)系統(tǒng)能否完成檢測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵。對(duì)于平行球帶展開(kāi)法，主要的控制參數(shù)是ωφ，原則是在保證檢測(cè)精度的前提下盡量提高ωφ。對(duì)于螺旋球帶展開(kāi)法，控制參數(shù)是ωφ和ωθ，原則是首先要合理確定兩個(gè)參數(shù)的比值以保證能夠?qū)崿F(xiàn)球面展開(kāi)，同時(shí)盡量提高ωφ和ωθ以滿足檢測(cè)速度的需要。

2 檢測(cè)系統(tǒng)展開(kāi)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)原理

基于圖像處理的表面質(zhì)量檢測(cè)具有精度高、速度快、智能化等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展迅速的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。由于陶瓷球表面缺陷很小，所以首先應(yīng)該對(duì)被檢測(cè)球體表面進(jìn)行光學(xué)放大，然后采集放大后的圖像信號(hào)，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)被計(jì)算機(jī)接收并進(jìn)行處理與分析，最終將被檢測(cè)的球進(jìn)行分級(jí)，同時(shí)將分類(lèi)信息傳遞給控制臺(tái)，控制臺(tái)控制陶瓷球表面展開(kāi)并將分級(jí)后的球分類(lèi)存放。

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由展開(kāi)裝置、顯微鏡、圖像傳感器(CCD攝像機(jī))、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)等組成，如圖2所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

陶瓷球表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

2.2 展開(kāi)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

展開(kāi)機(jī)構(gòu)如圖4所示，包括夾具及其轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、載物臺(tái)升降機(jī)構(gòu)、載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及顯微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在該機(jī)構(gòu)中由電磁鐵和4個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(M1，M2,M3,M4)實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷球的夾緊，繞水平與垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)以及顯微鏡在圓周方向?qū)μ沾汕虻膾呙琛１緳C(jī)構(gòu)只要改變對(duì)M4的控制就可以使陶瓷球?qū)崿F(xiàn)平行球帶展開(kāi)與螺旋球帶展開(kāi)。

圖4 展開(kāi)機(jī)構(gòu)原理圖

2.3 展開(kāi)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

本裝置只需對(duì)檢測(cè)裝置采用不同的控制方式就可以實(shí)現(xiàn)平行球帶展開(kāi)和螺旋球帶展開(kāi)。檢測(cè)時(shí)，陶瓷球表面展開(kāi)裝置在控制系統(tǒng)的作用下按照預(yù)定的轉(zhuǎn)速配合顯微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)兩次掃描完成對(duì)整個(gè)陶瓷球表面的檢測(cè)。其中控制顯微鏡間歇擺動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)平行球帶展開(kāi)方式的陶瓷球表面質(zhì)量檢測(cè)(工作流程如圖5所示)，這種展開(kāi)方式在檢測(cè)過(guò)程中，顯微鏡的擺動(dòng)是間歇性的，容易實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，檢測(cè)精度高；展開(kāi)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)控制顯微鏡連續(xù)擺動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)螺旋球帶展開(kāi)方式的陶瓷球表面質(zhì)量檢測(cè)(工作流程如圖6所示)，螺旋球帶展開(kāi)方式與平行球帶展開(kāi)相比，檢測(cè)速度較快，檢測(cè)精度稍低。

圖5 平行球帶展開(kāi)法流程圖

圖6 螺旋球帶展開(kāi)法流程圖

2.4 展開(kāi)機(jī)構(gòu)對(duì)測(cè)量精度的影響

采用螺旋球帶展開(kāi)法對(duì)陶瓷球表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要求球的旋轉(zhuǎn)和顯微鏡的擺動(dòng)聯(lián)合動(dòng)作，這對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制要求很高，如果控制不好，就會(huì)對(duì)球的表面產(chǎn)生漏檢或重疊率過(guò)大，影響檢測(cè)的精度和速度。針對(duì)展開(kāi)機(jī)構(gòu)對(duì)測(cè)量精度的影響可以通過(guò)選擇步距角較小的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，并采用細(xì)分電路進(jìn)行控制，以提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性和控制精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

氮化硅陶瓷球具有不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁且表面缺陷形狀差異明顯的特點(diǎn)，需要根據(jù)缺陷類(lèi)型進(jìn)行檢測(cè)。這里建立的基于圖像處理的陶瓷球表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)被檢測(cè)陶瓷球的具體檢測(cè)要求選擇合適的展開(kāi)方法。當(dāng)對(duì)檢測(cè)質(zhì)量要求較高而檢測(cè)速度要求不高時(shí)可以選用平行球帶展開(kāi)法；當(dāng)對(duì)檢測(cè)速度要求較高而檢測(cè)精度要求不高時(shí)可以選擇螺旋球帶展開(kāi)法。文中設(shè)計(jì)的陶瓷球表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)能夠很好地完成各種陶瓷球表面質(zhì)量檢測(cè)任務(wù)。