2011年江苏高考历史试题及答案

由于钢球检验设备属于精密设备，结构关系复杂。此外，要实现对直径尺寸范围内的钢球能够做到100%检测，因而检测机要实现可调。采用传统的手艺设计方法已不适应现今高质量、高速度、高效益的发展趋势。

介绍了一种采用经纬展开方式的钢球表面展开系统、钢球表面检测系统的组成与工作原理，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。

关键词：钢球的展开方法；噪声滤波方法；电涡流检测。

Abstract

As a steel-ball testing equipment is a kind of precision equipment, who’s structure of relations is complex. In addition, in order to achieve the scope of the diameter of the steel-ball can do 100 percent testing, so the testing machine should achieve adjustable. Design skills using the traditional method is no longer suited to today's high-quality, high-speed, high-efficiency trends.    This paper introduces the components and working principle of the steel ball surface expansion system and detection system, both of them using latitude and longitude methods, through the study of steel ball surface detection system, in theory, it carried out to verify the use of latitude and longitude of the steel ball surface mechanical way to start the practical system design, and this theory has been applied to practice, by testing the system can accurately detect any defects in steel ball. However, the system is relatively stable when it is in low-speed testing, sometimes false when it is in high-speed testing , so the system will be improved.

key word: ball to start the method; noise filtering method; eddy current testing.

目录

摘要    I

Abstract    II

目录    III

1   绪论    1

1.1我国钢球的生产现状    1

1.1.1我过钢球的工艺装备水平    1

1.1.2我国钢球的发展趋势    2

1.2 轴承滚动体    2

1.2.1 轴承    2

1．2.2 滚动体    3

1.3钢球的生产工艺流程    4

1.4钢球表面缺陷    4

1.4.1钢球光球工序常见缺陷    4

1.4.2钢球精研与超精研常见的缺陷    5

1.5我国钢球的发展状况    6

1.6钢球研究的内容    6

2设备整体设计    7

2.1尺寸测量仪器    7

2.1.1系统原理与组成    8

2.1.2 统计分析程序    8

2.2滚动体分选技术的研究    9

2.2.1 分选的整体方案    10

2.2.2 分选程序    10

2.3钢球表面检测设备    12

2.3.1传感器的选择    12

2.3.2钢球的表面测量系统的设计    15

2.4小结    15

3  钢球的表面测量系统    16

3.1系统的组成与工作原理    16

3.2钢球表面检测的机械系统    17

3.2.1　钢球表面机械展开系统    17

3.2.2自动进料、自动分选系统    20

3.3小结    21

总结    22

致谢    23

参考文献    24

1   绪论

1.1我国钢球的生产现状

轴承是各类主机的重要基础件, 而钢球又是球轴承的关键零件, 大量试验表明, 钢球占影响球轴承噪声素的%60, 轴承失效因钢球破坏的比率达%58.8（国外仅占%23.4），这就客观的说明了钢球在轴承中的地位和重要性。随着轴承生的迅速发展也带动了钢球生产的发展与提高, 特别是行业经过“ 六五” 、“ 七五” 、“ 八五”三期技术改造后, 钢球生产无论在产品质量、生产工艺及装备水平等方面都上了一个新台阶。

近年来, 我国钢球质量标准已逐步过渡到了国际ISO标准, 围绕着新标准, 企业和科研部门采取了一系列科技攻关和技术进步措施。进入80年代, 我国先后从先进国家引进钢球专用加工设备近200台, 大中小规格的钢球加工生产线6条及部分软件技术, 生产线的硬件及软件技术达到国际年代中期水平,这为我国钢球生产赶上世界先进水平起到了较大的推动作用。同时, 三期技术改造期间, 行业先后组织召开了8次钢球专业攻关会议, 推广学习国外先进技术, 研究制定了行业技术攻关目标、计划和措施, 组织企业和机床厂消化吸收引进的设备和技术, 使钢球生产逐步缩小了同国外先进水平的差距。

1.1.1我过钢球的工艺装备水平

目前我国钢球生产有了很大发展, 其工艺装备水平提高很快, 进入80年代以来先后从国外引进先进的钢球专用加工设备近200台, 包括高速自动冷傲机、光球机、磨球机、研球机、自动清洗机、计数涂油包装机、光电外观检查仪及单粒钢球测振仪等。特别是引进了6条完整的精密钢球生产线, 达到了国际80年代中后期水平。加工设备和软件技术的引进为我国钢球行业发展起了促进作用, 并为企业的技改工作提供了可借鉴的目标。企业通过技改和科技攻关逐步减小了同国外的差距。工艺方面,借鉴并推广使用了国外钢球生产的先进工艺及技术, 如锥鼓形球坯结构、高速高精度冷徽成型工艺、以光球代替锉球软磨工艺、热处理保护气氛火工艺、表面强化处理工艺及大循环精研工艺等。相关技术方面, 硬质合金组合模具的采用, 水剂悬浮磨液的使用, 钢球振动值的检测等, 均取得了可喜的成绩。在这方面, 专业钢球厂走在了前面, 如上海、湖北、青岛钢球厂利用国产设备和工艺已批量大循环生产级精密钢球, 处国内领先水平。

1.1.2我国钢球的发展趋势

“九五”期间, 我国轴承钢球总的发展目标是进一步振兴、发展, 赶超国际先进水平,具体表现在如下几个方面。

(1)钢球质量进一步上等级, 能稳定生产G5或G3级精密钢球, 以满足国内高精度轴承的配套需要。

(2)钢球制造工艺向少工序、短周期、高效率及高质量方向发展。

(3)钢球生产组织形式将从以工序为单位的机群式生产逐步向以产品规格为单位的连线生产发展,进一步加强宏观, 合理规划布局。钢球是适合专业化、大批量生产的产品,“ 九五”期间将逐步消除目前布局分散、各自为政的不合理局面, 形成按区域合理布局, 按经济规模组织专业化生产。

(4)全面推广高速钢球冷徽成型工艺, 进一步精化钢球毛坯, 减少加工留量, 提高材料利用率, 降低加工成本。

(5)逐步采用以细粒度树脂砂轮精磨代替目前的初研工艺, 赶上国际先进工艺的发展步伐。

(6)处理将逐步过渡到全部使用保护气氛淬火工艺。成系列开发新装备, 改造更新老设备。对目前仍服役企业的五六十年代的设备逐步更新改造, 用具有国际先进水平的设备武装行业, 提高整个行业装备水平。

(7)加强钢球相关技术开发研制工作。组织相关企业开发、研制出适应、             级精密钢球生产的砂轮、光球板、磨球板、研球板、冷徽模具及研磨液等。

(8)研制新型的检测仪器, 提供科学的检测手段, 线上测量将成为主要的测量手段,质量控制更严，生产节奏更强。

1.2 轴承滚动体

1.2.1 轴承

支撑相对旋转的轴的部件叫做轴承。通常情况下，是轴旋转。亦有轴不旋转而外壳旋转的。

轴承一般分为三大类：一类是关节轴承；一类是滚动轴承；一类是直线运动滚动轴承。

滚动轴承的套圈和滚动体，一面反复承受高接触压力，一面进行伴随有滑动的滚动接触。保持器，一面与套圈和滚动体的两旁，或其某一方滑动接触，一面承受拉力和压缩力。因此，对轴承的套圈，滚动体及保持架的材料、性能、要求如下。

（1）套圈、滚动体材料所要求的性能：滚动疲劳强度大 硬度高 耐磨耗性高。

（2）保持架材料所要求的性能：尺寸稳定性好 机械强度大。此外，还需要加工性好。根据用途的不同，还有要求其耐冲击性、耐热性、耐腐蚀性好。

（3）套圈及滚动体的材料：套圈及滚动体通常使用高碳铬轴承钢。大部分的轴承，使用JIS钢种中的SUJ2。大型轴承使用SUJ3。SUJ2的化学成分，在世界各国，作为轴承用材料以规格化。比如：与AISL52100（美国）、DIN100Cr6（西德）、BS535A99（英国）均属同种钢。进一步需要耐冲击的情况下，作为轴承的材料使用铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢、采用渗碳淬火，使钢从表面至适当的深度有一个硬化层。具有适当的硬化深度、细密的组织、合适硬度的表面及心部硬度的渗碳轴承，比使用轴承钢的轴承具有优良的耐冲击性，一般的渗碳轴承用钢的化学成分。NSK实施了真空脱气处理，所以，所使用的材料清净度高、氧气含量少、质量好。进而采用了恰当的热处理，使轴承的滚动疲劳寿命显著提高。

（4）保持架材料：冲压保持架的材料，使用低碳素钢。根据用途不同，也使用黄铜板，不锈钢板。切制保持架的材料，使用高强度黄铜、碳素钢，此外还使用合成树脂。

    上述钢种之外，根据特殊用途，还使用耐热性优良的高速钢，耐腐蚀性好的不锈钢。

1．2.2 滚动体

滚动体是轴承的重要组成部分，没套轴承都有一组或几组滚动体，他处于轴承的外圈和内圈之间，起到滚动和传力的作用。滚动体是承受负荷的零件，其形状、大小和数量决定了轴承受负荷的能力和高速运转的性能。

按滚动体的不同可将轴承分为一下几类：

（1）球轴承

球轴承-滚动体为球。

（2）滚子轴承

圆柱滚子轴承-滚动体为滚子。滚子轴承按滚子种类不同又可分为：

●圆柱滚子轴承-滚动体是圆柱滚子的轴承。

●滚针轴承-滚动体是滚针的轴承。

●圆锥滚子轴承-滚动体是圆锥滚子的轴承。

●调心滚子轴承-滚动体是球面滚子的轴承。

上述的综合分类可参阅滚动轴承结构类型分类图：

1.3钢球的生产工艺流程

目前我国国内的钢球生产工艺基本相同。钢球的加工原材料的状态不同而不同，其中挫削或球前的工序，可分为三种，热处理前的工序，又可分为二种。整个加工过程为；棒料或线材冷冲（有的棒料冷冲后还需要冲还带和退火）——挫削、粗磨、软磨或光球——热处理——硬磨——精磨——精研或研磨——终检分组——防锈、包装——入库。

1.4钢球表面缺陷

1.4.1钢球光球工序常见缺陷

（1）啃伤  啃伤是由于光球盘进口处的半径与分流器吻合不好，致使进球不顺而造成的。

（2）麻点  光球盘的共晶团太大，沟槽太深，以及光球盘的缩孔在使用过程中暴露出来，使脱落下来的金属颗粒刺入钢球表面；分流器的个别沟槽被赌赛；进入两盘间的钢球太少，而工作压力未减少；用加工小钢球的光球盘去加工大钢球，而且开始时未用硬球压沟，致使进球不顺，使钢球的受力面减小。

（3）局部裂纹  由于球坯带太大，致使在高压、高速作用下，个别接触点产生高温与应力集中，从而出现微裂纹。这种裂纹经热酸洗后可以明显看出。

（4）龟裂纹  因光球盘的沟槽失去了“自锐更新”的能力，这时，钢球表面先出现光亮现象，接着，随着加工时间的加长，就会造成钢球表面金属疲劳，出现细微的裂纹。

1.4.2钢球精研与超精研常见的缺陷

精研和超精研都是钢球的终加工工序，高于G40级的钢球加工一般要采用精研工序。钢球的最终尺寸偏差、几何精度、表面粗糙度、表面质量和烧伤等各项技术要求，要达到精研或超精研工序工艺规程的规定。

检查钢球的直径偏差和几何精度时，必须在规定的专用仪器上测量。精研后的工件表面粗糙度和表面质量检验，一般采用在散光灯下目检。若有争议，可在90倍放大镜上检查，并与相应的标准照片相对照。超精研后的工件表面质量和表面粗糙度的检验，必须抽取一定数量的工件早90倍的放大镜上合标准照片对照检查。表面粗糙度目视有疑问时，可在表面粗糙度仪上进行检测。

精研和超精研的烧伤检查方法采用随机取样抽检，抽检的数量和质量标准应符合烧伤标准的规定。

1.表面粗糙度不好的原因有：

（1）加工量太少，加工时间太短。

（2）研磨盘的沟槽太浅，沟槽与工件的接触面太小。

（3）研磨盘的硬度过高或硬度不均，以及由沙眼或气孔等。

（4）研磨膏的加入量过多，或磨料的粒度过粗。

（5）研磨盘沟槽内太脏，有铁屑或其他杂物。

局部表面粗糙度不好的原因有：

（1）转动研磨盘的沟槽过浅，工件接触面积过小。

（2）研磨盘沟槽的角度过小，使工件转动不灵活。

（3）上研磨盘的压力偏小，使工件与研磨盘之间产生滑动。

表面研伤也是一种缺陷，在循环加工中经常出现，严重时在散光灯下可明显看出有一定深度的凹坑。轻微的散光灯下只看到一片黑色或黄色。但在90倍放大镜下则可看到凹坑，其底部是粗糙的，划痕交错。产生的原因有：研磨盘沟槽深浅不一，工件在较深的沟槽中因压力小，有时停留有时滑动，致使工件与研磨盘接触处被研伤；研磨盘的沟槽壁出现掉快将工件研伤。

1.5我国钢球的发展状况

虽然我国钢球行业在工艺、装备水平上有了较大的发展, 但同国外先进水平相比还有不少差距, 主要表现在；

（1）  料供应质量差, 氧化脱碳严重, 这是影响国内钢球生产留量大、效益不高的主要因素之一。由于冷拔盘料质量不好, 生产效率与国外相比低%30 由于受盘料规格的, 国内大规格的高速冷徽机不能研制生产, 仍使用五六十年代水平的开式切料冷徽机。

（2）   先进工艺及技术的使用在中小企业特别是非钢球专业厂还未全面推广, 使得国内钢球生产技术水平很不均衡, 两极分化。

（3）   国产钢球设备的型号规格繁多, 装球量不统一不配套, 这为国产设备连线节拍生产造成一定的困难。光球机、研球机和清洗机等关键设备的加工稳定性还有待进一步提高。

（4）   相关技术的研究推广应进一步加强。如水剂悬浮磨液、氧化铝磨料、细粒度树脂砂轮、人造金刚石修整块、砂轮自动修整自动平衡技术等, 将是提高产品质量和经济效益的基础。

1.6钢球研究的内容

   本课题用电涡流无损检测方法，设计钢球检测设备。对钢球的尺寸测量方法、钢球检测设备展开轮、钢球高精度分选技术进行研究。本文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。

对钢球表面系统具体研究的内容有：

1 、系统的组成与工作原理

2 、钢球表面检测的机械系统

2设备整体设计

我们的研究目的是要在这台设备上能够同时完成对钢球的尺寸测量、对钢球表面缺陷的检测，以及不同精度等级的钢球的分选这些功能。

图2-1   设备流程图

上面的方框图是对钢球从进入设备开始的流程的简单说明。而且对于每个环节的设计和研究将在下面具体研究。

2.1尺寸测量仪器

滚动轴承出厂是主要检测滚动体的几何形状和尺寸精度，每套滚动轴承滚动体的尺寸精度要控制在2-3um之内。

2.1.1系统原理与组成

尺寸测量部分主要由滚动导向轮、通道门、出斜槽、电子千分表和推送器组成。

工作原理：滚动体经过滚动导向轮自动送料，滚动体被推送器送到预测的位置，由高精度电子千分表对滚动体进行测量，测完尺寸后打开出料槽，将滚动体送到下一个部分。

2.1.2 统计分析程序

   检测传感器采用高精度电子千分表，将测得的模拟信号送入A/D转换器进行模/数转换。并将数据送入单片机进行数据处理。

    （1）数据处理

对测得的 数据进行统计分析，计算出平均值及标准差。

其中-----滚动体尺寸数据平均值及标准差；

-----滚动体尺寸数据的均方根差；

n------滚动体的数量；

由于和与样本的容量n有关，n越大，其参数越接近实际情况，估计误差越小。在实际测量中，我们把测量的的数据都作为原始样本数据处理，这样就增加了控制质量的可靠性。在制造过程中不断修正和增加可靠性。同时也克服了由于工艺处在某一状态所引起的随即误差的影响。

由测得的数据可以绘出正态分布曲线图，从分布图可以得出滚动体的和。由这些数据可以得出滚动体质量的的有关信息：如果较大，说明滚动体的质量不够稳定，需要对生产工艺进行调整：反之，则说明工艺系统比较稳定[1].

(2)统计分析软件由数据采集模块、统计分析模块和显示打印模块组成。

图2-2 统计分析软件程序

2.2滚动体分选技术的研究

滚动体是轴承用来支持回转零件的，它主要由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。滚动体时滚动轴承的核心元件。滚动轴承的生产一般是在零件加工完成后，经过分别测量内圈、外圈、滚动体，按实际尺寸大小分为若干组，使各组内零件间实际尺寸的差别减小，装配时按对应组进行。这样，既可以保证装配精度和使用要求，又可以降低加工难度，提高成品率，降低成本。滚动体的分选，目前厂家一般采用两条近乎平行的器具（如图）来分选，图中Φ时直径，、分别为直径的公差范围。这样的分选技术精度比较低，而且由于长期的磨损，容易产生误差，从而使装配精度和使用要求得不到保证，导致轴承的径向侧隙变化，噪声增加。

图2-3简易分选装置示意图

2.2.1 分选的整体方案

使用尺寸测量中得到得尺寸数据，滚动体分选技术的总体方案如图2-4所示：

              图2-4 分选的总体方案流程图

尺寸测量的数据经过CPU的处理，就可以很快的进行分选，将合格按直径分到不同的组别，同时选出次品，并可以将次品分成可用品与废品两类。

2.2.2 分选程序

分选程序的主要功能是要能够实现对钢球的正确分选，以及数字的累加和字的显示[2],如图2-5所示。

 图2-5 分选程序的流程图

如果合格，就进行分组判断，由系统根据钢球直径来判断它应该分到哪一组，同时进行数值累加，已记录产品的合格数。然后由分选电路控制它从哪个出料口出去，实现钢球的分选，同时对每组进行计数。不合格品也进行同样的处理，只是将其分为废品和可用品两类。

分选机控制系统原理框图如图2-6所示，整个系统是在ATC52单片机控制下完成。～端口经功率放大后，驱动三相步进电机由步进电机依次将待测得滚动体送入推送器进行外径检测。检测传感器采用高精度电子千分表，将测得的模拟信号送入A/D转换器进行模/数转换，并读入单片机内进行数据处理，单片机根据处理的结果进行分选，并由8155控制开/关相应的通道。8155的控制第一组分选器（前8个尺寸组），控制第二组分选器（后8个尺寸组）。当需要启动第一组分选器的某一个通道门时，输出高电平，使74L138工作，的数据经译码后控制一个通道门打开。同理，当需要启动第二组分选器时，的数据送入74LS138进行译码。控制译码的输出。每个译码器的输出端各有一个功率放大器用来驱动电磁铁的动作。每测完一个滚动体打开一个相应的通道门，同时，将该尺寸组的计数器加1，保存后送液晶显示器显示计数值。8155的PB、PC端口完成键盘扫描，进行各种参数设置及打印。推进器控制由P2.7端口经功率放大后进行驱动。P2.6经功率放大后进行报警。

图2-6 分选机控制系统原理

2.3钢球表面检测设备

2.3.1传感器的选择

现在的无损探伤器很多，根据设备的性能、产品的特殊形状，以及传感器的特点，选择涡流传感器比较合适。

涡流检测是以电磁感应为基础的，它可以以简单描述为：当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时，由于线圈磁场的作用，试件中会感生出涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到试件导电性能的影响，而涡流的反作用磁场又使检测线圈的阻抗发生变化，就可以测出被测试件的导电性差别及有无缺陷等方面的结论。

(1)涡流检测的基本原理

 涡流检测就使运用电磁感应原理，将正弦波电流激励探头线圈，当探头接近金属表面时，线圈周围的交变磁场在金属表面产生感应电流。对于平板金属，感应电流的流向是以线圈同心的圆形，形似漩涡，称涡流。同时涡流也产生相同频率的磁场，其方向与线圈磁场方向相反。

涡流通道的损耗电阻，以及涡流产生的反磁通，又反射到探头线圈，改变了线圈的电流大小及相位，即改变了线圈的阻抗。因此，探头在金属表面移动，遇到缺陷或材质、尺寸等变化时，使得涡流磁场对线圈的反作用不同，引起线圈阻抗变化，通过涡流检测仪器测量出这种变化量就能鉴别金属表面有无缺陷或其他物理性质变化。

影响涡流场的因素有很多，诸如探头线圈与被测材料的耦合程度，材料的形状和尺寸、电导率、导磁率、以及缺陷等等。因此，利用涡流原理可以解决金属才俩探伤、测厚、分选等问题。

涡流检测适用于导电材料探伤，常见的金属材料可分为两大类：非贴磁性材料和铁磁性材料。后者为铜、铝、钛及其合金和奥氏体不锈钢；前者为刚、铁及其合金。它们的本质差别是材质磁导率约为1或远大于1。

常规涡流探伤应用于非铁磁性管子，已是非常成熟的技术，它不单能探测出缺陷，并可以利用阻抗平面分析出缺陷所在的位置与深度。然而，将它简单地应于铁磁性材料的钢管，却得不到预期的结果，其原因何在？这时由于铁磁性材料＞＞1，根据涡流标准材料渗透公式：

               fr                            

可知在这种情况下，涡流只能集中在表面，无法渗透到材料的内部。除此以外，铁磁性材料的磁畴结构，将对涡流检测信号产生极大的干扰，足以把缺陷信号完成淹没，而无法得到有用的信息。

克服铁磁性金属磁导率对探伤影响的方法有两种：其一，采用远场涡流检测方法；其二，对钢管进行饱和磁化后再探伤。前一种方法需要更新仪器，后一种方法只需在原有常规仪器的基础上增加磁饱和装置即可对钢管等进行探伤，具有投资少的有点。经过磁饱和处理后的铁磁性材料可以以非铁磁材料对待。

通常钢管涡流探伤采用通过式磁饱和器。它使由通有只留垫的线圈来产生稳恒磁场，并借助于导套等高导磁部件将磁场疏导到被检查钢管的汤水部位，使之达到磁饱和状态。为了充分利用线圈产生的磁场，装置一般都有由铁磁性材料（如纯铁）制作的外壳。由于纯铁的值很大，磁阻很小，泄露在空间中的磁力线会被铁壳收集，也被疏导到钢管的检测部位。

由于强大的磁化电流通过磁饱和器线圈，会使线圈发热，因此要有良好导热措施，以防线圈烧毁。

磁饱和装置处用来产生强大的直流磁场外，检测线圈也常常用它来夹持，所以磁饱和装置的结构与检测线圈的外形有着密切的关系。在穿过式涡流探伤中，磁饱和装置中的导套与检测线圈必须保持同心，否则会造成较大的周向灵敏度差，导致漏检和误差。

磁饱和涡流探伤方法应使检测线圈附近的磁通密度达到使钢管饱和磁化所需磁通密度的80%以上。围成，探伤前应根据钢管的才子和规格选择磁化电流。磁化电流的选择通常也是在通过对比式样的状态下进行。从理论上讲，选择前应首先计算出所坚持钢管达到饱和磁化所需的磁通密度，然后按上述要求调整磁化电流，此种方法要进行繁琐的计算。在实际操作中，可采用简便的调整方法，即在往返通过对比式样中，随着逐步增大磁化电流的同时，观察仪器显示的噪声信号和人工缺陷信号的变化。当噪声信号最小，人工缺陷信号最大时，磁化电流即为基本合适。按一般规律，口径越大，壁厚越厚，材料磁特性越软，所需磁化电流就越大，反之越小。

随着涡流检测技术的发展，涡流检测已经在很多方面的到应用。

（2）涡流检测技术的特点

A、检测速度快，易于实现自动化。由于涡流检测的基本原理是电池感应，涡流检测只适用于能常常涡流的导电材料。涡流检测激励后所产生的电磁场实质是中电磁波，具有波动性和粒子性，所以坚持时传感器不需要接触在工件表面，也不必在线圈和弓箭之间填充耦合剂，因此检测速度快，易于实现自动化。

B、表面、亚表面权限检出灵敏度高。由于产生涡流渗入被检试件的深度与实验频率的平方根成反比，这个深度不大，因此，涡流检测通常被认为是一种坚持表面或近表面资料的无损检测技术。

C、能在高温状态下简称。由于高温下的导电试件仍然具有导电性，涡流检测不受材料温度的影响，因此可以再盖状态下对导电体进行检测。

D、多拥堵的检测技术。对试件中涡流产生的影响因素主要有：金属物体的电导率和磁导率、试件的形状和尺寸、线圈和时间间隙的大小、试件内部的缺陷等。因此，涡流可以应用于多个不同的领域，除了探伤外，还能测量工件的到导电率、磁导率、晶粒尺寸、热处理状态和工件几何尺寸、涂层（或镀层）厚度。它适用于铁磁性、非铁磁性金属或金属工件的各种物理的、组织的冶金状态检测。

E、抑制多种干扰因素。涡流检测能对时间性能的多种参数作出反应，因此，是一种多用途的检测方法。同时，由于检测中对躲在参数的敏感反应，工件的无关参数将形成多种干扰信号，严重的干扰信号可影响对有效信号的辨认，给检查结果的判断带来困扰。这就要求在检测时，应用各种有效措施来消除干扰因素的影响，确保检测的可靠性。

F、检测结果可以实时显示和通过磁带机，光盘和软硬盘记录长期保存，并且可以再必要时回放重视，并进行分析。

与此同时，涡流检测的对象必须是导电材料，且不适用于检测金属材料深层的内部缺陷（可用远场涡流系统检测），这时涡流检测在应用上的局限所在。其次，涡流检测至今仍处于当量比较阶段，对缺陷作出准确的定性定量判断技术尚待开发研究。

（3）涡流检测技术的应用范围

A、涡流探伤。涡流探伤不仅对导电次啊聊表面上或近表面裂纹、孔洞以及其他类型的缺陷，涡流试验具有良好的检测灵敏度并能提供缺陷深度的信息，可以发现油漆层或涂层下的这些缺陷。

B、涡流的材质分选。涡流法可以用来测量非金属表面的电导率，也可以用来检测与电导率数值有关的性能，如化学成分和祖师状态等。因此，涡流检测可以成功地用于检验材料热处理质量及机械性能，如强度、硬度和渗层深度等。

C、涡流的侧后。试件的涡流与被检验的棒材的直径、棺材的壁厚及薄板采的厚度有关，所以，涡流试验可以用来测量这些量。同时，检测线圈与金属间的距离对涡流也有影响，因此，也可以利用涡流法莱测金属表面非导电覆盖层的厚度以及小的空间间隙的大小。

在科学研究实践中涡流法也有广泛应用。例如可以用来探索合金中固液体分解的动力学；研究在各种热处理和机械加工规范下的合金变化；探讨腐蚀或疲劳的发展过程；以及应用于带有裂纹的试样或零件的寿命的研究等。

2.3.2钢球的表面测量系统的设计

 对钢球表面裂纹等快速、可靠地进行自动检测是我国轴承行业生产中急需解决的实际问题，要保证得到高的检测精度和检测效率，本文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。

对于展开系统的具体研究，本文将在下一章里做详细的介绍。

2.4小结

 本章对钢球滚动体的整套设备作了一些研究，得出以下结论：现有的技术可以实现钢球滚动体的直径的快速、准确的测量，并且能够实现自动分选。

      3  钢球的表面测量系统

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。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。

3．1系统的组成与工作原理

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。

3．2钢球表面检测的机械系统

3.2.1　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,如图2所示。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,其展开装置如图3所示。

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。

从图3知,钢球受到上下导轮的搓动作用,绕轴以ω1 旋转,探头沿钢球赤道摆动扫查,相当于绕轴以ω2 转,且ω1 ⊥ω2 ,角速度矢量ω1 固定为Z轴方向,角速度ω2 在X - Y平面内,并以原点O为圆心做圆周运动,如图4所示。

在X轴、Y轴、Z轴上分别取与坐标轴具有相同正方向的单位矢量i, j, k,用r表示半径为R的钢球上的P ( x, y, z)点的位置矢量,经理论推导得运动学

    （1）

因为方程组(1)为一阶变系数微分方程组,无固定的求解规律,所以将X, Y轴旋转ω1 t角度后,坐标( x, y, z)变换为( x′, y′, z′) ,而Z轴未旋转,所以z′与原坐标z相同, 坐标变换后,在新坐标下求得方程组的解即钢球表面上一初始点P0 ( x0 , y0 , z0 )经过时间t的运动方程为

由上式可以精确地计算出钢球表面上一初始点P0 ( x0 , y0 ,z0 )经过时间t后,将位于球面上另一点Pt ( x, y, z)处。

假设被检钢球直径为10 mm,则可设P0 ( 0, 0, 5) , 变换ω1和ω2 的值,通过matlab运用上述推导的运动学方程对探头1和2在钢球上的扫查轨迹进行仿真,经比较当ω1 = 50,ω2 = 2时仿真扫查轨迹较为理想,仿真结果如图5所示。

若检测探头线圈直径为2 mm,那么可以认为至少在探头覆盖的4π mm2范围内为有效探测区。当钢球的速度为50 rad / s、探头的速度为2 rad / s,并且一个检测通道检测球的效率为2 700粒/ s即一个钢球的检查时间为1. 33 s时,可以将扫描螺旋线覆盖整个球面,依此计算的螺旋线间距约为1 mm,不存在螺距太大引起漏检的问题。实际检测中,为了保证两探头检查衔接区域不发生漏检现象,探头扫描速度要大于2 rad / s。由仿真结果可知,对于Φ10 mm的钢球的检测是充分的。如果被检测钢球的直径小于10 mm,那么在此机械展开系统中,钢球的旋转角速度将更大,探头扫查螺旋线将更加密集一些,不会产生漏检现象。

以上分析说明设计此展开系统不但可以简化子午线展开模型,而且可以保证钢球得到充分的展开。

3.2.2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. 20 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) ,在辊端尺寸处已经从辊轮间隙中跌落到辊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。

3.3小结

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P ID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。

              总结

轴承的质量很大程度上取决于轴承滚动体的质量，对滚动体的质量检验是关键。本文主要介绍了一种能对钢球实现快速检验，并能实现高精度分选的设备。他主要分为三个部分:尺寸测量、高精度分选及钢球表面缺陷的检测。

在尺寸测量方面，采用电子千分表对滚动体进行尺寸测量，将获得的数据传回统计分析软件系统，对数据进行统计分析，自动获得它们的平均值、标准差等关键数据，然后绘制质量控制曲线。可以根据系统绘制的质量控制曲线来实现对钢球的生产环节的控制。这种方法快速、高效，能够节省劳动力，但是它对钢球表面清洁度要求比较高，不能有污点。而且要定期对设备关键部位进行检查，来保证应用的可靠性。

在高度精选方面，将尺寸测量环节获得的数据进行保存，然后传到CPU进行处理分选，这种方法也很快速、高效，但它对尺寸测量的依赖性很强，一旦数据测量出现问题，对钢球的高精度分选将不能实现。

本文主要介绍的是钢球表面缺陷部分。根据各种传感器的特点，选择涡流传感器作为检测仪器，简要介绍了钢球表面检测系统的组成与工作原理，描述了采用经纬展开方式的钢球表面展开系统的设计, 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。并理论验证了该系统的实用性，简述了该系统的实际应用情况。

在整个设计的过程中，我接触到了很多以前没有接触过的知识，学到了一些解决问题的新方法。这对我今后的工作和学习有很大的帮助，我将灵活的运用这些知识和方法，并不断地学习积累显得知识来完善自已。

致谢

本论文是在我的导师李伟老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，李伟老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 

 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

感谢老师!感谢学校!

                                                          崔小庆

                                                 2009年6月于湖北工业大学

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