基于電感傳感器的滾珠分選機設計

陳月晨，苑會娟，詹 燁

CHEN Yue-chen1, YUAN Hui-juan1, ZHAN Ye2

（1.哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，哈爾濱 150080）

0 引言

由于加工精度的限制，以同一種方式生產出來的滾珠會有一定的直徑誤差，有些廠家為了保證生產出來的軸承的穩定性，因此采用很高精度的生產機器，由此產生了很高的制作成本。若采用精度不高的生產機器，生產出廠的滾珠軸承的穩定性又無法達到預期。

如果可以在生產滾珠的最后一步能夠將滾珠進行分選，選出在一個公差帶內的滾珠，并且在軸承套圈的生產過程中考慮這個公差，這樣就可以在不需要置換低精度設備的情況下生產高精度軸承?？梢妼τ跐L珠軸承的自動分選的研究有非常重大的意義。

由于位移傳感器非常普及，因此外文文獻主要都是對于分選流水線的設計[1]和采用電容傳感器[2]對于滾珠的表面進行精確測量。其中基于電容傳感器對滾珠表面的幾何結構進行精確測量十分先進，并且該裝置主要應用于超高精度的滾珠的篩選。

現在國內的直徑測量主要分成兩類，第一類是使用CCD等光學感應器件對于被測量進行分選，第二類是使用傳統的位移傳感器對于被測量進行篩選。由于光學感應器件有速度快，誤差小，功能多等優勢[3]，光學感應器件大多都用于精度要求不高的場合，如水果分選[4,5]等。傳統位移傳感器大多都用于高精度的測量場合，如電磁軸承，磁懸浮軸承等。

對于分選方式和電感式位移傳感器的驅動電路，國內的各大院校也對其進行了深入的分析，如有些院校采用滾籠式分選[6]，可以大大加快分選進度，但是分選的尺寸很大，分選精度不高，大多是礦石[7]等對象。對于電感傳感器的驅動電路很多的院校都提出了很多的抗干擾和提高精度[8～10]的方式，但是都僅限于提高傳感器的測量精度，并沒有實際的應用的例子。針對實際應用差動變壓器的設計[11,12]，大多都用于軸承使用時的實時測量，并沒有對于軸承在加工和制造過程中的問題進行解決。

文獻[13,14]提出了一些智能化篩選方式，但是文獻都沒有涉及到機械部分的設計，大多都是對于設計的原理進行了論證[15,16]，最多對于分選結構進行了設計，然而對于關鍵的測量機構的設計卻是一筆帶過，沒有詳細的描述。

1 滾珠分選機硬件電路的設計

本次設計主要采用模塊化設計，分選系統主要功能模塊包括有上料模塊，送料模塊，測量模塊，分選裝置和料箱。其硬件電路由測量部分、控制部分、動力部分及按鍵顯示部分組成，測量部分由電感式位移傳感器和AD574為主的AD轉換板組成，中央控制板由89C51為MCU的最小系統構成，動力部分由3臺四相步進電機和以L298N為主的驅動板組成，按鍵顯示部分由HD7279驅動的數碼管和按鍵組成。除此之外還有兩臺35W的開關電源分別為測量系統、中央控制板以及動力部分提供電力。具體結構如圖1所示。

圖1 分選系統硬件電路的組成

1.1 測量部分的設計

測量部分的傳感器是電感式位移傳感器，其主要任務是測出滾珠的直徑并且將位移量轉換成電壓信號方便測量，由于這套系統對于精度比較高而對于速度沒有過高的要求，因此AD轉換器采用雙積分型AD轉換器來確保轉換精度，又因為雙積分型AD轉換需要一定的時間，如果這時前端電壓發生變化，則會產生的錯誤的數據，最后導致分選結果錯誤，因此在AD轉換前應當增加采樣保持器，這樣套系統實現了使電感式位移傳感器輸出的模擬信號轉換成數字信號的功能。

1.2 中央控制板的設計

如圖2所示是89C51中央控制板的原理圖。

圖2 中央控制板連接示意圖

中央控制板采用以89C51為MCU的控制板，該控制板為89C51單片機提供運行所需的外部電路，并且將所有的IO管腳引出，以方便連接外部設備。因此在設計中央控制板的時候，也盡量設計得小一些，這樣方便安裝和調試。

1.3 動力部分的設計

本分選裝置的動力部分主要是為活板門的開啟與關閉和滾珠的送料裝置提供動力，由于送料裝置為鏈輪推動滾珠向前滾動，并且保證滾珠在合適的位置上被測量，因此對于動力部分的精度也提出了要求，因此本分選系統采用四相步進電機來提供動力，并且讓步進電機工作在8拍模式下，這樣就可以保證送料裝置工作的精度和穩定性。

由于步進電機是感性負載，因此在突然掉電的情況下會產生反沖電流，因此在設計原理圖的時候應當考慮反沖電流對驅動芯片的影響，因此在芯片的驅動端都加上了二極管來消除反沖電流的影響，如圖3所示。

圖3 動力模塊連接示意圖

1.4 按鍵顯示部分的設計

由于3臺步進電機的控制和AD574的控制使用了大多數IO接口，因此讓單片機直接控制LED和控制按鍵已經不可能了，所以需要外部擴展顯示芯片和按鍵，采用串行的方式進行控制LED和讀取按鍵信息。由于考慮到以后裝箱的可能性，因此在設計PCB的時候特意將數碼管設計在正面，其余所有的元件都設計在背面，并且在設計的時候將顯示和按鍵分開，這樣在安裝的時候有一定的自由度。

1.5 軟件的設計

分選系統流程圖如圖4所示。分選系統是由單片機控制整個分選流程，因此單片機內部的程序也和硬件系統對應的分為幾個模塊進行實現，并且這幾個模塊相互配合形成流程圖，實現系統的正常運行。

圖4 軟件流程圖

從分選流程的角度進行考慮，單片機首先需要控制送料齒輪傳送一粒滾珠到傳感器下并進行測量，因此在程序的起始需要送料模塊，然后單片機需要從傳感器讀取數據，并且進行判斷，這個數據是落在哪個公差帶內部。所以單片機需要數據讀取模塊和數據判斷模塊。在完成判斷后需要打開對應的門，因此需要開門模塊，當滾珠落入對應料箱后，此閥門應當關閉并等待下一個滾珠到來。

綜上所述，完成整個控制需要以下模塊：送料模塊、數據讀取模塊、數據判斷模塊、開門模塊和關門模塊。根據上面所列舉的模塊，構建了這個分選系統的流程圖。

2 機械結構的設計

本分選機構的特點在于上料機構和測量機構是在一個地點完成，而且上料機構一次性完成上料、測量和退料這三部，而且可以循環往復進行測量，具有結構簡單，控制容易的特點，同時，所有的傳動機構都是標準件，在市場上都可以以很低的價格購買到。整體結構的側視圖和俯視圖如圖5和圖6所示。

圖5 分選裝置側視圖

圖6 分選裝置俯視圖

2.1 上料機構的鏈輪的設計

上料機構的核心是一個由步進電機驅動的鏈輪。由于鏈輪主要是用來與鏈條配合，完成傳動任務，并且鏈節的形狀為圓柱形，因此鏈輪也可以用于分開一粒與另一粒滾珠，并且固定住被測的滾珠。由于分選的滾珠公稱直徑為10mm，因此鏈條滾子直徑d1=5mm?？紤]到在分開一粒與另一粒滾珠的時候，減小滾珠進入齒輪死區的概率，因此該鏈輪配合的鏈節距應當盡量的小，本分選系統采用鏈輪截距P=3/8=9.525。齒數z=15，鏈輪參數計算如下。

分度圓直徑為：

取分度圓直徑d=46mm。

齒頂圓直徑為：

取齒頂圓直徑D=50mm。

齒根圓直徑為：

取齒根圓直徑d=41mm。

2.2 測量機構的設計與實現

LVDT垂直于鏈輪安裝，當鏈輪將一粒滾珠送到傳感器探頭下時，傳感器放下探頭，并測量該滾珠的直徑，測量完成后抬升探頭，鏈輪繼續旋轉，送來下一粒滾珠并且將這粒滾珠推送到分選區域。同時對于測量臺也有一定的要求，在LVDT下的測量臺必須是用鎢鋼制成，這樣才可以有一定的硬度，保證測量數值的準確，同時還保證了耐用性。

2.3 分選機構的實現

分選機構的示意圖如圖7所示，其實質為可以控制閥門開合的料箱，在本設計中，為了節約成本，所以控制機構開合的轉動力也來自步進電機，當有滾珠滾落的時候，相對應的閥門由步進電機控制打開90°并延遲4秒，然后再將閥門關上。然而在實際生產過程中，應當采用將聯軸器和滾道進行焊接的方式進行連接，防止滾珠滾落到錯誤的料箱內，或者直接采用氣動閥門，也可以增加分選機構的穩定性。

圖7 分選機構示意圖

3 分選機構的精度分析和標定

3.1 分選裝置的精度

本設計采用由SOWAY公司生產的SDVB20系列回彈式位移傳感器，該傳感器的分辨率達到≤0.01μm，其重復性誤差達到≤0.01%。

采用的AD轉換器為AD574，是一個12位的AD轉換器。傳感器輸出的電壓值為0～10V，AD的輸入值為0～10V。因此，AD轉換器工作在滿量程狀態下，輸出212=4096個數，因此該套分選裝置的分辨力為：

又因為AD轉換器的誤差約為最小位的2～3倍，因此該套裝置的輸出分辨力為1.83μm。

實際測量時，儀器的分辨力至少是測量實物的精度的3倍，因此該裝置能分選的最小公差約為5μm。

3.2 儀器的標定

采用標準量塊對儀器進行標定，量塊等級為1級，符合93-2235標準，并且在20℃時進行標定，以保證測量的準確性。

標定采用如下方案，使用1mm的量塊進行調零，并且每間隔0.2mm取一點測量輸出，并且記錄輸出值，這樣在全量程內有14個標定點。對于部分沒有合適量塊的標定點，應當采取兩塊量塊研合的方式進行標定。為了減小誤差，應當盡量采用較少的量塊進行研合。標定數據如表1所示。

表1 標定數據

獲得測量數據后，采用最小二乘法對于數據進行擬合，并且獲得擬合方程為：

擬合直線如圖8所示。

4 結論

本設計在總結現階段滾珠分選方式的優缺點的基礎上，提出了采用鏈輪傳送滾珠實現上料，采用LVDT測量滾珠直徑實現分選。采用了模塊化的設計思路，便于產品更新換代，使其具備了更強的適應能力。在設計中，采用LVDT作為測量傳感器，同時具有可靠性高和精度高兩種優點。使用鏈輪和步進電機配合進行傳動，機械結構簡單容易實現。通過89C51單片機進行數據處理和控制分選，用HD7279和數碼管進行數據顯示。對設計制作的分選裝置進行了標定，采用最小二乘法求出了擬合方程。

本設計還可以在以下方面進行提高：

該設計目前只適用于滾珠的分選，對于其它類型的滾子無法進行測量；分選速度過慢，如果可以使用其他測量方式加快分選速度則更好。

圖8 擬合直線

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