陶瓷球表面質量檢測展開機構

張付祥, 劉振宇

(河北科技大學 機械電子工程學院，石家莊 050018)

氮化硅陶瓷具有質量輕、硬度高、熱膨脹系數小、熱導率低、摩擦小、耐腐蝕、絕抗磁、高溫強度高、高速離心力小和運轉溫升低等優良性能，具備了滾動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發與應用的熱點。它不僅可以在一些應用領域代替金屬軸承，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合。陶瓷軸承在制藥、化工、紡織、航空航天、冶金、機械、石油、交通、電子、軍事裝備等領域有著廣泛的應用前景和越來越明顯的市場空間[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過程決定了陶瓷球更容易產生偶然性表面缺陷，這些表面缺陷會造成陶瓷球過早的疲勞失效和力學性能降低[3]。由于氮化硅陶瓷材料的特性及表面缺陷細微，國內、外還沒有能夠檢測出各類缺陷并對缺陷進行定量統計的技術。因此，對陶瓷球表面質量檢測系統進行研究具有重要意義。這里介紹一種陶瓷球表面質量檢測系統的球面展開機構。

1 陶瓷球表面展開原理分析

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

傳統的陶瓷球表面展開裝置采用螺旋共軛軸展開方法，這種方法結構簡單，檢測時只需要陶瓷球按軌跡運動，檢測器固定不動。檢測中，陶瓷球與展開輪接觸產生摩擦力，該摩擦力帶動陶瓷球按展開輪的展開軌跡運動，陶瓷球在展開輪和導輪之間的運動假設為純滾動。但在實際應用中這種展開方法存在兩個嚴重缺點：一是研磨后的陶瓷球雖經清洗，但表面仍有油污，且會使摩擦輪與陶瓷球之間的運動為滾滑結合狀態，其運動軌跡無法精確確定；二是載物臺的滾道磨損后失去了原有的形狀，使陶瓷球不能按設計軌跡展開[4]。同時，展開裝置還要保證陶瓷球表面在檢測裝置的掃描范圍內全部、連續展開，并保證被檢測的陶瓷球表面與檢測裝置距離不變。因此為了克服傳統方法的缺點，這里采取強制球轉動方式，應用平行球帶展開法和螺旋球帶展開法，展開示意圖如圖1所示。

圖1 球面展開示意圖

對于平行球帶展開法，檢測時檢測裝置不動而球以ωφ的角速度轉動，這樣球轉動一周后，掃描器掃描到球表面的平行于赤道的球帶，球帶的寬度為檢測器的掃描寬度。檢測完一周后，檢測器繞球心旋轉一個球帶的對應角度，再進行下一個球帶的檢測，以此類推將陶瓷球表面全部展開。

設檢測初始仰角為-θ，終結的仰角θ，則檢測器檢測的球帶數N為

(1)

式中：Dw為被測球體直徑；θ為俯仰角；αθ為檢測器沿仰角方向的檢測精度。

檢測器每次轉動的角度N1為

N1=2θ/N。

(2)

平行球帶法中檢測的過程是間歇式的，很容易實現運動控制，檢測精度高。對螺旋球帶展開法，檢測過程中使用夾具帶動陶瓷球以ωφ的角速度轉動，檢測器繞球心以ωθ的角速度轉動，從而實現球面展開。

無論采用平行球帶展開法還是螺旋球帶展開法，速度控制都是檢測系統能否完成檢測任務的關鍵。對于平行球帶展開法，主要的控制參數是ωφ，原則是在保證檢測精度的前提下盡量提高ωφ。對于螺旋球帶展開法，控制參數是ωφ和ωθ，原則是首先要合理確定兩個參數的比值以保證能夠實現球面展開，同時盡量提高ωφ和ωθ以滿足檢測速度的需要。

2 檢測系統展開機構設計

2.1 檢測系統原理

基于圖像處理的表面質量檢測具有精度高、速度快、智能化等優點，是近年來發展迅速的無損檢測技術。由于陶瓷球表面缺陷很小，所以首先應該對被檢測球體表面進行光學放大，然后采集放大后的圖像信號，并將模擬信號轉化成數字信號被計算機接收并進行處理與分析，最終將被檢測的球進行分級，同時將分類信息傳遞給控制臺，控制臺控制陶瓷球表面展開并將分級后的球分類存放。

整個檢測系統由展開裝置、顯微鏡、圖像傳感器(CCD攝像機)、圖像采集卡和計算機等組成，如圖2所示。

圖2 檢測系統結構圖

陶瓷球表面質量檢測系統工作原理如圖3所示。

圖3 檢測系統原理圖

2.2 展開機構設計

展開機構如圖4所示，包括夾具及其轉動機構、載物臺升降機構、載物臺轉動機構及顯微鏡轉動機構。在該機構中由電磁鐵和4個步進電動機(M1，M2,M3,M4)實現對陶瓷球的夾緊，繞水平與垂直軸的轉動以及顯微鏡在圓周方向對陶瓷球的掃描。本機構只要改變對M4的控制就可以使陶瓷球實現平行球帶展開與螺旋球帶展開。

圖4 展開機構原理圖

2.3 展開運動的實現

本裝置只需對檢測裝置采用不同的控制方式就可以實現平行球帶展開和螺旋球帶展開。檢測時，陶瓷球表面展開裝置在控制系統的作用下按照預定的轉速配合顯微鏡轉動，通過兩次掃描完成對整個陶瓷球表面的檢測。其中控制顯微鏡間歇擺動可以實現平行球帶展開方式的陶瓷球表面質量檢測(工作流程如圖5所示)，這種展開方式在檢測過程中，顯微鏡的擺動是間歇性的，容易實現運動控制，檢測精度高；展開運動的同時控制顯微鏡連續擺動，可實現螺旋球帶展開方式的陶瓷球表面質量檢測(工作流程如圖6所示)，螺旋球帶展開方式與平行球帶展開相比，檢測速度較快，檢測精度稍低。

圖5 平行球帶展開法流程圖

圖6 螺旋球帶展開法流程圖

2.4 展開機構對測量精度的影響

采用螺旋球帶展開法對陶瓷球表面質量進行檢測時，要求球的旋轉和顯微鏡的擺動聯合動作，這對電動機的控制要求很高，如果控制不好，就會對球的表面產生漏檢或重疊率過大，影響檢測的精度和速度。針對展開機構對測量精度的影響可以通過選擇步距角較小的步進電動機，并采用細分電路進行控制，以提高步進電動機轉速的平穩性和控制精度。

3 結束語

氮化硅陶瓷球具有不導電、不導磁且表面缺陷形狀差異明顯的特點，需要根據缺陷類型進行檢測。這里建立的基于圖像處理的陶瓷球表面質量檢測系統可以根據被檢測陶瓷球的具體檢測要求選擇合適的展開方法。當對檢測質量要求較高而檢測速度要求不高時可以選用平行球帶展開法；當對檢測速度要求較高而檢測精度要求不高時可以選擇螺旋球帶展開法。文中設計的陶瓷球表面質量檢測系統能夠很好地完成各種陶瓷球表面質量檢測任務。