滾珠直徑自動(dòng)分選機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、CHENGDU UNIVERSITY本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目滾珠自動(dòng)分選機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指 導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致 謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包 含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō) 明并表示了謝意。作者簽名： 日期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定

2、，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué) 校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽 服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不 以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。滾珠自動(dòng)分選機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)是針對(duì)滾珠按直徑自動(dòng)分選的難題，提出一種采用CCD光電傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)滾珠直徑進(jìn)行測(cè)量的方法。通過(guò)對(duì) CCD中被擋光部分的像元個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，從而獲得滾珠的實(shí)際直徑，經(jīng)過(guò)系 統(tǒng)中單片機(jī)的自動(dòng)分析判斷，啟動(dòng)分選裝置，將符合條件的滾珠分選出來(lái)。該方案可較好的實(shí)現(xiàn)滾 珠的自動(dòng)分選，是光電技術(shù)在滾珠分選行業(yè)的典型應(yīng)用。關(guān)鍵字：

3、滾珠；分選機(jī)；CCD-TCD142傳感器；89C52單片機(jī)；誤差分析Ball Beari ng Automatic Sort ing Mach ine Con trol SystemDesig nSpecialty: Measureme nt and Con trol Tech no logy and In strume ntStudent Number: 200910114240Student: Chen KeyuSupervisor： Wu BinAbstract : This design is for the ball in the problem of automatic sorti

4、ng diameter,puts forward a method to realize the measurement of ball diameter by CCD photoelectric sensor.Through the count of CCD were coun ted in the pixel light-blocked, to obta in the actual diameter of ball, after the judgme nt of sin glechip in system,start sorting device,sorted out in line wi

5、th the conditions of the ball.This scheme can realize automatic sorting the ball better,is a typical applicatio n of photoelectric tech no logy in ball separati on in dustry.Key words : Ball bearing ; Separator; The CCD-TCD142®hotoelectric sensor; 89 c52; The error analysis成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）1緒論11.1

6、滾珠分選機(jī)研究的現(xiàn)狀 11.2研究?jī)?nèi)容12方案設(shè)計(jì)23分選機(jī)模塊設(shè)計(jì) 33.1上料裝置33.2送料裝置43.3測(cè)量部分63.3.1 測(cè)量裝置63.3.2激光發(fā)射端73.3.3 CCD光電傳感器83.3.4 CCD-TCD142D 傳感器103.4分選部分113.4.1 分選原理113.4.2 分選裝置 124系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 134.1單片機(jī)134.1.1 AT89C52 簡(jiǎn)介134.1.2引腳介紹134.2 CCD-TCD142D 電路164.3 二值化電路處理 174.4輸入模塊184.5顯示模塊194.6 分選模塊電路設(shè)計(jì) 204.7總體電路設(shè)計(jì)214.8系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 215測(cè)量誤差分析及誤

7、差消除方案 225.1誤差分析的要素 225.2隨機(jī)誤差235.2.1滾珠熱脹冷縮引起的隨機(jī)誤差 235.2.2被測(cè)滾珠尺寸產(chǎn)生的測(cè)量誤差 235.2.3被測(cè)滾珠表面粗糙度引起的誤差 245.3系統(tǒng)測(cè)量誤差255.3.1測(cè)量環(huán)境中雜質(zhì)引起的誤差 255.3.2傳感器定位引起的誤差 255.4本章小結(jié)266結(jié)論27附錄一 28附錄二29附錄三30參考文獻(xiàn)31致謝32II成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）1緒論1.1滾珠分選機(jī)研究的現(xiàn)狀調(diào)查資料表明，國(guó)內(nèi)外對(duì)軸承滾珠的分選裝置的研究經(jīng)歷了很長(zhǎng)的一段時(shí)間，它作 為軸承制造業(yè)中重要的專(zhuān)用設(shè)備，對(duì)提高軸承質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng) 度，具有十分重要的

8、意義。根據(jù)測(cè)量方式的發(fā)展過(guò)程將分選裝置分為以下幾個(gè)階段第一階段：采用千分表對(duì)滾珠進(jìn)行測(cè)量，這種方式出現(xiàn)最早，也是應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)的 一種測(cè)量方式，在我國(guó)大多數(shù)的軸承生產(chǎn)廠家依然沿用該分選方式，它雖然能夠在一定 程度上滿足生產(chǎn)的需要，但由于采用該方法必須投入大量的人力資源，嚴(yán)重的浪費(fèi)了勞 動(dòng)力，對(duì)于人口密集型的地區(qū)來(lái)講尚可以適用，但對(duì)于勞動(dòng)力稀缺的地方就存在著人力 資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。第二階段：采用接觸式的測(cè)量方式，根據(jù)不同的滾珠，設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的滾珠分選機(jī), 設(shè)計(jì)的目的是為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)上料、自動(dòng)送料、自動(dòng)測(cè)量以及依類(lèi)別分選等過(guò)程。第三階段：采用非接觸式的測(cè)量方式，將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和龐大的分析

9、 能力有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，以滿足人們對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高的需要。采用非接觸式 的測(cè)量方式不僅能夠解決測(cè)量過(guò)程中由于磕碰產(chǎn)生的誤差，而且測(cè)量精度也非常高0綜上所述，滾珠分選機(jī)因軸承行業(yè)的興起而發(fā)展， 隨著工業(yè)發(fā)展的程度的不斷遞進(jìn), 研制自動(dòng)化程度更高的分選設(shè)備對(duì)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的提高有強(qiáng)勁的推進(jìn)作用。1.2研究?jī)?nèi)容(1) 研發(fā)一種能夠取代傳統(tǒng)檢測(cè)方式的測(cè)量設(shè)備，其作用對(duì)象是軸承滾珠。(2) 尋求一種不同于當(dāng)前分選機(jī)的測(cè)量方式，提出利用 CCD光電傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸 式測(cè)量的方式來(lái)獲得被測(cè)滾珠的直徑的思路，并在結(jié)構(gòu)中合理運(yùn)用。(3) 測(cè)量后的滾珠要按照一定的尺寸進(jìn)行分級(jí)存放，如何進(jìn)行分類(lèi)篩選是該

10、裝置的 一個(gè)需要重要考慮的問(wèn)題。(4) 對(duì)測(cè)量過(guò)程中由隨機(jī)誤差、系統(tǒng)測(cè)量誤差引起的對(duì)測(cè)量結(jié)果可能產(chǎn)生誤差的原 因進(jìn)行分析，找出主要誤差和次要誤差，對(duì)可能產(chǎn)生的誤差值進(jìn)行量化，并提出避免和 減少誤差產(chǎn)生的方案。2方案設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)主要是以功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分 解產(chǎn)品，在分解中考慮到各個(gè)要素的可行性，從而在早期就預(yù)測(cè)到設(shè)計(jì)中可能會(huì)出現(xiàn)的 矛盾，提高設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，降低產(chǎn)品的成本 0系統(tǒng)主要功能模塊包括的部分有：測(cè)量模塊、控制模塊、送料模塊、上料模塊、分 料模塊以及落料模塊；次要功能模塊包括：支架模塊、動(dòng)力模塊以及外形罩模塊。本文 章將主要介紹設(shè)備中的上料裝置

11、、送料裝置、測(cè)量部分與分選裝置，并對(duì)最后測(cè)量結(jié)果 進(jìn)行誤差分析。滾珠分選流程圖如下：待測(cè)滾珠由 自動(dòng)上料 裝置送下， 經(jīng)送料裝 置送入測(cè)量 部分，測(cè) 量部分通過(guò)CCD-TCD142測(cè)出滾珠的直徑數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給 AT89C52單片機(jī)，AT89C52單片機(jī)將 數(shù)據(jù)處理后繼而控制分選裝置，使?jié)L珠經(jīng)過(guò)不同的閥門(mén)進(jìn)入到不同的料箱中儲(chǔ)存，從而 完成對(duì)滾珠直徑的自動(dòng)測(cè)量與分選。軟件部分，本設(shè)計(jì)擬采用矩陣鍵盤(pán)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù) 設(shè)置，測(cè)量部分采用半導(dǎo)體激光器作為發(fā)射光源，CCD-TCD142圖像傳感器作為測(cè)量元件。擬采用AT89C52單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制分選，用 LCD12864-0402E進(jìn)行數(shù)據(jù)顯 示

12、 03分選機(jī)模塊設(shè)計(jì)3.1上料裝置上料裝置它的作用是把盛在料斗里的工件送至待料位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供料。作為自動(dòng)上料裝置的料斗有多種結(jié)構(gòu)型式，常采用往復(fù)式推管式結(jié)構(gòu)，其中常見(jiàn)的有如圖3-1兩種，前一種是氣動(dòng)式的，它實(shí)際上是一組復(fù)合氣缸，中空的活塞桿即為料管，兩氣缸的運(yùn)動(dòng)時(shí)反向的，一般用在圓錐滾子和圓柱滾子等分選機(jī)上。后一種是機(jī)械式的，由電機(jī) 傳動(dòng)，也是由兩支上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的推管組成，一般用在滾珠和鋼球等分選機(jī)上。1、上套2、上料管組件3、托快4、螺釘5、軟管組6、壓軟管塊、托架8、側(cè)向軸承 9、擺桿10、蓋板11、油杯12、塞子圖3-1料斗要保證高精度、高速度的自動(dòng)分選，有一個(gè)高效率的自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)是必

13、須的，兩向往復(fù)推管式料斗能很好地保證這一點(diǎn)。即使對(duì)于不易下料的某些大規(guī)格滾珠，也能保證100個(gè)每分的供料速度，此時(shí)兩推管的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度為60-100次每分，因此供料情況完 全滿足要求。此外，在這種結(jié)構(gòu)中，兩推管對(duì)料斗中所盛滾珠的攪動(dòng)較小，故雖然下料 速度甚快，但滾珠的攪動(dòng)量不大，因而與其他一些結(jié)構(gòu)形式的料斗相比較，這種料斗噪 音較小，滾珠表面搓傷也較小33.2送料裝置送料裝置不僅應(yīng)滿足送料對(duì)象的節(jié)拍要求， 而且要為CCD光電傳感器的工作提供條 件。CCD光電傳感器的響應(yīng)時(shí)間較短，測(cè)量速度快，可以采用氣缸推料的方式，由送料 桿將滾珠從待料位置送入測(cè)量位置，同時(shí)把前一個(gè)滾珠推入分選裝置，從而實(shí)現(xiàn)送

14、料。 如圖3-2所示，送料裝置有三個(gè)功能件組成，分別是 5°斜面、氣缸、V型定位塊。三個(gè) 功能件安裝在設(shè)備中的測(cè)量工作臺(tái)上，組成送料結(jié)構(gòu)。5°斜面安裝在工作臺(tái)的右側(cè)，其出口端與V型定位塊相連，斜面上的滾珠在重力和后排滾珠的推力作用下順利滾落到V型定位塊中。在V型定位塊的一側(cè)由裝有推桿的氣缸連接，氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)滾珠在 V型塊上的移動(dòng)。V型塊是滾珠移動(dòng)的載體，不僅與 5°斜面、氣缸相連，還有一部分位 于傳感器之間，便于滾珠的測(cè)量。圖3-2滾珠送料裝置示意圖具體設(shè)計(jì)思路如下：5 °斜面的設(shè)計(jì)：如圖3-3所示，滾珠為球面體，其與工作臺(tái)之間的接觸方式為點(diǎn)接 觸

15、,斜面對(duì)滾珠產(chǎn)生的摩擦力小，存在一定斜度的平面上的滾珠會(huì)自動(dòng)滾落，便于滾珠的 自動(dòng)送料。同時(shí),過(guò)大的傾斜角度會(huì)導(dǎo)致滾珠不能按順序排列在斜面和V型定位塊上，經(jīng)計(jì)算采用斜度為5°的斜面為適合角度。此外，設(shè)計(jì)中為了方便滾珠能夠順利的從斜面上 滾落到V型定位塊上，在5°斜面的出口端相對(duì)于V型定位塊高出2mm這樣既會(huì)使?jié)L珠可 以正常滾動(dòng)到V型塊上,又可以避免滾珠卡在5°斜面和V型定位塊二者間。4成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文(設(shè)計(jì))待測(cè)滾珠丁斜面丫型定位塊圖3-3 5 0斜面結(jié)構(gòu)示意圖氣缸的設(shè)計(jì)：氣缸選用的是標(biāo)準(zhǔn)件，其行程的選擇是根據(jù)滾珠的直徑?jīng)Q定，對(duì)于測(cè) 量不同直徑的滾珠時(shí)，氣缸的

16、行程是需要調(diào)節(jié)的，因此實(shí)際測(cè)量中應(yīng)根據(jù)不同直徑在氣 缸端頭處裝上不同長(zhǎng)度的推桿，以滿足送料時(shí)的需求。此外，推桿不僅起到送料的作用， 在推桿伸出的同時(shí)還將阻擋下一個(gè)滾珠下落，保證50斜面上的滾珠能夠逐個(gè)有序地移動(dòng)，從而起到阻料的作用。V 型定位塊設(shè)計(jì)：V型定位塊是連接5°斜面與傳感器之間的紐帶，同時(shí)滾珠測(cè)量的 過(guò)程也是在其上進(jìn)行的，所以，該定位元件不僅需要為滾珠的移動(dòng)提供支承，而且還要 保證滾珠在移動(dòng)的過(guò)程中不被磨損。該元件的材料應(yīng)采用尼龍制成，尼龍具有很高的機(jī) 械強(qiáng)度、耐熱、摩擦系數(shù)低、耐磨損，并且還有具有吸震性，對(duì)于測(cè)量設(shè)備的定位元件 是一種很好的材料5。同時(shí)，如圖3-4所示，在V

17、型定位塊的一側(cè)銑出寬度為5mm勺條 形槽，光電傳感器的發(fā)射端發(fā)射的激光將從此處貫穿，滾珠在V型定位塊上移動(dòng)經(jīng)過(guò)時(shí)可以通過(guò)CCD接收端暗區(qū)的長(zhǎng)度而計(jì)算出待測(cè)滾珠的直徑。缺口/ H/圖3-4 V型塊結(jié)構(gòu)示意圖該方案有如下優(yōu)點(diǎn)：(I) 該送料裝置僅采用三個(gè)構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠滿足對(duì)送料設(shè)計(jì)的要求,簡(jiǎn)單而實(shí)用(2) 采用5°斜面放置滾珠，與氣缸伸出的推料桿之間聯(lián)動(dòng)使其可以在重力的作用向 下自由移動(dòng)的同時(shí)也達(dá)到了逐個(gè)放行的目的，省去阻料器的設(shè)計(jì)。(3) 采用尼龍V型定位塊使定位準(zhǔn)確，滾子在移動(dòng)過(guò)程中減少其摩擦，避免在測(cè)量 時(shí)表面粗糙度受到破壞。3.3測(cè)量部分分選機(jī)的兩個(gè)重要的模塊是測(cè)量與

18、分選，測(cè)量是滾珠分選的第一個(gè)環(huán)節(jié)，也是決定 整機(jī)測(cè)量精度、測(cè)量速率的主要環(huán)節(jié)。測(cè)量工具的選擇是該部分設(shè)計(jì)的首要任務(wù)之一， 下面結(jié)合現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行比較，選擇滿足測(cè)量需求的產(chǎn)品?，F(xiàn)階段用于滾珠直徑測(cè) 量的儀器共有兩種，分別是接觸式傳感器、非接觸式傳感器，接觸式傳感器：主要以壓電傳感器為主，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較高，但測(cè)量精度高, 測(cè)量準(zhǔn)確。多出現(xiàn)在20實(shí)際90年代中后期研制的滾珠分選機(jī)中，測(cè)量效率相對(duì)較高， 可減少勞動(dòng)力投入，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。缺點(diǎn)是現(xiàn)有市面上出售的傳感器價(jià)格居高不 下，導(dǎo)致分選機(jī)的價(jià)格難以被中小生產(chǎn)廠家所接受，不利于自動(dòng)化設(shè)備的大范圍推廣。非接觸式傳感器：現(xiàn)階段出現(xiàn)的非接觸式

19、測(cè)量分選機(jī)中，光電傳感器是唯一被應(yīng)用 的傳感器。光電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、測(cè)量精度高、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠、價(jià)格較高, 但由于其在測(cè)量過(guò)程中對(duì)被測(cè)零件沒(méi)有磨損，且被測(cè)零件定位簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間短、速度 快，可以滿足現(xiàn)代工業(yè)快速滾珠測(cè)量的目的。利用光電傳感器進(jìn)行測(cè)量是滾珠測(cè)量行業(yè) 的最佳方案之一。本設(shè)計(jì)采用光電傳感器進(jìn)行測(cè)量，光電傳感器用于測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，具有不接觸、精度 高、速度快、靈敏度好及不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于生產(chǎn)線或設(shè)備維修都具有極大的應(yīng) 用潛力。3.3.1測(cè)量裝置如圖3-5(a)所示,左側(cè)為激光發(fā)射端,右側(cè)為CCDS收端，發(fā)射端產(chǎn)生一個(gè)截面狀 的平行光束向前傳遞，CCD8收端能夠檢測(cè)到所發(fā)射的

20、平行光束范圍，這樣就在兩者之 間形成了一面測(cè)量區(qū)域。從圖3-5 (b)中可見(jiàn)，V形定位塊在激光通過(guò)的部分銑出缺口 以便光線能夠完全無(wú)阻礙通過(guò)，當(dāng)待測(cè)滾珠從中穿過(guò)時(shí)，被測(cè)滾珠會(huì)阻擋住一部分平行光束，在CCD光敏面上形成暗區(qū)，而其余部分形成亮區(qū)，此時(shí)只要測(cè)得暗區(qū)的長(zhǎng)度就可 計(jì)算出被測(cè)滾珠的直徑值0(a)CCDis平行激光束(b)圖3-5測(cè)量裝置示意圖3.3.2激光發(fā)射端測(cè)量裝置的激光發(fā)射端采用半導(dǎo)體激光器作為發(fā)射光源，半導(dǎo)體激光器是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的一類(lèi)激光器，亦被稱為半導(dǎo)體激光二極管。半導(dǎo)體激光器具有超小 型、咼效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于調(diào)制等優(yōu)點(diǎn) 。其原理如下：通過(guò)金屬接觸給PN結(jié)加

21、上正向偏置，在作用區(qū)內(nèi)，電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生光子。當(dāng)注入電流較小時(shí)，注入結(jié)區(qū)的電子和空穴也較小，輻射小于吸收，此時(shí)激光器只能產(chǎn)生自發(fā)輻射，出現(xiàn)普通的熒光；電流逐漸加大，注入結(jié)區(qū)的電子和空穴增多，這時(shí)將發(fā)射 很亮的熒光。當(dāng)注入電流增大到增益足以補(bǔ)償損耗時(shí)，才能產(chǎn)生譜線尖銳、模式明確的 振蕩，此時(shí)才是真正的激光。其特性如下：功率-電流特性是半導(dǎo)體激光器重要的特性，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，當(dāng)激光器注 入電流較小時(shí)，自發(fā)輻射占據(jù)主導(dǎo)地位，輸出的光為熒光；隨著注入電流的逐漸增大， 開(kāi)始產(chǎn)生受激輻射，輸出光功率也逐漸增加，當(dāng)注入電流增大到某一值時(shí)，輸出光功率 急劇增加，這個(gè)電流就是閾值電流，當(dāng)注入電流大于閾值

22、時(shí)，激光器發(fā)出激光。如圖3-6所示，為激光發(fā)射端的光學(xué)系統(tǒng)，半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光經(jīng)光柵變成平 行光束后射向被測(cè)滾珠以及CCD接收端，從而完成對(duì)滾珠的測(cè)量。半導(dǎo)體激光器光柵 滾珠CCD接收端圖3-6激光發(fā)射端光學(xué)系統(tǒng)示意圖3.3.3 CCD光電傳感器CCD(Charge Coup Led Device)即電荷耦合器件，是一種新型的固體成像器件，它 是在大規(guī)模硅集成電路工藝基礎(chǔ)上研制而成的模擬集成電子芯片，既具有光電轉(zhuǎn)換的功能，又具有電信號(hào)電荷的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移和讀出的功能。CCD專(zhuān)感器在結(jié)構(gòu)上可分為面陣和線陣。面陣CC吐要用于圖像的記錄、儲(chǔ)存等方面，線陣 CC吐要用于物體外部尺寸的 非接觸檢測(cè)及機(jī)器

23、人視覺(jué)中的精確定位等。較之傳統(tǒng)的機(jī)械式、光學(xué)式、電磁式測(cè)量方 法，線陣CCD專(zhuān)感器實(shí)現(xiàn)了尺寸檢測(cè)的智能化、自動(dòng)化。線陣CCD3其驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，信號(hào)處理相對(duì)容易，而在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 。而本次設(shè)計(jì)正是以線陣 CCD專(zhuān) 感器為基礎(chǔ)來(lái)測(cè)量滾珠直徑，從而實(shí)現(xiàn)滾珠的自動(dòng)分選。(1) CCD光電傳感器的工作原理CCD電荷藕合器采集圖像信號(hào)，可分為三個(gè)過(guò)程，首先將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷，然后暫 時(shí)存放在存儲(chǔ)器中，最后用時(shí)鐘脈沖順序讀出信號(hào)。8成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）1. 采光積累電荷當(dāng)人射光照射到光敏元件上時(shí)，由于光量子的激發(fā)，使光敏材料上的導(dǎo)電粒子（電子 空穴對(duì)）增加，在金屬電極下的P型硅襯底上表面

24、形成電荷積累。人射光越強(qiáng)，在光敏材 料中激發(fā)的導(dǎo)電粒子越多，形成的電荷積累也越多。2. 電荷的轉(zhuǎn)移及電荷信息的讀取為取出存儲(chǔ)區(qū)中積累的電荷信息，在金屬鋁電極和P型硅襯底加上控制電壓，使存儲(chǔ) 區(qū)中電荷向下一存儲(chǔ)電荷區(qū)中轉(zhuǎn)移，送至電荷信息讀取電路，在時(shí)鐘脈沖控制下順序讀 出。CCD電荷禍合器像串行移位寄存器一樣，以行為單位，一位一位地輸出信息，實(shí)施電荷的轉(zhuǎn)移輸出。電荷轉(zhuǎn)移和電路信息讀取電路是一個(gè)構(gòu)造較復(fù)雜的半導(dǎo)體電路，需在P型硅襯底上制作電荷轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)器，輸出電極（N刃，還需要有三組不同電源相配合方能 輸出電荷信息。CCD電荷耦合器輸出的是與入射光強(qiáng)度成比例的模擬信號(hào)，此信號(hào)送往A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成一

25、個(gè)與入射光強(qiáng)度成比例的二進(jìn)制數(shù)（該二進(jìn)制即對(duì)應(yīng)一個(gè)像素的數(shù)據(jù)），并送往下一級(jí)電路處理。（2）CCD光電傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù) 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其特點(diǎn)如下：1. 體積小重量輕；2. 功耗小、工作電壓低、抗沖擊與震動(dòng)、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)；3. 靈敏度高、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大；4. 響應(yīng)速度快、有自掃描功能、圖像畸變小、無(wú)殘像；5. 像素集成度高、尺寸精確、商品化生產(chǎn)成本低。其主要應(yīng)用于數(shù)字相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、掃描儀中，在采用光學(xué)方法測(cè)量外徑的儀器 中，常把CCDS件作為光電接收器。（3）CCD勺輸出信號(hào)圖

26、3-7為CCD勺輸出信號(hào)示意圖，亮區(qū)處為高電平，暗區(qū)處為零，且像元之間的距 離是已知的（相鄰像元中心距是制造時(shí)確定的）。CCD勺感光或擋光區(qū)域輸出的信號(hào)經(jīng)二 值化處理后并作適當(dāng)?shù)碾娖阶儞Q，成為一定寬度的電平信號(hào)。如果得到擋光區(qū)域所包含 的像元個(gè)數(shù)，則就可計(jì)算出該擋光區(qū)的寬度來(lái)。由于 CCD勺信號(hào)是移位輸出的，且移位信號(hào)的輸出是與移位時(shí)鐘脈沖對(duì)應(yīng)的，所以為了計(jì)算出擋光區(qū)域所包含的像元個(gè)數(shù)，只 需對(duì)圖3-7（b）中a、b兩點(diǎn)間所對(duì)應(yīng)的移位時(shí)鐘脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)即可，這樣就不需要將 每一像元信號(hào)均讀出處理，而只需采用計(jì)數(shù)電路對(duì)像元個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)即可。亮區(qū) 暗區(qū) 亮區(qū)(a)25圖3-7 CCD輸出信號(hào)示意圖

27、3.3.4 CCD-TCD142D 傳感器CCC傳感器本設(shè)計(jì)采用的是線陣 TCD142D傳感器。TCD142D1 一種具有2048位光敏 元的雙溝道兩相線陣CCD器件，共有2110個(gè)光敏像元陣列，62個(gè)啞元（前51個(gè)、后11 個(gè)，以鋁膜遮蓋用于測(cè)量暗電流），共有22個(gè)引腳，其中12個(gè)是空腳。TCD142唄有高靈敏度、低暗電流等優(yōu)點(diǎn)，其管腳排列如圖 3-8所示: 引腳說(shuō)明：匚匚匚匚匚匚匚匚匚匸匚 s s D /* * 030OCR%sc1A （1B2A、2B）:時(shí)鐘SH轉(zhuǎn)移柵RS:復(fù)位柵OS信號(hào)輸出DOS補(bǔ)償輸出OD電源SS:地打川工'NC空腳圖3-8 TCD142D管腳圖其主要性能參數(shù)

28、如下：像敏單元數(shù)目：2048像元像敏單元大小：14 prriX 14 prriX 14（iri （相鄰像元中心距為14耐總體傳輸效率：92%時(shí)鐘頻率：0.1-20MHZ工作溫度：-25-+60°C供電電源：+12V光敏區(qū)域：采用高靈敏度和低暗電流PN結(jié)作為光敏單元 3.4分選部分341分選原理當(dāng)前面的CCD測(cè)量出滾珠的直徑后，單片機(jī)就將該直徑與事先設(shè)定的合格直徑范圍 進(jìn)行比較,一旦符合預(yù)設(shè)要求，則單片機(jī)就會(huì)向相應(yīng)的輸出口發(fā)出高電平，該高電平觸發(fā) 繼電器后開(kāi)啟電磁閥門(mén)，從而使?jié)L珠落入不同的料箱中，即完成對(duì)不同直徑滾珠的分選。 其流程圖如下：圖3-9分選裝置流程圖繼續(xù)測(cè)量下一個(gè)滾珠342

29、分選裝置本次設(shè)計(jì)擬將滾珠分為三類(lèi)，直徑在下偏差與上偏差之間的合格產(chǎn)品一類(lèi)，直徑超 過(guò)上偏差的一類(lèi)，直徑小于下偏差的一類(lèi)。如圖 3-8所示，分選裝置主要由一個(gè)主滾道 與三個(gè)下料管道組成9，主滾道與水平成150角以使?jié)L珠能靠自重順滾道滾下，閥門(mén)開(kāi) 關(guān)的長(zhǎng)度C大于滾道寬度L,關(guān)系約為C=1.5L。當(dāng)被測(cè)滾珠直徑符合規(guī)定的合格直徑時(shí)， 單片機(jī)控制閥門(mén)1,打開(kāi)閥門(mén)1狀態(tài)如圖3-10（虛線所示），接著讓滾珠沿主滾道滾下， 滾珠被開(kāi)關(guān)1擋住，順勢(shì)滾向下料管道1,落入對(duì)應(yīng)的料箱。然后開(kāi)關(guān)復(fù)位，主滾道暢 通，開(kāi)始分選下一個(gè)滾珠，如果所測(cè)滾珠直徑超出了允許的誤差范圍，當(dāng)其小于下偏差 時(shí)，打開(kāi)閥門(mén)2;當(dāng)其超過(guò)上偏差

30、，打開(kāi)閥門(mén) 3;最后落入對(duì)應(yīng)的料箱，以此完成對(duì)滾 珠的分選。閥門(mén)2閥門(mén)3圖3-10分選裝置結(jié)構(gòu)示意圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)4.1.1 AT89C52 簡(jiǎn)介本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)擬采用 AT89C52 AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓， 高性能CMOS駐單片機(jī)，片內(nèi)含8k字節(jié)的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo) 準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單 元，功能強(qiáng)大AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合10。AT89C52主要性能參數(shù)如下

31、：與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容8k字節(jié)可重擦寫(xiě)Flash閃速存儲(chǔ)器1000次擦寫(xiě)周期全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器256 X 8字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O 口線3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器8個(gè)中斷源可編程串行UARTS道低功耗空閑和掉電模式4.1.2引腳介紹電源引腳Vcc （40腳）：正電源的引腳，工作電壓是 5 VGND （20腳）：接地端AT89C52>XTALtPO.OZADOXTAL2P0.1WD1P0.2WD2P0.3WD3RSTP0.5WD5PO.5WD6P0.7/AD7PSENP2EW陽(yáng)P2.1/A9P2 2/A10P2.3/A11ALE EAP2

32、 412P2 5/A13P1.0/T2P1 1/12EXP2 G曲 P2 7/A15P3.D/RXDP3.1/RDPI .2P1.3P3.2/INTO ps.wfiPI.4P3.4HDP1.5P3.5/F1P1.6P1.7P3.6ARP3炳193圖4-1 AT89C52引腳示意圖1216729.3D39-W:：時(shí)鐘電路的引腳XTAL1 和 XTAL2為了產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),在89C52單片機(jī)的芯片內(nèi)部已經(jīng)設(shè)置了一個(gè)反相放大器，其中XTAL1端口就是片內(nèi)反相放大器的輸入端，XTAL2端則是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。單片機(jī)使用的工作方式是自激振蕩的方式，XTAL1和XTAL2外接的是12 MHz的石

33、英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率頻率進(jìn)行振蕩，從而就可以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)電路如圖4-2所示:復(fù)位RST（ 9腳）當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，只要有兩個(gè)機(jī)器周期即 24個(gè)振蕩周期以上的高電平在這個(gè)引腳 出現(xiàn)時(shí)，那么就將會(huì)使單片機(jī)復(fù)位，如果將這個(gè)引腳保持高電平，那么52單片機(jī)芯片就會(huì)循環(huán)不斷地進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位后的P0 口至P3 口均置于高電平，這時(shí)程序計(jì)數(shù)器和特 殊功能寄存器將全部清零。復(fù)位電路如圖所 4-3示：1891293091VCCR1XTAL2C3RST10uFPSENALEEA圖4-3單片機(jī)復(fù)位電路圖（4）輸入輸出口（ I/O 口）引腳P0 口是一個(gè)三態(tài)的雙向口，既可以作為數(shù)據(jù)和地址的分時(shí)

34、復(fù)用口， 又可以作為通用 輸入輸出口。P0 口在有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)將會(huì)被作為地址/數(shù)據(jù)總線口，此時(shí)P0 口就是 一個(gè)真正的雙向口。而在沒(méi)有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口可以作為通用的I/O接口使用， 但此時(shí)只是一個(gè)準(zhǔn)雙向口。P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，而P1 口只有通用I/O接口一種功 能，而且P1 口能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載；在使用時(shí)通常不需要外接上拉電阻就能夠直接 驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管；在端口置1時(shí)，其內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入端口用。 對(duì)于輸出功能，可以通過(guò)程序指令來(lái)控制單片機(jī)引腳的輸出。P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，而且P2 口具有驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS

35、TTL負(fù) 載的能力。P2端口置1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口的電位拉到高電平，作為輸入口使用； 在對(duì)內(nèi)部的Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，P2 口接收高8位地址和控制信息，而在訪問(wèn)外部 程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口就送出高8位地址。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器時(shí)，P2引腳上的內(nèi)容在此期間不會(huì)改變。P3 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P3 口能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載，當(dāng) P3 口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL ）這是由于上拉的緣故。P3 口還有第二功能，如下：P3.0 :串行通訊輸入口（ RXDP3.

36、1 :串行通訊輸出口（ TXDP3.2 :外部中斷0請(qǐng)求輸入端（INTO）P3.3 :外部中斷1請(qǐng)求輸入端（INT1）P3.4 :定時(shí)器0輸入端（TO）P3.5 :定時(shí)器1輸入端（T1）P3.6 :外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通信號(hào)輸出端（/WRP3.7 :外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通信號(hào)輸出端（/RD）4.2 CCD-TCD142D 電路TCD142D的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-4所示，TCD142D& 2110個(gè)光敏二極管，其中前 51個(gè) 和后11個(gè)是用作暗電流檢測(cè)（被遮蔽的），中間的2048個(gè)光敏二極管是曝光象敏單元。 光敏二極管的兩側(cè)是用作儲(chǔ)存光生電荷的MOSI容陣列，在MOSI容陣列的兩側(cè)是轉(zhuǎn)移柵電極，

37、轉(zhuǎn)移柵的兩側(cè)為CCD模擬移位寄存器，其輸出由信號(hào)輸出單元和補(bǔ)償輸出單元 構(gòu)成。當(dāng)TCD142D接受到光照后，光敏元件立刻產(chǎn)生電荷，改電荷被儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)移柵電極 中；通過(guò)打開(kāi)移位門(mén)，可將儲(chǔ)存的電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器中；最后，再在移位脈沖的控 制下，把CCD模擬移位寄存器中的每一個(gè)電荷按順序地移入輸出緩沖器中進(jìn)行輸出。圖4-4 TCD142D內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖TCD142D的應(yīng)用電路如圖4-5所示，CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始工作，輸出信 號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大電路放大，峰值保持電路去干擾后，通過(guò)二值化處理電路整流變成矩形 方波脈沖信號(hào)后傳到AT89C52中進(jìn)行處理。圖4-5 TCD142D應(yīng)用電路示意圖4.3二值

38、化電路處理線陣CCD乍為一種圖像傳感器，其輸出信號(hào)是一列離散的模擬信號(hào)，其中既包含被 測(cè)尺寸的信息，又含有大量的復(fù)位噪聲和電子系統(tǒng)的白噪聲，所以需要進(jìn)行前置放大和 濾波。由于被測(cè)物與背景在光強(qiáng)上的變化，反映在 CCD俞出信號(hào)所對(duì)應(yīng)的圖像譜上，其 邊界處會(huì)有漸緩的過(guò)渡區(qū)，為了將圖像信息提取出來(lái)以便進(jìn)行信息處理，還需要進(jìn)行二 值化處理，將其轉(zhuǎn)換為矩形波11 0所謂二值化處理方法是通過(guò)閾值電平的設(shè)置，來(lái)對(duì)CCD俞出信號(hào)進(jìn)行截?cái)嗟奶幚矸?法。信號(hào)二值化處理電路有固定閾值法、浮動(dòng)閾值法等多種方法。固定閾值法受到光源 變化易引起CCD言號(hào)幅度的變化，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。浮動(dòng)閾值法是在固定閾值法的基 礎(chǔ)上，使

39、電壓比較器的閾值電平隨 CCD俞出視頻信號(hào)的幅值變化而浮動(dòng)。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)中 光源強(qiáng)度的變化引起CCD輸出信號(hào)變化時(shí)，可通過(guò)電路將CCD俞出視頻信號(hào)幅值的變化 關(guān)聯(lián)到閾值電平上，使閾值電平跟著變化，以抵消 CCD俞出視頻信號(hào)因光源不穩(wěn)定而造 成的誤差。高于閾值電平的信號(hào)輸出為低電平，低于閾值電平的信號(hào)輸出為高電平。這 種處理方法實(shí)際上是一種反向的二值化處理法，其電路圖如圖4-6所示，輸出信號(hào)如圖4-7所示：圖4-6浮動(dòng)二值化處理電路原理圖二值化處理后信號(hào)反向后的輸出信號(hào)圖4-7反向二值化處理信號(hào)對(duì)比4.4輸入模塊本次設(shè)計(jì)采用矩陣鍵盤(pán)對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，矩陣鍵盤(pán)又稱行列鍵盤(pán)，它是用四條I/O線作為

40、行線，四條I/O線作為列線組成的鍵盤(pán)。在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵，這樣鍵盤(pán)上按鍵的個(gè)數(shù)就為4X 4個(gè)12。在單片機(jī)中正好可以用一個(gè) P 口實(shí)現(xiàn)16個(gè)按鍵功能，這也是在單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的形式，這種行列式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)能有 效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O 口的利用率。圖4-8為矩陣鍵盤(pán)輸入模塊電路圖。圖4-8矩陣鍵盤(pán)輸入模塊電路圖4.5顯示模塊顯示模塊主要負(fù)責(zé)顯示單片機(jī)通過(guò)內(nèi)置的計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的符合誤差范圍的滾珠數(shù)量以及不合格滾珠的數(shù)量，這里擬采用 LCD12864-0402B其具有體積小、功耗低、顯示內(nèi) 容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)。它是一種具有 4位或8位并行、2線或3線串行多種接口方 式，內(nèi)部含有

41、國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128X 64,內(nèi)置8192個(gè)16X 16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16X 8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8X 4行16X 16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是一顯著特點(diǎn)。13。其電路圖如下：FZAI!U5圖4-9顯示模塊電路圖9Z2D其基本特性如下：電源電壓：+3.0-+5.5V分辨率：128 X 64字庫(kù)：提供8192個(gè)16X 16點(diǎn)陣漢字字符：128個(gè)16X 8點(diǎn)陣字符時(shí)鐘頻率：2MHZ顯示方式：STN半透、正顯驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY 1/

42、5BIAS背光方式：側(cè)部高亮白色 LED功耗僅為普通LED的1/5-1/10通訊方式：串行、并口可選工作溫度：0 °C -+55 °C存儲(chǔ)溫度：-20 C -+60 C4.6分選模塊電路設(shè)計(jì)由分選裝置設(shè)計(jì)可知，需單片機(jī)控制分選管道上的三個(gè)分選閥門(mén)，隨得到如圖4-10所示電路圖。測(cè)量部分得到的信號(hào)由單片機(jī)處理后，給出相應(yīng)的高電平控制相應(yīng)的繼電 器，從而控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，完成滾珠的分選動(dòng)作XTAL2wrrPBENALE ElP1XFTZ pi .vrze<IP1JM3科號(hào)Pl JSPt.?1LEB-REDRL1iNTE-RtS-Z*圖4-10分選閥門(mén)控制電路圖4.7總體電路

43、設(shè)計(jì)CCD測(cè)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)二值化電路等放大、整流處理，輸入到單片機(jī)中，通過(guò)單片機(jī) 程序處理，計(jì)算出被測(cè)滾珠的直徑，與既定的合格直徑范圍作比較，并對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)根據(jù)比較結(jié)果給與相應(yīng)的I/O接口端以高電平，從而通過(guò)繼電器控制相 應(yīng)的分選管道閥門(mén)完成滾珠的自動(dòng)分選。系統(tǒng)電路圖詳見(jiàn)附錄一。4.8系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)根據(jù)上文中的系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的主程序流程圖詳見(jiàn)附錄二，主要包括系統(tǒng)初 化、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、LCD顯示、分選控制等功能。數(shù)據(jù)采集子程序流程圖見(jiàn)附錄三，將CCD俞出信號(hào)經(jīng)過(guò)二值化處理后接入單片機(jī) To 口，對(duì)To進(jìn)行判斷來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)To為0時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，否則等待

44、。當(dāng)To為1時(shí)， 停止計(jì)數(shù)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器，然后清理計(jì)數(shù)器，繼續(xù)下一次測(cè)量。數(shù)據(jù)處理子程序如圖4-11所示，開(kāi)始接入數(shù)據(jù)采集信號(hào)，單片機(jī)用測(cè)得的脈沖數(shù) 乘上像元中心距14旳 從而計(jì)算出滾珠的直徑，再判斷器直徑所屬范圍，然后進(jìn)行儲(chǔ)存 顯示和分選控制。圖4-11數(shù)據(jù)處理子程序5測(cè)量誤差分析及誤差消除方案該設(shè)備屬于精密測(cè)量?jī)x器，測(cè)量的精確性是測(cè)量結(jié)果的保證。設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了 滿足用戶使用功能要求，而誤差分析是對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)是否能夠達(dá)到使用功能，滿足使用需 求的前提條件。該設(shè)備中，CCD光電傳感器是測(cè)量的工具，V型定位塊是滾子測(cè)量的定位裝置，其 偏移、定位不準(zhǔn)確等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與真實(shí)結(jié)果的差異，因此，對(duì)

45、其進(jìn)行誤差分析 不僅有利于測(cè)量設(shè)備的安裝調(diào)試，也能驗(yàn)證設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。另外，測(cè)量環(huán)境對(duì) 測(cè)量結(jié)果的影響也需重點(diǎn)考慮，是誤差產(chǎn)生的另一個(gè)重要原因。本章將對(duì)上述可能情況 產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，對(duì)每種產(chǎn)生的誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果 產(chǎn)生重大影響的因素提出減小誤差產(chǎn)生的方案。5.1誤差分析的要素產(chǎn)生誤差的原因種類(lèi)有多方面，分類(lèi)方式也不同，不同的設(shè)備有不同的分析方式14 分類(lèi)的根據(jù)是取決于設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式以及使用環(huán)境，本文將結(jié)合具體實(shí)際情況將測(cè)量過(guò) 程中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分類(lèi)，如圖 5-1所示：圖5-1產(chǎn)生誤差的因素分析誤差產(chǎn)生的原因有三種類(lèi)型，分別是隨機(jī)誤差，系統(tǒng)測(cè)量誤差以及系統(tǒng)誤差

46、。 隨機(jī)誤差是指測(cè)量結(jié)果與同一待測(cè)量的大量重復(fù)測(cè)量的平均結(jié)果之差。其特點(diǎn)是： 誤差具有隨機(jī)性，符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律，大小和方向都不固定，也無(wú)法測(cè)量或校正。但測(cè)量結(jié) 果隨著測(cè)定次數(shù)的增加，正負(fù)誤差可以互相抵償，誤差的平均值將逐漸趨向于零。雖然 單側(cè)測(cè)量的隨機(jī)誤差沒(méi)有規(guī)律，但多次測(cè)量的總體卻服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的 統(tǒng)計(jì)處理能在理論上估計(jì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 該分析過(guò)程中隨機(jī)誤差是由多種原因引起 的，包括滾珠熱脹冷縮，滾珠表面粗糙度等因素引起的誤差。系統(tǒng)測(cè)量誤差是指在測(cè)量過(guò)程中由于外來(lái)因素引起的難以避免的誤差，但該誤差可以被量化，可以根據(jù)數(shù)學(xué)推理來(lái)判斷其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響大小，從而找到減小該誤差對(duì) 測(cè)量

47、結(jié)果影響的解決方案。本設(shè)備中產(chǎn)生系統(tǒng)測(cè)量誤差的有兩種，一種是由于測(cè)量過(guò)程 中雜質(zhì)產(chǎn)生的影響，另一種是由于 CCD光電傳感器在定位、安裝過(guò)程中發(fā)生偏斜、移動(dòng) 等產(chǎn)生的測(cè)量誤差。系統(tǒng)誤差是指大小和方向?yàn)榇_定數(shù)值或是具有確定性變化規(guī)律的誤差。其特點(diǎn)是具 有重復(fù)性、單向性。該誤差可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)，找出產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的 主要原因，采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档退挠绊?，但不能完全避免其?duì)測(cè)量結(jié)果的影響。5.2隨機(jī)誤差521滾珠熱脹冷縮引起的隨機(jī)誤差由于該設(shè)備所使用的是CCD光電傳感器，測(cè)量精度較高，如果測(cè)量環(huán)境不是恒溫環(huán) 境，被測(cè)滾珠會(huì)發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，從而對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。下面，以滾珠 的

48、熱膨脹為例分析其變形情況。被測(cè)對(duì)象為滾珠，材料為鋼，鋼的線膨脹系數(shù)為 11.7 X 10-6 °C，即被測(cè)對(duì)象溫度變 化1C產(chǎn)生的變形量為11.7 X 10-6，傳感器的溫度測(cè)量精度為0.01 C，可得傳感器由于 溫度變化產(chǎn)生的誤差為：E1=11.7 X 10-6 X 0.01=0.12 X 10-6與測(cè)量精度的允許總誤差的值進(jìn)行比較，表明其產(chǎn)生的誤差不會(huì)影響測(cè)量誤差，屬 于次要誤差。但在生產(chǎn)過(guò)程中，仍要求測(cè)量工作臺(tái)和待測(cè)滾珠同時(shí)在相同環(huán)境中存放一 段時(shí)間，保持其與周?chē)h(huán)境溫度基本一致，以減少溫度波動(dòng)帶來(lái)的隨機(jī)誤差。5.2.2被測(cè)滾珠尺寸產(chǎn)生的測(cè)量誤差滾珠測(cè)量前是經(jīng)過(guò)多步加工完成的，

49、加工后的滾珠不僅尺寸不相同，而且滾珠的外 形的不同，也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）如圖5-2所示，如果滾珠圓度不滿足加工要求，就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量后的值產(chǎn)生偏差，對(duì) 測(cè)量結(jié)果不利。若滿足測(cè)量要求，貝| di 一 d | < 2 m I d2 一 d | < 2(6-1 )式中，di、d2分別為圓度不同的滾珠的截面測(cè)量尺寸，d為滾珠理想尺寸。因此，為了避免由于滾珠圓度不同而產(chǎn)生對(duì)滾珠分組的影響，應(yīng)使?jié)L珠的圓度控制 在I pm之內(nèi)。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，采取的解決方法主要有：一方面，在加工過(guò)程中進(jìn)行控制，保證滾 珠加工精度；另一方面，在測(cè)量過(guò)程時(shí)，對(duì)滾珠測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行多次測(cè)量，取

50、測(cè)量結(jié)果 平均值，使測(cè)量結(jié)果接近真實(shí)值，避免由于測(cè)量方式不合理而對(duì)滾珠分選而產(chǎn)生影響。圖5-2圓度產(chǎn)生測(cè)量誤差示意圖523被測(cè)滾珠表面粗糙度引起的誤差被測(cè)對(duì)象表面的粗糙度對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果也有一定影響， 被測(cè)對(duì)象光澤主要由折射 率和表面粗糙度決定。當(dāng)表面過(guò)于光滑，粗糙度值過(guò)小，一方面，使漫反射成份減少， CCD圖像傳感器輸出減弱；另一方面，當(dāng)正反射成份的增大，CCD圖像傳感器可能接收到正反射光，正反射光是一種干擾信號(hào)。當(dāng)表面過(guò)于粗糙，粗糙度值過(guò)大，容易造成照 明光點(diǎn)的局部丟光現(xiàn)象，破壞了原光點(diǎn)的均勻性，從而使輸出值不穩(wěn)定。被測(cè)面粗糙度 較大時(shí)，光澤較暗淡，有利于激光傳感器的正常工作。測(cè)量時(shí)的滾珠

51、是經(jīng)過(guò)精加工后才進(jìn)行測(cè)量，因此滾珠的表面粗糙度值較低，表面較 光滑，會(huì)對(duì)滾子測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，這是工件自身?xiàng)l件決定的，無(wú)法改變。但可 以通過(guò)改變激光器的發(fā)射功率，使用偏振片削光來(lái)減少光強(qiáng)變化對(duì)測(cè)量的影響。5.3系統(tǒng)測(cè)量誤差5.3.1測(cè)量環(huán)境中雜質(zhì)引起的誤差CCD光電傳感器的工作位置在測(cè)量工作臺(tái)上，雖然測(cè)量區(qū)域的外部有外形罩進(jìn)行防 塵，但不能完全避免粉塵、雜質(zhì)的存在。在正常的工作環(huán)境下，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求允許存 在的雜質(zhì)大小不超過(guò)0.05mm該標(biāo)準(zhǔn)是一般工廠能夠保證的，同時(shí)也是測(cè)量設(shè)備維持測(cè) 量精度的基本尺度。在測(cè)量的過(guò)程中，如果由于測(cè)量環(huán)境的清潔度不夠高或者待測(cè)滾珠在測(cè)量前沒(méi)有完 全清洗干凈

52、，會(huì)在滾珠的表面附著一些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)體積微小，當(dāng)滾珠之間發(fā)生滾動(dòng) 摩擦的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生靜電，雜質(zhì)會(huì)依附在滾珠的表面，如果不進(jìn)行處理，在測(cè)量的過(guò)程中 會(huì)影響滾珠直徑偏離真實(shí)值。該問(wèn)題的解決在測(cè)量?jī)x器本身上可以得到解決，CCD光電傳感器內(nèi)裝有專(zhuān)用數(shù)字指令控制器的異常值除去過(guò)濾器，可以高精度的除去附著在工件上的水滴、灰塵、劃傷等異常數(shù)值。因此，此種雜質(zhì)將不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。5.3.2傳感器定位引起的誤差傳感器與工作臺(tái)面的安裝采用螺釘連接，工作臺(tái)面在設(shè)計(jì)中對(duì)平面度有技術(shù)要求，但不能完全保證安裝后的傳感器相對(duì)于工作臺(tái)面保持水平，進(jìn)而使激光束與工作臺(tái)面以及V型定位塊的軸線之間產(chǎn)生相對(duì)的傾角。圖5-3傳感

53、器偏轉(zhuǎn)引起誤差示意圖如圖5-3所示，假設(shè)傳感器的底面相對(duì)于工作臺(tái)的 X軸、丫軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，傳感器激 光發(fā)射端發(fā)射的激光同樣相對(duì)工作臺(tái)面形成傾斜。如果被測(cè)對(duì)象的截面為非圓形，則會(huì) 改變測(cè)量結(jié)果，但此處測(cè)量對(duì)象為滾珠，任意截面為圓形，而測(cè)量的原理是通過(guò)比較滾 珠遮擋像元的數(shù)值來(lái)計(jì)算而得。因此，傳感器的偏轉(zhuǎn)對(duì)測(cè)得的像元數(shù)值將不會(huì)帶來(lái)影響。5.4本章小結(jié)從本章上述對(duì)于誤差的分析過(guò)程中，可發(fā)現(xiàn)影響測(cè)量精度的因素有多種，分為隨機(jī) 誤差、系統(tǒng)測(cè)量誤差以及系統(tǒng)誤差三種。隨機(jī)誤差盡管有多種，但被測(cè)滾珠由于熱脹冷 縮和表面粗糙度而產(chǎn)生的隨機(jī)誤差之和都遠(yuǎn)小于滾珠的測(cè)量精度，將不會(huì)對(duì)滾珠的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響；然而，滾珠由于自身尺寸問(wèn)題，如滾珠圓度產(chǎn)生的誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影 響較為明顯，是產(chǎn)生誤差的主要因素。在滾珠加工的過(guò)程中，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓に噧?yōu)化以 避免圓度不合格的滾珠。同時(shí)，通過(guò)對(duì)誤差的分析證明本設(shè)計(jì)的測(cè)量手段對(duì)滾珠的測(cè)量 而言是一種合理、有效、可以信賴的測(cè)量方式。28成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文(設(shè)計(jì))6結(jié)論本設(shè)計(jì)在總