张付祥, 刘振宇

(河北科技大学 机械电子工程学院，石家庄 050018)

氮化硅陶瓷具有质量轻、硬度高、热膨胀系数小、热导率低、摩擦小、耐腐蚀、绝抗磁、高温强度高、高速离心力小和运转温升低等优良性能，具备了滚动轴承材料所要求的全部重要特性[1]，所以陶瓷轴承已成为开发与应用的热点。它不仅可以在一些应用领域代替金属轴承，寿命提高3～5倍，更重要的是可用于金属轴承难以使用的特殊场合。陶瓷轴承在制药、化工、纺织、航空航天、冶金、机械、石油、交通、电子、军事装备等领域有着广泛的应用前景和越来越明显的市场空间[2]。目前陶瓷球加工主要是沿袭了钢球的研磨加工方法，由于陶瓷材料固有的脆性及陶瓷球的生产过程决定了陶瓷球更容易产生偶然性表面缺陷，这些表面缺陷会造成陶瓷球过早的疲劳失效和力学性能降低[3]。由于氮化硅陶瓷材料的特性及表面缺陷细微，国内、外还没有能够检测出各类缺陷并对缺陷进行定量统计的技术。因此，对陶瓷球表面质量检测系统进行研究具有重要意义。这里介绍一种陶瓷球表面质量检测系统的球面展开机构。

1 陶瓷球表面展开原理分析

球体零件表面展开的方法归纳起来有3种：螺旋共轭轴展开方法(交叉球带展开法)、平行球带展开法和螺旋球带展开法。

传统的陶瓷球表面展开装置采用螺旋共轭轴展开方法，这种方法结构简单，检测时只需要陶瓷球按轨迹运动，检测器固定不动。检测中，陶瓷球与展开轮接触产生摩擦力，该摩擦力带动陶瓷球按展开轮的展开轨迹运动，陶瓷球在展开轮和导轮之间的运动假设为纯滚动。但在实际应用中这种展开方法存在两个严重缺点：一是研磨后的陶瓷球虽经清洗，但表面仍有油污，且会使摩擦轮与陶瓷球之间的运动为滚滑结合状态，其运动轨迹无法精确确定；二是载物台的滚道磨损后失去了原有的形状，使陶瓷球不能按设计轨迹展开[4]。同时，展开装置还要保证陶瓷球表面在检测装置的扫描范围内全部、连续展开，并保证被检测的陶瓷球表面与检测装置距离不变。因此为了克服传统方法的缺点，这里采取强制球转动方式，应用平行球带展开法和螺旋球带展开法，展开示意图如图1所示。

图1 球面展开示意图

对于平行球带展开法，检测时检测装置不动而球以ωφ的角速度转动，这样球转动一周后，扫描器扫描到球表面的平行于赤道的球带，球带的宽度为检测器的扫描宽度。检测完一周后，检测器绕球心旋转一个球带的对应角度，再进行下一个球带的检测，以此类推将陶瓷球表面全部展开。

设检测初始仰角为-θ，终结的仰角θ，则检测器检测的球带数N为

(1)

式中：Dw为被测球体直径；θ为俯仰角；αθ为检测器沿仰角方向的检测精度。

检测器每次转动的角度N1为

N1=2θ/N。

(2)

平行球带法中检测的过程是间歇式的，很容易实现运动控制，检测精度高。对螺旋球带展开法，检测过程中使用夹具带动陶瓷球以ωφ的角速度转动，检测器绕球心以ωθ的角速度转动，从而实现球面展开。

无论采用平行球带展开法还是螺旋球带展开法，速度控制都是检测系统能否完成检测任务的关键。对于平行球带展开法，主要的控制参数是ωφ，原则是在保证检测精度的前提下尽量提高ωφ。对于螺旋球带展开法，控制参数是ωφ和ωθ，原则是首先要合理确定两个参数的比值以保证能够实现球面展开，同时尽量提高ωφ和ωθ以满足检测速度的需要。

2 检测系统展开机构设计

2.1 检测系统原理

基于图像处理的表面质量检测具有精度高、速度快、智能化等优点，是近年来发展迅速的无损检测技术。由于陶瓷球表面缺陷很小，所以首先应该对被检测球体表面进行光学放大，然后采集放大后的图像信号，并将模拟信号转化成数字信号被计算机接收并进行处理与分析，最终将被检测的球进行分级，同时将分类信息传递给控制台，控制台控制陶瓷球表面展开并将分级后的球分类存放。

整个检测系统由展开装置、显微镜、图像传感器(CCD摄像机)、图像采集卡和计算机等组成，如图2所示。

图2 检测系统结构图

陶瓷球表面质量检测系统工作原理如图3所示。

图3 检测系统原理图

2.2 展开机构设计

展开机构如图4所示，包括夹具及其转动机构、载物台升降机构、载物台转动机构及显微镜转动机构。在该机构中由电磁铁和4个步进电动机(M1，M2,M3,M4)实现对陶瓷球的夹紧，绕水平与垂直轴的转动以及显微镜在圆周方向对陶瓷球的扫描。本机构只要改变对M4的控制就可以使陶瓷球实现平行球带展开与螺旋球带展开。

图4 展开机构原理图

2.3 展开运动的实现

本装置只需对检测装置采用不同的控制方式就可以实现平行球带展开和螺旋球带展开。检测时，陶瓷球表面展开装置在控制系统的作用下按照预定的转速配合显微镜转动，通过两次扫描完成对整个陶瓷球表面的检测。其中控制显微镜间歇摆动可以实现平行球带展开方式的陶瓷球表面质量检测(工作流程如图5所示)，这种展开方式在检测过程中，显微镜的摆动是间歇性的，容易实现运动控制，检测精度高；展开运动的同时控制显微镜连续摆动，可实现螺旋球带展开方式的陶瓷球表面质量检测(工作流程如图6所示)，螺旋球带展开方式与平行球带展开相比，检测速度较快，检测精度稍低。

图5 平行球带展开法流程图

图6 螺旋球带展开法流程图

2.4 展开机构对测量精度的影响

采用螺旋球带展开法对陶瓷球表面质量进行检测时，要求球的旋转和显微镜的摆动联合动作，这对电动机的控制要求很高，如果控制不好，就会对球的表面产生漏检或重叠率过大，影响检测的精度和速度。针对展开机构对测量精度的影响可以通过选择步距角较小的步进电动机，并采用细分电路进行控制，以提高步进电动机转速的平稳性和控制精度。

3 结束语

氮化硅陶瓷球具有不导电、不导磁且表面缺陷形状差异明显的特点，需要根据缺陷类型进行检测。这里建立的基于图像处理的陶瓷球表面质量检测系统可以根据被检测陶瓷球的具体检测要求选择合适的展开方法。当对检测质量要求较高而检测速度要求不高时可以选用平行球带展开法；当对检测速度要求较高而检测精度要求不高时可以选择螺旋球带展开法。文中设计的陶瓷球表面质量检测系统能够很好地完成各种陶瓷球表面质量检测任务。