毕业设计论文-球体尺寸自动分选机设计论文.doc

济南大学毕业设计
1 前 言
1.1设计的目的和意义
生产中经常需要进行球体尺寸的分选，例如轴承钢球，其直径尺寸的一致性直接影响轴承的动态特性，选择不当容易导致轴承失效，从而影响整个系统的传动性能。因此在轴承安装之前必须对滚珠的直径尺寸进行测量和分选。由此可见，对球体尺寸进行精确分选是很有必要的。而以往大多数分选方法成本高、分选效率低，所以设计球体尺寸自动分选机具有非常积极的现实意义。
1.2国内外现状
球体分选的传统方法是采用千分尺或目测[1]等方法进行人工分选，这类分选方法的弊端是劳动强度大、分选效率低、精度低等等。随着科学技术的发展，出现了利用筛分原理制造的球体分选机，还出现了利用光电传感器检测物料的尺寸、外形等因素的光电式尺寸分选机。在国外，日本三丰的图像尺寸测量仪在放置工件后仅需按一下就可进行球体尺寸测量，其操作简单、测量精确；美国OGP复合式（接触式和非接触式）三坐标测量机采用OGP全视野影像处理与先进的Z轴自动聚焦技术保证了测量的高精度，附加的接触式探针和激光头可提高多元传感器的效率；德国GOM公司的ATOS三维扫描仪为工业测量提供了一种非接触式的三维光学测量和质量评估的解决方案，可以对不同尺寸的球体进行三维测量，更提供了完整的误差分析和评估功能；德国耶拿钢球直径测量仪采用海德汉高精度光栅传感器及独特的测量辅助装置确保了仪器的高精度及良好的稳定性，适用于钢球、陶瓷球等生产和使用单位的品质检测。
虽然国外的设备测量精度高，但是价格比较昂贵，并且需要大量的维修费。另外，一些厂家只能生产特定直径的球体分选机，对于分选不同直径的球体必须采用不同规格的分选机，这就导致制造成本高、使用不方便。
1.3 设计的内容
在生产中经常会有一些球体零件的直径超出公差范围，需要挑出。本设计的主要内容是设计一台球体尺寸自动分选机，实现对球体按尺寸要求自动分拣，即将直径在公差范围内的球体留下，将直径在公差范围外的小球挑出来。
2 总体方案设计
2.1功能与性能要求分析
本设计要求将直径范围为3.0mm～10mm的球体按公差范围分选出来：直径小于最小极限尺寸的球体被分选到容器1中；直径在公差范围内的球体被分选到容器2中；直径大于最大极限尺寸的球体被分选到容器3中。
此外，还要求下料、分选过程能够实现自动控制，调节过程应能自动完成，每小时分选不少于20000粒，控制下料过程中球体的个数，不能出现球体被卡或缺料等情况。
2.2设计方案比较、分析与确定
（1）人工目测法
人工目测法是使用高倍显微镜将待检测的球体放大100倍，然后与标准的球体照片进行比较，从而将不合格的产品分选出来[1]。该方法的优点是成本低、不需要专门的检测装置，但是目测法容易造成视觉疲劳、劳动量大、效率低，不能满足大批量、高精度、高可靠性的生产要求。
（2）图像处理法
图像处理法是用高分辨率摄像头采集球体表面的图像信息，然后将采集到的图像数据进行识别，判断球体尺寸的大小，并将识别结果通知分选系统，分选系统根据识别结果对球体进行分选[2]。这种方法需要不断的拍摄球体不同表面的照片，检测速度慢，并且很难拍摄到球体所有表面[3]。
（3）传感器检测法
传感器检测法是指利用尺寸传感器对球体进行接触式或非接触处式测量，这种方法原理简单、稳定性好，但是很难做到球体各个表面的测量，检测效率低，检测精度也较低[4]。
（4）筛分法
市场上出现的球体分选机大部分采用的是筛分原理。筛分法是将两个筛筒串列组合，筛筒间的距离由小逐渐变大，利用两个筛筒间的距离将不同直径大小的球体分选出来。这种方法结构简单、制造成本低，容易实现自动分选，通过改进以提高分选效率，可以广泛使用[5]。
通过以上比较分析，本设计拟采用筛分法。通过对以前的机构加以改进，可以进一步提高分选效率和分选精度。
3 机械部分的设计
3.1机械部分的组成和作用
本设计的机械部分主要由进料机构、分选机构、机架、收集装置等组成[6]。进料机构控制球源源不断地下落，同时控制下落的球体的数量；分选机构是分选机的主要工作部分，完成对不同直径大小的球体的按公差范围自动分选；机架起支撑作用；收集装置用来盛放分选后的球体。其流程图如图3.1所示：

进料机构
自动进料
自动分选
自动出料
收集装置

图3.1 机械部分流程图
3.2 分选机构的设计
分选机构主要用来对球体按直径进行测量、分选，该分选机构主要由一对滚筒、电动机、带轮、皮带、支架、调整机构等组成，如图3.2所示。
3.2.1设计理由
（1）本设计要求将球体的表面都要检测一遍，只要表面任一处的直径大小不在公差范围内都要被分选出来，因此需要设计的机构能够检测各个表面。
（2）本设计要求将直径范围为3.0mm～10mm的球体按公差范围分选出来，因此需要设计的机构距离可调，可以实现不同直径大小的球都可以按公差范围分选。
3.2.2设计结果
将一对滚筒倾斜放置，滚筒间的距离由小变大（滚筒间距离通过螺母可调），如图3.2所示。两个滚筒分别与带轮相连，再通过皮带与电机轴上的带轮套在一起，通过电机带动两个滚筒转动。由于与滚筒相连的两个带轮的直径不同，所以两个滚筒的转速也不同。当两个滚筒不转时，由于受重力的作用，下落到滚筒上的球体有向下滚动的趋势；当两个滚筒旋转时，带动球体在同一竖直面内旋转；由于两个滚筒有转速差，所以球体也在水平面内旋转。综上所述，当滚筒转动时，球体在三个面内同时受到转矩的作用而旋转，所以球体作复合的旋转运动，这样只要滚筒足够长就容易将小球表面各处都检测到。当表面任一处的尺寸小于滚筒间隙时，小球就掉到相应的盛料容器中。这种机构设计简单成本低，且能够迅速地测量各个表面，其效率高、精确度也高。

图3.2 分选机构示意图

3.3 进料机构的设计
进料机构主要用来盛放小球以及控制下料，该进料机构主要由料仓、配料盘、底板等组成。
3.3.1设计理由
若料仓中的小球不经过特别的设备直接下落，则容易导致很多球同时落到两个滚筒之间，产生堆积，从而使一些球未经过测量直接掉落下来，造成误检。
3.3.2设计结果
（1）机械结构：本设计在料仓内底部安装了一个圆柱形的配料盘[7]，该配料盘由上下两个圆盘合在一起组成，其结构如图3.3所示。上圆盘在底部开了个轨迹呈圆弧状（剖面为半圆状）的沟槽，下圆盘在顶部也开了个同样圆弧状的沟槽，使得上下两个圆盘合在一起正好形成一个弯曲的球体滚道（通道只容许一个球体通过）。同时下圆盘在沟槽尾部垂直向下开了个圆柱通孔，当球滚到滚道的尾部时可以从通孔下落。在料仓外底部连接一个底板，在料仓底部和底板上开一个与圆盘同样直径大小的通孔，使该通孔正好与下圆盘的通孔对齐。
（2）工作原理：电动机通过传动装置带动配料盘转动，当配料盘底部的通孔与底板正好吻合时，小球从滚道里经过底板落到两个滚筒之间进行测量、分选；当转动过程中上下通孔不吻合时，小球不能下落，因此也不能够进行分选。配料盘旋转一圈，通孔只能有一次吻合，只有一个小球下落。通过控制电动机的转速可以控制配料盘的转速，从而控制小球下落的频率，可以有效地防止多个球同时被检测，降低了误检率，提高了检测精度。

图3.3 配料盘三视图

3.4电动机的选型
本设计两处用到电动机：一是在进料机构中，需要电动机带动配料盘转动，配料盘的转动用于控制球源源不断地下落以及下落过程中球的个数；二是在分选机构中，需要电动机带动链轮转动以便带动两个滚筒转动，进而分选球。
3.4.1选型理由
（1）在本次设计中，要求滚筒转速恒定，且能够长期稳定地工作。
（2）计算电动机的功率[8]：
滚筒滚动摩擦的静阻转矩:

配料盘滚动摩擦的静阻转矩 :

用来分选的电动机的功率 :

用来进料的电动机的功率 :

3.4.2 选型结果
（1）由于同步电动机当电源频率一定时具有恒定转速的特性，它的运转速度不随负载转矩而变化，其机械特性如图3.4所示[9]，因此本设计中的两台电动机均选同步电动机，采用异步启动法启动。
（2）从工作原理分，同步电动机可分为磁阻式同步电动机、磁滞式同步电动机、永磁式同步电动机、电磁减速式同步电动机等几类。根据所计算的电动机的功率，两台电动机均可选用三相TDY永磁低速同步电动机。这类电动机无需机械减速装置，依靠电机本身电磁减速直接能够得到恒定的低转速，从而简化了传动机构，消除了齿轮噪声，并且运行效率高、稳定性好。根据《小功率电动机选型手册》，所选电机型号为55TDY-1，其各项参数如下：电压220V，转速60r/min，输入电流0.075A，输入功率16w，转矩0.372N·m，堵转转矩0.255 N·m[10]。

图3.4 同步电动机的机械特性

3.5 机械部分总成
在分析了球体尺寸自动分选机的功能与性能要求并进行了重要机构设计的基础上，设计了分选机的总体机构，如图3.5所示。分选机主要由料仓、配料盘、底板、滚筒、轴承、轴承座、电动机、螺母、支架等组成[11]。
在图3.5中，料仓内底部安装有配料盘，配料盘由电动机通过传动装置带动旋转（此电动机及传动装置未在图中标出），分选速度可以通过调节电动机转速来设定。工作时，小球从料仓进入配料盘，当配料盘内部的通孔与底板通孔吻合时，球通过底板落到两个滚筒之间旋转下落，进而完成分选过程。图中螺母7用来调节滚筒的倾斜角度，从而可以控制小球在两个滚筒间下落的速度。螺母8通过丝杠带动导轨11移动，用来调节两个滚筒间的距离，从而可以将不同直径的球体按公差范围进行分选，而不需要更换分选机。电动机9通过皮带与带轮带动滚筒以恒定速度旋转（皮带、带轮未在图中标出，可参考图3.2），从而实现球体分选的自动化。

1-料仓 2-配料盘 3-底板 4-滚筒 5-轴承座 6-轴承 7-调微螺母（调倾斜角度）
8-调微螺母（调距离） 9-电动机 10-支架 11导轨
图3.5 球体尺寸自动分选机

4 控制系统硬件设计
4.1控制系统功能和要求分析
为防止小球未经充分测量而落入容器中，本设计的控制系统部分要求实现两台电动机的能够按顺序启动、停止。假设分选机构中的电动机为M1,进料机构中的电动机为M2.要求起动时，用按钮控制电机M1先起动，经延时后电机M2起动；停止时，要求M2先停止，经延时后M1再停止运转。
4.2控制系统的组成
本设计的电气控制系统由电动机、自动空气开关、熔断器、交流接触器、按钮、中间继电器、时间继电器等组成[12]。
4.3各组成部分的作用
4.3.1 交流接触器
交流接触器被广泛用于频繁接通或断开主回路或控制回路，主要由电磁系统、触电系统、灭弧系统及其他部分组成，其文字符号为KM[12]。
工作原理：当交流接触器的电磁线圈不通电时，弹簧的反作用力和衔铁芯的自重使主触点保持断开；当线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁芯产生电磁力，电磁力克服弹簧的反作用力将衔铁吸向静铁芯，带动主触点闭合从而接通电路，辅助触点也随之动作。
在本设计中，用交流接触器来控制电动机的启动和停止，根据《机械设计手册（新编软件版）2008》，可选接触器型号为CJ12-100，其额定电流为100A,辅助触头额定电流为10A[13]。
4.3.2 中间继电器
中间继电器主要用于在控制电路传递中间信号，起到中间放大 ( 触点数目和电流容量 ) 的作用，其文字符号为KA。
工作原理：中间继电器的原理与接触器基本相同，但接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流，因此只能用于控制电路中。
本设计采用中间继电器来增加触点数目，根据《现代控制继电器实用技术手册》可选中间继电器型号为JZ7-44，额定电压为220V[14]。
4.3.3 时间继电器
时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的继电器，其文字符号为KT。
按延时方式可分为通电延时型时间继电器和断电延时型时间继电器。通电延时型时间继电器工作原理为：当线圈得电时，其延时动合触点要延时一段时间才闭合，延时动断触点要延时一段时间才断开；当线圈失电时，其延时动合触点迅速断开，延时动断触点迅速闭合。断电延时型时间继电器工作原理为：当线圈得电时，其延时动合触点迅速闭合，延时动断触点迅速断开；当线圈失电时，其延时动合触点要延时一段时间再断开，延时动断触点要延时一段时间再闭合。
按工作原理分，时间继电器可分为空气阻尼式、电磁式、电动机式、半导体式、电子式、晶振计数拨码式等[12]。由于空气阻尼式时间继电器具有结构简单、调节简便、延时范围大、寿命长、价格低等优点，所以本设计采用空气阻尼式时间继电器作延时使用。根据《机械设计手册（新编软件版）2008》，可选启动用时间继电器型号为JS7-2A，50Hz频率下的线圈电压为220V或380V，延时范围为0.4～60s；停止用时间继电器型号为JJSK2-40，50Hz频率下的线圈电压为220V或380V，延时范围为0.4～180s[13]。
4.3.4 按钮
按钮是一种常用的电气控制元件，能够短时接通或分断小电流电路[12]，控制机械与电气设备的运行。它不直接控制主电路的通断，而是在低压控制系统中，用于手动发出控制信号，可远距离操纵各种电磁开关（如继电器、接触器等），转换各种信号电路和电器联锁电路，以实现对各种运动的控制。按钮由按键、动作触头、复位弹簧、按钮盒组成，其文字符号为SB。
本设计中采用两个按钮：其中一个用来控制两台电动机的启动，另一个用来控制两台电动机的停止。根据《机械设计手册（新编软件版）2008》，两个按钮型号均可选为LA20-3K[13]。
4.3.5 自动空气开关
自动空气开关又称自动空气断路器，它能接通和分断电路，当电路或电气设备发生的短路、严重过载或欠电压时也可以保护电路，同时也可以用于不频繁地启动电动机。自动空气开关由触头系统、操作机构、保护装置（各种脱扣器）、灭弧系统等组成，其文字符号为QS 。
自动空气开关具有操作安全、价格低、使用方便、工作可靠、安装简单、动作后不需要更换元件等优点。本设计采用自动空气开关来控制主回路，根据《机械设计手册（新编软件版）2008》，可选自动空气开关型号为DZX10-100，其额定电流为100A,脱扣器额定电流为10A[13]。
4.3.6 熔断器
由于熔断器是一种结构简单、使用方便、价格低廉、控制有效的保护器，本设计采用熔断器来保护电路。它主要由熔体或熔丝（俗称保险丝）和安装熔体的熔管两部分组成，其文字符号为FU 。
熔断器的工作原理如下：熔断器的熔体与被保护电路串联，当电路的电流正常时，熔体温度低而不熔断；当电路发生短路或瞬时严重过载时，熔体上流过很大的电流，熔体的温度迅速上升,当超过其熔点时就熔断并切断电路，从而保护了电路和设备。
熔断器可分为瓷插式熔断器、螺旋式熔断器、无填料封闭管式熔断器、有填料封闭管式熔断器、快速熔断器等几类。由于螺旋式熔断器分断能力高、限流特性好，有明显的熔断指示，不用工具就能安全地更换熔体，因此可选螺旋式熔断器。根据《机械设计手册（新编软件版）2008》，本设计采用RL1系列的螺旋式熔断器，熔断器额定电流为15A，熔体额定电流为10A[13]。
4.4总体硬件电路
本设计的总体硬件回路(即电动机顺序起停控制电路)由主回路和控制回路两部分组成，如图4.1所示。
主回路为两台电动机的驱动电路，自动空气开关QS将三相电源引入，交流接触器KM1控制电动机M1的接通和断开，交流接触器KM2控制电动机M2的接通和断开。为保证主回路的正常运行，主回路采用熔断器作为短路保护环节。控制回路由按钮、继电器等组成，控制主回路的运行。
其具体工作原理如下：
启动时，先合上自动空气开关QS，再按下按钮SB1时，交流接触器线圈KM1通电吸合，并将主电路中的KM1主触头吸合，电动机M1因接通电源而开始运转。同时辅助常开KM1吸合，当松开SB1时，因辅助常开KM1吸合，线圈KM1继续保持通电，维持交流接触器吸合状态（即自锁），电动机M1继续运转。当按下按钮SB1时，时间继电器线圈KT2通电，延时一段时间后时间继电器的动合触点KT2吸合（支路中辅助常开KM1已吸合），从而使得交流继电器线圈KM2通电吸合，并将主电路中的KM2主触头吸合，电动机M2开始运转。
停止时，按下按钮SB2，中间继电器线圈KA通电吸合，并将动断触点KA断开，交流接触器线圈KT2失电，使主回路中的KM2主触头断开，电动机M2停止运转。同时时间继电器线圈KT1通电，延时一段时间后，动断触点KT1断开，线圈KM1失电，使得主回路中的KM1主触头断开，电动机M1停止运转。

电动机M1 电动机M2
a.主回路 b.控制回路
图4.1 电动机顺序起停控制电路

5 结 论
（1）由于球体尺寸自动分选机在工作原理、结构特点、分选物料的方法以及其他一系列特性上有所不同，因此种类很多。本设计在分析球体尺寸自动分选机国内外现状的基础上，提出了利用筛分的原理对球体进行自动分选。本设计原理简单、结构简单、分选效率高、制造成本低，降低了工人的劳动强度，实现了球体分选的机械化和自动化，具有重要的使用价值。
（2）在生产中，如果需要检测球类零件是否合格，可先通过该球体尺寸自动分选机将尺寸（直径）不合格的产品分出来，然后将合格的球体通过球体表面质量检测系统进行检测，从而将表面质量不合格的产品（球体表面有裂纹、划痕、凹陷等缺陷）挑出来，最终得到合格品。

参 考 文 献
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