钢球全表面螺旋线展开机构运动特性分析

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钢球是机械设备中关键的基础零件，广泛应用于轴承、精密仪器、阀门、研磨等产品中.其中，作为轴承的滚动体 ，钢球起到承担载荷和传递运动的作用 J.由于钢球在轴承中属于点状承载，所以，其表面-旦出现裂纹、划痕及锈蚀等都会对轴承的质量和性能产生极大影响.虽然随着加工工艺水平的不断提高，缺陷的种类和数量相对减少，但仍然不能通过加工来保证全部钢球的质量 .所以，钢球表面缺陷检测仍然是钢球生产中的-项重要工序.目前，收稿日期：2012-12-25基金项目：国家自然科学基金(51275140)作者简介：赵彦玲(1963-)，女，教授，硕士生导师，E-mail：zhaoyanling###sina.corn车春雨(1988-)，女，硕士研究生；铉佳平(1986-)，男，硕士研究生。

38 哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 第 18卷国内钢球生产企业大多采用人工 目检 -4 J，只有高精度钢球，如航空用钢球，才会采用 自动检测.人工目检对检测人员的视力有很大损伤 J，而且检测效率、精确度及稳定性都很难保证，极易造成漏检，影响企业经济效益.国内已有学者对钢球表面缺陷检测问题提出了解决方案，并在理论与实践上进行了尝试 ，但在实践中存在如球面展开不充分、检测效率低等问题 j，急需实现球面缺陷的高效、可靠的自动检测.为此，本文以钢球全表面展开机构为研究对象，通过对球体运动展开原理的分析，设计了球面全表面螺旋线展开机构，同时建立了机构展开运动的数学模型；针对展开轮与钢球的接触传动特性，分析机构的受力，并且利用仿真软件，模拟机构运动过程真实轨迹.实现钢球全表面高效、可靠的展开。

1 球体运动展开原理球体类零件广泛应用于工业生产中 J，但球体属于不可展曲面，无法用几何方式实现球体的全面展开，即需要在球体的转动过程中获得球体全表面的缺陷信息，实现对球体表面缺陷的全面检测。

如图 1(a)所示，坐标原点位于球心，假设球面缺陷检测装置位于 轴正向，检测宽度为 球体以绕 Y轴旋转-圈，则检测区域仅是检测装置正下方的宽度为 d大圆面，不能检测到整个球体表面.如图1(b)所示，如果球体同时具有绕z轴旋转的固定角速度 ∞ ，则球体以合角速度 ∞转动，被检测球面是圆心位于 (cJ方向上，同时过球面与 轴交点的小圆面，也不能实现球体的全表面展开.因此，要实现球面全表面运动展开，应具备以下条件：①球体分别J。

j- (a) (b)(c)图1 球体运动展开原理图具有绕 y、z轴旋转的两个自由度；②球体绕两轴旋转的合角速度方向随时间变化，即球体时刻做变轴运动.此时，初始检测点运动的轨迹是遍布整个球面的螺旋线(如图 1(c))，即检测装置检测到的球面区域是包围整个球面的螺旋带面，即可实现球体全表面展开。

2 钢球全表面螺旋线展开机构设计现有钢球展开机构 的结构形式大体分为盘式展 开机 构、轮 式展 开机 构 及导 轨 式展 开 机构9 J.其中，轮式展开机构结构更为紧凑，而且可以通过更换不同尺寸的展开轮，实现对多个型号钢球的检测 .因此本设计 中采用机构的类型为轮式展开。

依据展开原理设计的螺旋线展开机构的结构如图2所示，机构主要包括驱动轮、展开轮、支撑轮及被检测钢球.其中，驱动轮是机构中唯-的运动输人构件，通过各构件间点接触摩擦力的作用，带动钢球及展开轮转动.钢球在驱动轮作用下，产生绕Y轴的定角速度 ；在展开轮的作用下，产生绕 轴转动的，随时间变化的角速度 ：，二者合成的角速度使得钢球做螺旋线转动。

图 2 展开机构示意图如图3所示，展开轮的工作表面是两个锥角相等的非对称圆锥面.0是圆锥轴线与展开轮回转轴线的微行角，由于 0的存在，使得在转动过程中，圆锥与钢球接触点所在母线与水平轴线 Y轴夹角在- 0～ 0范围内规律变化.此时钢球在左右接触点接触摩擦力的搓动下发生侧偏，产生绕 z轴转动的 ：，并且 09 随转动过程中力矩的变化而变化.同时，驱动轮又以固定的角速度转动，提供钢球绕 Y轴转动的固定角速度 ∞ .此时，钢球的运动状态满足球体螺旋线运动展开的条件，即可实现球面的全表面展开。

哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 第 18卷4 结 论本文针对钢球表面缺陷检测中全表面展开问题，采用理论分析与计算机模拟仿真试验相结合的方式，研究了球面全表面展开机构的运动的特性，得出以下结论：1)球面全表面展开应具备的条件为球体以绕两个轴旋转的自由度做变轴线运动；2)钢球在展开机构的作用下，获得绕-个轴的高速转动自由度，同时具有绕另-个轴的侧向偏转自由度，此时，可以使得钢球 以螺旋线方式全表面展开 ；3)ADAMS运动轨迹仿真的结果表明本展开机构能够保证钢球的全表面展开.本研究为实现钢球全表面缺陷自动检测打下了理论基础。