西南交通大學機械工程學院 四川成都 611756

摘要：利用CCD圖像處理技術(shù)，來采集圖像信息，將采集到的信息進行灰度處理，從而辨別電機上的云母和銅片，控制牛頭刨實現(xiàn)自動切削，切削深度以及切削誤差由霍爾傳感器進行檢測

關(guān)鍵詞：牽引電機；自動下刻；CCD圖像處理

引言

牽引電動機的工作原理與一般直流電動機相同，但有特殊的工作條件：空間尺寸受到軌距和動輪直徑的限制；在機車運行通過軌縫和道岔時要承受相當大的沖擊振動；大、小齒輪嚙合不良時電樞上會產(chǎn)生強烈的扭轉(zhuǎn)振動；在惡劣環(huán)境中運用，雨、雪、灰沙容易侵入等。電刷與電機上的銅片長時間接觸后會造成銅片的磨損，使電機在使用過程中產(chǎn)生嚴重的電火花。所以牽引電機需要經(jīng)常性的維修，其維修的一項重要內(nèi)容就是對換向器云母槽進行刻削。由于牽引電機云母槽數(shù)量多、硬度高、寬度不均，不能采用均勻分度方式找槽加工。因此，云母槽刻削經(jīng)歷從人工找槽人工鋸削，但由于人工找槽效率低，精度低，且浪費材料，降低了電機的使用壽命，故設(shè)計自動下刻機解決上述問題。

1自動下刻機所應(yīng)用器件的基本原理

（1）牛頭刨

滑枕帶著刨刀，作直線住復運動的刨床，因滑枕前端的刀架形似牛頭而得名。牛頭刨床主要用于單件小批生產(chǎn)中刨削中小型工件上的平面、成形面和溝槽。中小型牛頭刨床的主運動（見機床）大多采用曲柄搖桿機構(gòu)（見曲柄滑塊機構(gòu)）傳動，故滑枕的移動速度是不均勻的。大型牛頭刨床多采用液壓傳動，滑枕基本上是勻速運動?；淼姆祷匦谐趟俣却笥诠ぷ餍谐趟俣?。由于采用單刃刨刀加工，且在滑枕回程時不切削，牛頭刨床的生產(chǎn)率較低。

（2）霍爾傳感器

原理簡述如下：激勵電流 I 從 a、b 端流入，磁場 B 由正上方作用于薄片，這時電子 e 的運動方向與電流方向相反，將受到洛侖茲力 FL 的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，該側(cè)形成電子的堆積，從而在薄片的 c、d 方向產(chǎn)生電場 E。電子積累得越多，F(xiàn)E 也越大，在半導體薄片 c、d 方向的端面之間建立的電動勢 EH 就是霍爾電勢。

（3）光電傳感器

光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。

光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。

發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管（LED）、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義

（4）CCD圖像傳感器

一個完整的CCD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成.CCD工作時，在設(shè)定的積分時間內(nèi)由光敏單元對光信號進行取樣，將光的強弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少.取樣結(jié)束后各光敏元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中.移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端.將輸出信號接到示波器、圖象顯示器或其它信號存儲、處理設(shè)備中，就可對信號再現(xiàn)或進行存儲處理.由于CCD光敏元可做得很?。s10um），所以它的圖象分辨率很高.

2.自動下刻機設(shè)計思路以及解決方法

（1）牛頭刨如何找槽

由于牽引電機云母槽數(shù)量多、硬度高、寬度不均，不能采用均勻分度方式找槽加工，所以必須找到一種裝置自動識別云母片與銅片的位置。由于云母片與銅片的顏色不同，反射光的波長也不同，故可利用光電傳感器接受反射光，通過分析光強的差別從而區(qū)分云母片與銅片。將采集的信號傳入到工控機中從而控制牛頭刨進行切削。

（2）如何控制下刻深度

可以用步進電機帶動牛頭刨進行下刻，每一個槽僅使用一次下刻會使牛頭刨的刨刀承受的切削力過大，造成臺床的震動，以及會影響刨刀的使用壽命。所以采用每一槽下刻三次，從而減小切削力。在刨床上安裝一個霍爾傳感器，檢測牛頭刨什么時候回刀，檢測到后進行下次下刻，直到滿足要求。再次將刻刀提起，進行下一次找槽。

（3）如何解決下刻深度不同的問題

由于步進電機存在丟步越步的問題，帶動牛頭刨下刻的過程中難以保證下刻精度，所以需要安裝一個光電傳感器，牛頭刨第一次下刻后，由光電傳感器檢測下刻深度，第一次的下刻誤差由第二次下刻進行補償，再進行第三次的下刻誤差就很小了，下課精度高達0.04mm。

（4）如何解決油污影響光電傳感器精度問題

由于電機經(jīng)常被油污污染，使光電傳感器無法準確區(qū)別云母片與銅片，造成切削的誤差。故可采用CCD圖像處理傳感器拍攝電機表面的圖像，經(jīng)過灰度處理，使銅片與云母片的區(qū)別更大，從而辨別出云母片與銅片，減小切削誤差。但如果拍攝的面積很大，圖像處理的時間將很長。由于云母片與銅片是成條排列的，故可只拍攝一小部分，區(qū)別出一小部分的云母和銅片就可以區(qū)別出要切削部分的云母與銅片。這樣可以減小像素處理時間，提高速度。

3缺點及改進

（1）由于光電傳感器對光線有要求，而自然光的強度隨著時間而變化，有時當光線改變時，自動下刻機甚至不工作，所以需要在機器上安裝一個臺燈，保證光線的充足。（2）自動下刻機下刻云母時，由于下刻速度很快，造成云母粉末到處飛揚，而云母對人的身體有害，所以要在機器上安裝一個吸塵器，保證工人師傅的身體健康。

4總結(jié)

該自動下刻機測控系統(tǒng)引入CCD圖像，可實現(xiàn)對云母片與銅片的精確辨別，利用步進電機帶動牛頭刨進行下刻。同時利用霍爾傳感器檢測回刀位置，利用光電傳感器檢測下刻深度，產(chǎn)生的誤差有第二次進行補償，從而實現(xiàn)精確自動下刻，解決了人工下刻機效率低，難度大，精度不高等問題，使生產(chǎn)效率極度提高。

參考文獻：

[1]陳春俊，伍川輝，寧靜；電機云母槽自動下刻機測控系統(tǒng)設(shè)計；計算機測量與控制；2004/08

[2]劉樂平，鐘名東；電機云母槽自動下刻機雙探針接觸式檢測系統(tǒng)設(shè)計；機床與液壓；2010/14

[3]喻凌宇，朱衡君，景文軍；基于面陣CCD的云母自動下刻機檢測定位系統(tǒng)；儀器儀表學報；2000/06