張 楊，孫國(guó)棟，梁永強(qiáng)，李 萍，胡 倩

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068；2.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，廈門 361023）

0 引言

次品自動(dòng)剔除裝置作為電子插接件視覺檢測(cè)的重要組成部分，受電子插接件尺寸型號(hào)、檢測(cè)效率、測(cè)量精度以及成本高等條件限制，目前市場(chǎng)上的自動(dòng)剔除裝置單一，還不能完全適應(yīng)不同特性的產(chǎn)品，在執(zhí)行剔除動(dòng)作時(shí)，很容易造成過早、過晚甚至不執(zhí)行的現(xiàn)象，這些均導(dǎo)致在生產(chǎn)插接件時(shí)，將合格品剔除或?qū)⒋纹氛`放到合格品中，長(zhǎng)此下去會(huì)嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)電子插接件體積較小、重量輕等特點(diǎn)，為提高剔除工作的準(zhǔn)確性、安全性并考慮生產(chǎn)成本，結(jié)合機(jī)器視覺檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)該剔除裝置，以提高電子插接件的檢測(cè)效率和測(cè)量精度，保證插接件產(chǎn)品質(zhì)量。

1 電子插接件視覺檢測(cè)原理

傳統(tǒng)意義上的檢測(cè)方式即步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶的基礎(chǔ)傳輸平臺(tái)[1]適用于質(zhì)量均勻、體積較大的產(chǎn)品檢測(cè)。然而，大多數(shù)型號(hào)插接件的Pin腳數(shù)目在8～64之間，直徑均小于1mm，若采用傳統(tǒng)方法，則無法實(shí)現(xiàn)高精度和高速率的質(zhì)量檢測(cè)。為了提高測(cè)量精度和檢測(cè)速率，在插接件的質(zhì)檢環(huán)節(jié)必須采用分段檢測(cè)法，對(duì)于Pin腳數(shù)目小于30的插接件可分三段檢測(cè)，若數(shù)目大于30，可分四段甚至更多。因此，作圖像采集用的工作臺(tái)應(yīng)該具有三段以上的間歇運(yùn)動(dòng)功能[2]。

圖1 插接件視覺檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

基于機(jī)器視覺的插接件檢測(cè)系統(tǒng)主要由自動(dòng)送料排序裝置、工業(yè)相機(jī)、圖像采集卡、PLC控制器、工控機(jī)、細(xì)分與輔助工作臺(tái)、電磁閥、剔除裝置和視覺檢測(cè)軟件等部分組成，其工作流程為：自動(dòng)送料排序→圖像采集→圖像識(shí)別與處理→次品自動(dòng)剔除。插接件視覺檢測(cè)系統(tǒng)原理（見圖1）：根據(jù)插接件尺寸型號(hào)、測(cè)量精度的實(shí)際需要，確定細(xì)分工作臺(tái)移動(dòng)速度，調(diào)整相機(jī)位置、鏡頭角度、光照強(qiáng)度等影響圖像采集質(zhì)量的因素；待自動(dòng)送料排序裝置將插接件送達(dá)指定位置后，PLC通過驅(qū)動(dòng)器控制細(xì)分工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)位置傳感器并將信號(hào)傳輸至兩臺(tái)面陣相機(jī)，由相機(jī)分別采集置于工作臺(tái)上的插接件圖像，通過工作臺(tái)的間歇運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)插接件圖像的分段采集；相機(jī)所采集的圖像經(jīng)圖像采集卡傳送至工控機(jī)，應(yīng)用視覺檢測(cè)軟件依次對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)與測(cè)量處理；工控機(jī)將處理結(jié)果傳輸給PLC控制器，通過電磁閥控制剔除裝置剔除不合格的插接件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳送帶速度檢測(cè)、剔除矯正以及故障報(bào)警等功能[2]。

2 自動(dòng)剔除裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 剔除裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

在插接件的視覺檢測(cè)中，次品自動(dòng)剔除裝置需依據(jù)控制器的脈沖信號(hào)執(zhí)行剔除動(dòng)作[3]。為準(zhǔn)確地執(zhí)行剔除動(dòng)作，需結(jié)合插接件落入傳送帶的位置和執(zhí)行剔除動(dòng)作的位置，再測(cè)量傳送帶的速度，得出從接收脈沖信號(hào)到剔除動(dòng)作執(zhí)行的延時(shí)。另外清除次品插接件的方式有很多，如機(jī)械手，高壓噴嘴等，這些設(shè)計(jì)因素都會(huì)影響剔除裝置的執(zhí)行效率。

該裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由滑道、支架、傳送帶、聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)、光電傳感器、電磁閥、氣缸、毛刷、空氣壓縮機(jī)等部分組成，按照各自的功能可大致分為傳送機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)剔除機(jī)構(gòu)和剔除矯正機(jī)構(gòu)三部分。

2.1 傳送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

剔除裝置中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)解決插接件的平穩(wěn)輸送和故障急停等問題。由于傳動(dòng)裝置所承受的載荷很小，不需要過載保護(hù)裝置且工作環(huán)境良好，精度較低，因此選用帶式運(yùn)輸機(jī)。經(jīng)計(jì)算若選用同步轉(zhuǎn)速為1000r/min或1500r/min的電動(dòng)機(jī)，則機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比i=40或60。顯然普通的異步電動(dòng)機(jī)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)小功率和大的傳動(dòng)比，故采用小功率電動(dòng)機(jī)。帶式運(yùn)輸機(jī)的具體參數(shù)如下：

1）電動(dòng)機(jī)：25W小功率調(diào)速電機(jī)，速度在1～5米/分鐘可調(diào)；

2）機(jī)身尺寸（L×W×H）：300×80×40mm；

3）輸出軸直徑：14mm；

4）皮帶：2mm的PVC防靜電皮帶，無縫接口；

5）電源：AC 220V，1A。

在實(shí)際檢測(cè)中，插接件從工作臺(tái)落入傳送帶的位置會(huì)因兩者間的高度差及其重量產(chǎn)生較大偏差，因此增設(shè)可調(diào)節(jié)的滑道以適應(yīng)不同特性的插接件，以控制其在傳送帶上的落點(diǎn)。

2.2 氣動(dòng)剔除機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)現(xiàn)次品插接件的精準(zhǔn)剔除，氣動(dòng)剔除機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)遵循以下基本要求：動(dòng)作執(zhí)行快，尤其是在連續(xù)執(zhí)行剔除動(dòng)作時(shí)，動(dòng)作應(yīng)流暢；減少甚至消除硬件接觸對(duì)插接件的損害并保證動(dòng)作執(zhí)行的可靠性；剔除機(jī)構(gòu)不能與傳送過程發(fā)生干涉，盡量延長(zhǎng)裝置的使用壽命。為滿足以上要求，對(duì)普通打擊工具進(jìn)行改良，用毛刷替代擋板；將氣缸安裝在傳送帶的末端稍遠(yuǎn)離傳送帶電動(dòng)機(jī)的位置，盡量減少彼此間相互影響。

次品插接件的剔除是通過氣動(dòng)電磁閥的換向（氣路的接通或斷開）來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)其工作要求，剔除裝置的氣動(dòng)回路如圖3所示：空氣首先經(jīng)過過濾器進(jìn)入空氣壓縮機(jī)1，再通過單向閥2，進(jìn)入后冷卻器3進(jìn)行冷卻，當(dāng)溫度下降到40℃時(shí)進(jìn)入油水分離器4，然后將得到的初步凈化的壓縮空氣送入儲(chǔ)氣罐5中[4]。在本氣動(dòng)回路中，儲(chǔ)氣罐后直接跟執(zhí)行元件即三位五通電磁閥10的中位相連接，當(dāng)電磁閥收到PLC控制器給予的剔除信號(hào)時(shí)，電磁閥動(dòng)作即切換至右位，打開閥口推動(dòng)氣缸的推桿伸出，達(dá)到除去次品插接件的目的。

圖3 氣動(dòng)剔除裝置氣動(dòng)回路圖

為了實(shí)現(xiàn)插接件的無損剔除，采用疊加式節(jié)流閥進(jìn)一步控制剔除氣缸活塞伸出時(shí)推桿推力的大小。上述過程中，氣缸每完成一次剔除動(dòng)作，氣動(dòng)電磁換向閥換至左位，氣缸推桿收縮，待推桿回復(fù)至初始狀態(tài)時(shí)，電磁閥返回中位，次品插接件的剔除工作至此結(jié)束。

2.3 剔除矯正機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在插接件檢測(cè)過程中，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)剔除必須依據(jù)傳送帶的運(yùn)行速度及時(shí)矯正PLC通過電磁閥控制剔除動(dòng)作執(zhí)行的時(shí)間（下稱延時(shí)）。而傳送帶速度通常由測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速獲取，但在實(shí)際檢測(cè)時(shí)插接件從輔助工作臺(tái)沿滑道落入傳送帶的位置會(huì)有一定偏差以及傳送帶的速度波動(dòng)等問題，僅僅測(cè)量電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速并不能準(zhǔn)確地獲取延時(shí)。因此，采用一套光電傳感器，通過插接件觸發(fā)光電傳感器并按以下方式計(jì)算延時(shí)。

如圖2所示，光電傳感器A與B間的距離S1，光電傳感器B與毛刷中心點(diǎn)O的距離S2均為常量，只需測(cè)量插接件從A到B的時(shí)間T1就能計(jì)算出傳送帶速度v：

那么插接件在正常檢測(cè)過程中從B到O的時(shí)間T2：

此外，為了進(jìn)一步提升執(zhí)行剔除動(dòng)作的準(zhǔn)確度，氣缸的反應(yīng)時(shí)間 ΔT 也應(yīng)該納入延時(shí)T，對(duì)于采用多次實(shí)驗(yàn)事先測(cè)得并求出平均值：

故延時(shí)T最終確定為：

3 剔除裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件主要由主控制器三菱FX2N～48R型PLC、電磁閥、光電傳感器等構(gòu)成。根據(jù)PLC的I/O分配和電氣控制原理可將控制系統(tǒng)軟件分為傳送模塊、剔除模塊、輔助功能模塊三部分。其中，輔助功能模塊包括剔除矯正、工作指示與報(bào)警等。剔除矯正需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳送帶速度，可直接使用PLC內(nèi)置的實(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)[5]獲得插接件從A到B的運(yùn)動(dòng)時(shí)間T1，計(jì)算出最終延時(shí)T，并設(shè)定控制氣缸運(yùn)動(dòng)的定時(shí)器，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)剔除矯正，確保次品自動(dòng)剔除的精準(zhǔn)度。

圖4 剔除裝置運(yùn)行流程圖

圖4為剔除裝置運(yùn)行流程圖，待插接件圖像采集和處理完成后，經(jīng)視覺檢測(cè)軟件分析，工控機(jī)發(fā)出檢測(cè)結(jié)果信號(hào)，此時(shí)輔助傳送工作臺(tái)啟動(dòng)，氣缸活塞桿推出，位于工作臺(tái)上的插接件因自重滑入剔除裝置傳送帶上的滑道，并沿滑道落入傳送帶；此后為了防止插接件被提前誤除，由光電傳感器A標(biāo)記待剔除插接件，到達(dá)光電傳感器B處，待延時(shí)T結(jié)束后電磁閥動(dòng)作使剔除氣缸的活塞桿推出，由與活塞桿相連的毛刷將次品插接件掃入回收筐中。若檢測(cè)結(jié)果為合格品時(shí)，剔除機(jī)構(gòu)不執(zhí)行剔除動(dòng)作，插接件隨傳送帶進(jìn)入合格品輸送區(qū)；若插接件在規(guī)定時(shí)間（插接件從輔助工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)至光電傳感器A的平均時(shí)間T3和光電傳感器A到光電傳感器B的平均時(shí)間T4）內(nèi)未被光電傳感器標(biāo)記，則傳送帶急停并故障報(bào)警。

4 結(jié)論

根據(jù)插接件視覺檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需求，在系統(tǒng)中配備的自動(dòng)剔除裝置能實(shí)現(xiàn)次品插接件的自動(dòng)精準(zhǔn)剔除并降低甚至消除檢測(cè)系統(tǒng)的錯(cuò)檢率，對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上存在的相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了更新和完善，具有高效快捷、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，極大提高了電子插接件制造企業(yè)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1]鄢大偉.面向視覺檢測(cè)的傳輸控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué),2011.

[2]趙大興,彭煜,孫國(guó)棟,馮維.高精度視覺測(cè)量系統(tǒng)中檢測(cè)方法的研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014,33(5)：25-27.

[3]張巍.啤酒瓶漏氣在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].山東：山東科技大學(xué),2008.

[4]趙燕,袁建暢.原棉異物在線檢測(cè)系統(tǒng)剔除機(jī)構(gòu)的研究[J].紡織器材,2006,33(1) ：19-22.

[5]廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社.2008.