桑建國

摘 要：機械設(shè)計制造在工業(yè)化生產(chǎn)中不可或缺，自動化技術(shù)的革新應(yīng)用大幅提升了機械設(shè)計制造水平。新形勢下自動化技術(shù)在機械設(shè)計制造中呈現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)控化趨勢，為此詳細研究了自動化技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用情況?；趥鞲衅餮邪l(fā)機械設(shè)計制造自動化監(jiān)測系統(tǒng)，動態(tài)獲取機械加工機床的運行狀態(tài);基于機器視覺技術(shù)檢測機械生產(chǎn)零件的缺陷，保障機械生產(chǎn)質(zhì)量。提供機械設(shè)計制造效率優(yōu)化的技術(shù)支持，驅(qū)動機械設(shè)計制造行業(yè)效益提升。

關(guān)鍵詞：自動化技術(shù);機器視覺;傳感器;機械設(shè)計制造

工業(yè)生產(chǎn)以機械設(shè)備的發(fā)展為契機開啟嶄新的生產(chǎn)時代，人類社會的進步以機械化為重要動力進行生產(chǎn)革新。我國工業(yè)生產(chǎn)隨著改革開放大規(guī)模展開，帶動了機械自動化生產(chǎn)水平的優(yōu)化與進步，機械化生產(chǎn)成為經(jīng)濟建設(shè)的關(guān)鍵增長點之一[1]。自動化是機械化生產(chǎn)達到較高水平的顯著特征，標志著機械化水平的進步，是驅(qū)動社會革新進步關(guān)鍵性節(jié)點，社會生產(chǎn)的效率與質(zhì)量由此得到較大改善[2]。機械設(shè)計制造中的自動化技術(shù)是優(yōu)化生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，實現(xiàn)了生產(chǎn)材料的優(yōu)化配置與效率的提升[3]。以往機械設(shè)計制造領(lǐng)域需要人的操作才能實現(xiàn)高效的生產(chǎn)計劃，而自動化技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用解放了人的雙手，減少人力成本。本文重點列舉了機械設(shè)計制造的自動化檢測技術(shù)與自動化監(jiān)控技術(shù)，保障機械設(shè)計制造的質(zhì)量與效率。

1 傳感器技術(shù)在機械設(shè)計制造自動化監(jiān)測中的應(yīng)用

機械設(shè)計制造行業(yè)的數(shù)控機床趨向大型化、高速化、高精度的發(fā)展方向，長期的繁重工作負擔下，振動、沖擊等壓力對機械制造數(shù)控機床產(chǎn)生超負荷影響，干擾機床生產(chǎn)狀態(tài)，進一步導(dǎo)致數(shù)控機床生產(chǎn)誤差變大[4]，嚴重可出現(xiàn)意外停機狀況。因此，如何精準監(jiān)控數(shù)控機床生產(chǎn)狀態(tài)、預(yù)判機械制造故障等信息成為優(yōu)化機械設(shè)計制造效率的重中之重。本文基于傳感器設(shè)計機械制造機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實時向管理人員提供可靠的機床運行數(shù)據(jù)，保障機械生產(chǎn)正常運行。

1.1 機械制造機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器選取

機械設(shè)計制造監(jiān)控的傳感器主要包括加速度傳感器與功率傳感器，最終選取的傳感器相關(guān)信息見下表。

1.2 機械制造機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于傳感器的機械制造機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，該系統(tǒng)使用嵌入式技術(shù)實現(xiàn)不同硬件接口的連接，具體表現(xiàn)為加速度、電機電流、溫度等各個信號接口數(shù)據(jù)的采集與傳輸。監(jiān)測系統(tǒng)的加速度傳感器信號采集原理如下：加速度信號主要通過4線制的方式和前置專門性信號采集模塊連接，將該模塊信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴W(wǎng)信號輸出并與嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口連接，設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的頻率為10 Hz。功率傳感器信號采集原理同上，差異在于其信號輸出使用5線制與前置專用信號采集模塊連接。

基于傳感器設(shè)計機械制造機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用以監(jiān)測機械設(shè)計制造情況，生產(chǎn)操作人員在監(jiān)控端可隨時查看機床運行信息，確保及時發(fā)現(xiàn)機床異?，F(xiàn)象，保障機械制造順利進行。

2 自動化檢測技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用

在國外高水平精密度檢測技術(shù)的沖擊下，涌現(xiàn)大量嶄新的檢測設(shè)備與儀器，結(jié)合機械生產(chǎn)的自動化需求，高度自動化檢測儀器在機械制造行業(yè)中成為主流[5]。計算機技術(shù)、集成技術(shù)的綜合運用使得機械制造檢測設(shè)施功能越來越全面，機械制造自動化檢測技術(shù)應(yīng)運而生。自動化檢測是自動化機械制造系統(tǒng)的功能之一，目標是檢測機械生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，能夠在檢測過程中通過較少的人工操作實現(xiàn)自動檢測[6]。本次重點研究了機器視覺在機械設(shè)備制造自動檢測中的應(yīng)用情況，通過識別機械零件圖像信息自動檢測零件的缺陷。

2.1 自動化檢測技術(shù)的相機設(shè)置

相機是機器視覺技術(shù)檢測零件的關(guān)鍵構(gòu)成，綜合考慮分辨率、靈敏度、信噪比、資金投入等因素確定使用黑白CCD相機。在機械零件生產(chǎn)過程中，定義零件傳送速度為v，相機視野為A×B，相機采集圖像速度上限為r，D、G分別表示機械零件的長度與高度，基于機械生產(chǎn)的效率要求，規(guī)定零件缺陷檢測速度每秒不能低于n個，檢測單個零件的耗時為t。據(jù)此得到相機拍照期間機械零件移動的長度，如公式（1）所示

結(jié)合上述標準與檢測精度（0.1 mm）可確定相機的分辨率為640×480，此分辨率考慮了相機的成本投入情況，在不考慮成本的前提下可選擇更高分辨率的相機，有效提升機械零件檢測精度。

LED光源能耗小、性價比高，在機器視覺技術(shù)中的應(yīng)用較為廣泛，所以選擇LED光源作為機械制造零件檢測的環(huán)境光。

2.2 自動化檢測技術(shù)的光電開關(guān)選取

光電開關(guān)是機械零件自動化檢測的關(guān)鍵控制部件，相機拍攝機械零件的時間由光電開關(guān)決定，主要原理為：機械零件行進期間觸發(fā)光電開關(guān)，此時計算機接收來自光電開關(guān)的信號，確保計算機對相機獲取圖像過程進行控制[7]。此處使用對射式光電開關(guān)，通過更正光電開關(guān)在檢測線上相對時間的方式得到合理的零件拍攝區(qū)域位置與大小，呈現(xiàn)最優(yōu)的光電開關(guān)布置與零件拍攝效果。

圖2展示了光電開關(guān)布置結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖2分析光電開關(guān)工作原理：光電開關(guān)安置于相機的前方位置，光電開關(guān)在零件遮擋其光路時即可采集光電信號并傳輸至計算機，確保計算機操控相機拍攝機械零件圖像。

2.3 機械零件邊緣檢測與缺陷識別

成功采集機械零件圖像后對其進行預(yù)處理，然后展開機械零件圖像的邊緣檢測活動，基于Sobel算法提取零件圖像的輪廓邊緣，根據(jù)提取到的左右邊緣點坐標即可去除輪廓邊緣得到缺陷情況。具體判定機械零件是否存在缺陷的方法如下：（1）當零件輪廓邊緣中包含顯著的撕裂帶邊緣信息，則斷定此機械零件可能存在缺陷，等待深入檢測;（2）當零件輪廓邊緣中不存在顯著撕裂帶邊緣信息，判斷此零件合格。經(jīng)過圖像后處理確定存在缺陷的零件，獲取缺陷位置與尺寸信息的思路為：將存在缺陷幾率的零件灰度圖像進行閾值分割獲取二值化圖像，得到零件缺陷的目標信息，與背景完整分割，呈現(xiàn)具體的缺陷形狀、位置信息、大小信息。

二值化圖像中，像素0、像素1分別表示圖像背景和物體，選取合理的灰度值或者灰度區(qū)間作為閾值是圖像二值化的關(guān)鍵步驟，據(jù)此分割機械零件的圖像，方法如下：

3 結(jié)論

我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展需要機械自動化技術(shù)的大力支持，我國取得國際競爭的勝利需要機械自動化技術(shù)不斷革新升級，以符合機械生產(chǎn)的國際化標準。機械設(shè)計制造中的自動化技術(shù)有效提升了社會生產(chǎn)能力，將人的雙手從機械操作中逐漸解放出來，減少了人力成本的資金投入。此外，自動化技術(shù)的升級換代使機械設(shè)計制造行業(yè)水平提升，帶動行業(yè)整體變革。新形勢下自動化技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用除更新技術(shù)水平外，更要加強技術(shù)人員的知識積累與專業(yè)技能培訓，提高機械操作人員的技能水準，更好地為優(yōu)化生產(chǎn)效益、提高國民經(jīng)濟增長服務(wù)。

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