張碭碭，胡劍虹，柯海森，梁明軒

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州310018）

軸承作為一種重要的零部件，廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)設(shè)備，需求量巨大。軸承的種類、規(guī)格繁多，因應(yīng)用場(chǎng)合不同，其制造工藝也不同［1-4］，如608-Z、697-Z 及607-RS等型號(hào)的軸承，其一端為黑色橡膠密封圈，另一端為金屬防塵蓋。為了方便用戶使用，此類兩端面材質(zhì)不同的軸承在包裝前須進(jìn)行整理，即使材質(zhì)相同的端面朝同一方向后才進(jìn)行包裝。

以寧波市鎮(zhèn)海區(qū)的某軸承制造企業(yè)為例，該企業(yè)的工人每天須整理約25 000 個(gè)軸承并完成包裝。隨著軸承自動(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，該企業(yè)的軸承生產(chǎn)量逐年增加，但軸承的整理仍未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這嚴(yán)重制約著企業(yè)產(chǎn)能的提高。為實(shí)現(xiàn)軸承整理的自動(dòng)化及進(jìn)一步提高企業(yè)的產(chǎn)能，以608-Z 型軸承為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置，旨在實(shí)現(xiàn)軸承端面的自動(dòng)檢測(cè)，提高軸承的整理速度。

1 裝置的技術(shù)參數(shù)及功能分析

1.1 裝置的技術(shù)參數(shù)分析

所設(shè)計(jì)的基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置的技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足：1）檢測(cè)時(shí)間小于1 s；2）誤測(cè)率小于0.1%；3）每天無故障持續(xù)工作時(shí)間大于22 h。

1.2 裝置的功能分析

所設(shè)計(jì)的基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：1）實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承端面的檢測(cè)，能夠快速識(shí)別密封圈和防塵蓋；2）能夠?qū)z測(cè)完的軸承進(jìn)行整理，整理包括翻轉(zhuǎn)和排列兩部分，即通過程序設(shè)定需要翻轉(zhuǎn)的端面，裝置工作時(shí)若檢測(cè)到需要翻轉(zhuǎn)的端面，則先翻轉(zhuǎn)再排列，反之則直接排列。

2 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 軸承單個(gè)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸承單個(gè)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)由電動(dòng)轉(zhuǎn)盤（轉(zhuǎn)盤+電機(jī)）、支撐臺(tái)、光電傳感器和推料氣缸組成，如圖1所示。通過電機(jī)的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤內(nèi)的待檢測(cè)軸承被運(yùn)送到進(jìn)料通道內(nèi)，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到軸承到達(dá)推料氣缸處時(shí)，推料氣缸將軸承推送到下一個(gè)機(jī)構(gòu)中，從而完成軸承的單個(gè)上料。該軸承單個(gè)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)具有成本低、速度快及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地與后續(xù)整理工序銜接［5］。

圖1 軸承單個(gè)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)Fig.1 Single bearing automatic feeding mechanism

2.2 軸承定位與端面檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了在檢測(cè)時(shí)能夠固定軸承，防止因軸承振動(dòng)而導(dǎo)致誤測(cè)，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、可靠的軸承定位夾具。將定位夾具固定在進(jìn)料通道上，待檢測(cè)的軸承在推料氣缸的推動(dòng)作用下擠壓定位夾具上的軸承，使得定位夾具沿導(dǎo)軌向后運(yùn)動(dòng)，從而擠壓彈簧。當(dāng)待檢測(cè)的軸承進(jìn)入位于定位夾具上的2個(gè)定位軸承之間后，在彈簧回復(fù)力的作用下待檢測(cè)軸承被壓緊固定在進(jìn)料通道上，從而實(shí)現(xiàn)定位。該定位夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠［6］。對(duì)于完成定位的軸承，采用色標(biāo)傳感器進(jìn)行端面檢測(cè)。色標(biāo)傳感器是通過檢測(cè)色標(biāo)對(duì)光束的反射量或吸收量的不同來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同顏色物體（即使顏色的差別細(xì)微）的檢測(cè)［7］。當(dāng)軸承兩端面材質(zhì)不同時(shí)，其兩端面的顏色不同，利用色標(biāo)傳感器可準(zhǔn)確識(shí)別軸承的正、反面［8-10］。色標(biāo)傳感器固定在定位夾具的對(duì)面，可更方便地識(shí)別待檢測(cè)軸承的端面。所設(shè)計(jì)的軸承定位與端面檢測(cè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軸承定位與端面檢測(cè)機(jī)構(gòu)Fig.2 Bearing positioning and end face detection mechanism

2.3 軸承翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使軸承正面（令金屬防塵蓋面為正面，橡膠密封圈面為反面）朝上，基于旋轉(zhuǎn)氣缸，設(shè)計(jì)了軸承翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。在完成顏色識(shí)別后，待檢測(cè)軸承在推料氣缸的推動(dòng)作用下進(jìn)入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，設(shè)定當(dāng)軸承反面朝上時(shí)，旋轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)軸承進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在進(jìn)料通道上，基于旋轉(zhuǎn)氣缸可旋轉(zhuǎn)180°的特性直接實(shí)現(xiàn)軸承的翻轉(zhuǎn)。使用旋轉(zhuǎn)氣缸控制軸承的翻轉(zhuǎn)非常方便，只須控制旋轉(zhuǎn)氣缸電磁閥的通斷即可［11］。

圖3 軸承翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.3 Bearing turnover mechanism

2.4 軸承排列機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了快速又準(zhǔn)確地對(duì)軸承進(jìn)行排列，設(shè)計(jì)了軸承排列機(jī)構(gòu)，如圖4所示。軸承從進(jìn)料通道進(jìn)入，在重力作用下滾入排列機(jī)構(gòu)；當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到軸承落下后，推進(jìn)氣缸向前推進(jìn)該軸承，為下一個(gè)軸承留下空間；當(dāng)最遠(yuǎn)端光電傳感器檢測(cè)到軸承時(shí)，表明當(dāng)前這一排軸承已經(jīng)排列完畢，由橫推氣缸推動(dòng)該排軸承，為下一排軸承留下空間。該軸承排列機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

圖4 軸承排列機(jī)構(gòu)Fig.4 Bearing arrangement mechanism

2.5 裝置整體設(shè)計(jì)

通過對(duì)技術(shù)要求進(jìn)行分析之后，以608-Z型軸承為例，確定了基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置的整體結(jié)構(gòu)，主要包括基于電動(dòng)轉(zhuǎn)盤與推桿氣缸的自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、基于定位夾具和色標(biāo)傳感器的定位與端面檢測(cè)機(jī)構(gòu)、基于旋轉(zhuǎn)氣缸的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和基于光電傳感器的排列機(jī)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure of bearing end face detection and sorting device based on color recognition

3 裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軸承端面檢測(cè)及整理裝置的應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，要求其控制器具有高精度、高穩(wěn)定性以及極佳的抗干擾性，以適應(yīng)自動(dòng)化和智能化的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。因此，采用PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）作為主控制器［12-13］，對(duì)軸承端面檢測(cè)及整理裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其組成如圖6所示。

圖6 基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置的控制系統(tǒng)組成Fig.6 Composition of control system of bearing end face detection and sorting device based on color recognition

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置的控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)、氣缸、電磁閥、光電傳感器和色標(biāo)傳感器等組成。PLC接收來自軸承端面檢測(cè)及整理裝置中各傳感器的信號(hào)，并輸出相應(yīng)的信號(hào)來控制該裝置各機(jī)構(gòu)，以執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作［14］。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

由于608-Z型軸承較小，須基于PLC編寫精確的控制程序：通過合理調(diào)整氣缸壓力來實(shí)現(xiàn)軸承的翻轉(zhuǎn)和排列，通過調(diào)整傳感器的方位來實(shí)現(xiàn)精確的檢測(cè)，從而使軸承的檢測(cè)和整理都達(dá)到理想狀態(tài)。軸承經(jīng)電動(dòng)轉(zhuǎn)盤進(jìn)入進(jìn)料通道，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到軸承后，端面檢測(cè)、翻轉(zhuǎn)和排列等工序開始運(yùn)行［15-16］?；陬伾R(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置的簡(jiǎn)化控制流程如圖7所示。

圖7 基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置的簡(jiǎn)化控制流程Fig.7 Brief control flow of bearing end face detection and sorting device based on color recognition

4 裝置的性能測(cè)試與結(jié)果分析

4.1 性能測(cè)試

為了驗(yàn)證基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置的穩(wěn)定性和精確性，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，分為軸承檢測(cè)時(shí)間測(cè)試和檢測(cè)合格率測(cè)試。對(duì)單個(gè)軸承檢測(cè)時(shí)間的測(cè)試分為2組：第1組，用秒表記錄單個(gè)軸承的檢測(cè)時(shí)間；第2組，用秒表記錄500個(gè)軸承的檢測(cè)時(shí)間，并通過計(jì)算得到單個(gè)軸承的檢測(cè)時(shí)間。對(duì)于裝置檢測(cè)合格率的測(cè)試，每次檢測(cè)500個(gè)軸承，統(tǒng)計(jì)誤檢個(gè)數(shù)，通過計(jì)算得到檢測(cè)合格率［17］。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 軸承檢測(cè)時(shí)間分析

第1組：對(duì)單個(gè)軸承的檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。一次性向基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置中送入15個(gè)軸承，依次進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 單個(gè)軸承的檢測(cè)時(shí)間Fig.8 Detection time of single bearing

由圖8 可以看出，在測(cè)試中，除了第1 個(gè)軸承的檢測(cè)時(shí)間超過1 s 外，其余軸承的檢測(cè)時(shí)間皆小于1 s。第1個(gè)軸承的檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)是因?yàn)殡妱?dòng)轉(zhuǎn)盤剛啟動(dòng)，導(dǎo)致軸承上料較慢。由此可知，若要縮短單個(gè)軸承的檢測(cè)時(shí)間，則須在電動(dòng)轉(zhuǎn)盤充分轉(zhuǎn)動(dòng)后再上料。此外，圖8顯示單個(gè)軸承檢測(cè)時(shí)間的波動(dòng)較大，這主要是由上料不及時(shí)所導(dǎo)致的。若上料及時(shí)，則軸承與軸承相互緊挨，檢測(cè)速度加快；若上料不及時(shí)，則軸承和軸承之間出現(xiàn)間隙，檢測(cè)速度減慢。由此可知，若要提高檢測(cè)速度，則須保證上料及時(shí)［18］。

第2 組：對(duì)500 個(gè)軸承的檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，共進(jìn)行15次，并求出每次測(cè)試對(duì)應(yīng)的軸承平均檢測(cè)時(shí)間，結(jié)果如圖9所示。

圖9 軸承的平均檢測(cè)時(shí)間Fig.9 Average detection time of bearing

由圖9可知，軸承的平均檢測(cè)時(shí)間均小于1 s，平均檢測(cè)時(shí)間的最大波動(dòng)為0.18 s。綜合分析可知，由于是人工上料，若上料稍慢，則會(huì)導(dǎo)致軸承的平均檢測(cè)時(shí)間出現(xiàn)較大波動(dòng)。因此，若要使平均檢測(cè)時(shí)間縮短，則須保證上料及時(shí)且上料速度一致。

綜上可知，通過測(cè)試得到的單個(gè)的軸承檢測(cè)時(shí)間均小于1 s，說明基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置的檢測(cè)速度符合要求［19］。

4.2.2 檢測(cè)合格率分析

對(duì)上述第2組測(cè)試中誤檢的軸承個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算檢測(cè)合格率，結(jié)果如圖10所示。

圖10 軸承端面的檢測(cè)合格率Fig.10 Detection pass rate of bearing end face

由圖10可知，15次測(cè)試對(duì)應(yīng)的軸承端面的檢測(cè)合格率分別為100%，100%，99.8%，100%，99.6%，99.8%，99.6%，99.4%，99.2%，99.2%，100%，100%，99.6%，99.8%和100%。其中，第8，9，10次的檢率合格率小于99.5%，主要原因在于：為了提高檢測(cè)速度，在第7 次檢測(cè)結(jié)束后調(diào)快了整個(gè)軸承端面檢測(cè)及整理裝置的速度，使得各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度加快，從而導(dǎo)致裝置不穩(wěn)定而出現(xiàn)誤測(cè)；而在第10次檢測(cè)結(jié)束后，又將整個(gè)裝置調(diào)回至原始狀態(tài)，檢測(cè)合格率高于99.5%，說明此時(shí)整個(gè)裝置的性能較佳［20］。

5 結(jié)論

根據(jù)軸承的實(shí)際生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)了一種基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置，可實(shí)現(xiàn)軸承端面的自動(dòng)識(shí)別和軸承的自動(dòng)化排列。該裝置的性能測(cè)試結(jié)果表明：基于顏色識(shí)別的軸承端面檢測(cè)及整理裝置能夠明顯加快軸承端面的檢測(cè)速度和軸承的整理速度，節(jié)省了勞動(dòng)力，且整體檢測(cè)合格率達(dá)到了生產(chǎn)要求。在裝置完全啟動(dòng)且上料及時(shí)的情況下，軸承的檢測(cè)時(shí)間較為平穩(wěn)且裝置無故障。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了裝置各個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，表明該裝置適合在軸承的工業(yè)化生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。