眼鏡片自動分揀裝置的設(shè)計與分析

熊偉　顧寄南　沈雨春　陳功

摘 要：依據(jù)眼鏡片瑕疵檢測及分揀自動化的現(xiàn)實需求，設(shè)計開發(fā)了一套三盤式自動分揀裝置，并對該裝置的設(shè)計方案、工作原理以及傳動系統(tǒng)進(jìn)行了闡述和分析。試驗結(jié)果表明，該裝置能夠高效、穩(wěn)定地完成眼鏡片的自動分級分揀的需求。

關(guān)鍵詞：眼鏡片；瑕疵檢測；自動分揀；三盤式裝置

引言

近年來，隨著近視人口的逐漸增多，我國對眼鏡的消費量及生產(chǎn)量已經(jīng)排在世界前列。然而受限于技術(shù)的約束，眼鏡片在實際生產(chǎn)過程不可避免地會出現(xiàn)許多微小瑕疵（如氣泡、劃痕、雜質(zhì)等），檢測出這些疵病然后根據(jù)分級要求來確定鏡片的質(zhì)量等級就成了必不可少的一個環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)外大部分眼鏡片生產(chǎn)商都是采用人工檢測方法來對鏡片進(jìn)行檢測和分級。然而這種檢測方式存在許多缺點，比如工作效率低、誤檢率高、過度依賴工人的經(jīng)驗，而且對人眼傷害較嚴(yán)重。因此，實現(xiàn)鏡片瑕疵的檢測及分級的自動化就顯得尤為迫切和重要[1]。

1 自動分揀裝置總體方案設(shè)計

市面上常見的鏡片檢測分揀機(jī)構(gòu)多為帶式直線型結(jié)構(gòu)，即在一條傳送帶上完成鏡片的上料、檢測、分揀[2]，如圖1所示。本研究采用三盤式結(jié)構(gòu)設(shè)計：上盤、中盤和下盤，如圖2所示。三個盤都是圓形結(jié)構(gòu)，其中上盤和下盤固定不動，起到支撐和密封的作用。中盤位于上盤和下盤之間，開有六個圓孔（工位），每個孔中都裝有夾持手，用來夾持鏡片。中盤由分割器通過傳動軸連接，可以實現(xiàn)精確的間歇圓周轉(zhuǎn)動（每次轉(zhuǎn)動60°），其中動停比為1：3—轉(zhuǎn)動時間為0.3S，停止時間為0.9S，以滿足鏡片的檢測及自動分級分揀。經(jīng)試驗，該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，工作可靠的特點。

2 各個工位的說明

2.1 眼鏡片自動進(jìn)料

如圖1所示，將鏡片放入進(jìn)料輸送帶上，鏡片隨著傳送帶向前運動，當(dāng)鏡片到達(dá)指定位置時，傳感器便會給控制系統(tǒng)發(fā)出信號，觸發(fā)氣缸帶動推桿將眼鏡片推動到中盤的夾持手上，然后推桿在內(nèi)置彈簧的作用下復(fù)位，從而完成工位一的自動進(jìn)料工作。

2.2 眼鏡片瑕疵檢測

在工位一上料后的鏡片隨中盤和夾持手一起轉(zhuǎn)動60°到達(dá)并暫停在工位二上，安裝在上盤上的檢測裝置（CCD和光源）便開始提取鏡片中的疵病信息，經(jīng)過圖像處理并與分級要求進(jìn)行比對，確定該眼鏡片的質(zhì)量等級，從而完成了工位二的眼鏡片瑕疵檢測[3]。

2.3 眼鏡片自動分級分揀

經(jīng)過工位二后，眼鏡片已經(jīng)被圖像檢測處理系統(tǒng)判定為某個質(zhì)量等級，然后隨著中盤和夾持手繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在后面四個工位中的某個位置上，鏡片會被夾持手放置在該工位正下方的出料傳送帶上，其中夾持手由單片機(jī)控制，從而完成眼鏡片的自動分級分揀，這樣鏡片就被分為了四個等級。

3 傳動系統(tǒng)

為了實現(xiàn)中盤的精密間歇轉(zhuǎn)動，本設(shè)計的傳動系統(tǒng)由電機(jī)、減速器、分割器、傳動軸（中盤）組成，電機(jī)同減速器、分割器直接相連，如圖3所示。通過單片機(jī)控制電動機(jī)的啟停，進(jìn)而控制分割器的工作，而分割器的速度可以通過變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)[4]。

3.1 高速精密間歇分割器

凸輪分割器是依靠凸輪與滾針之間的無間隙配合，并沿著既定的凸輪曲線進(jìn)行重復(fù)傳遞運作的裝置，具有高速度、高分度精度、沖擊噪音小的特點，已成為間歇和步時機(jī)構(gòu)的主要發(fā)展方向。

本裝置的設(shè)計要求為：間歇分割定位等分S=6；動停時間比為1：3；入力軸之回轉(zhuǎn)數(shù)n=30rpm；凸輪曲線為修正正弦曲線MS，如圖5，驅(qū)動角θ=270°；中盤及夾持手的總重量為35kg；實際負(fù)載扭矩Te=13.058kgf·m。根據(jù)以上資料和數(shù)據(jù)來選取分割器，凡是入力扭矩高于計算的Te值均可選用。本研究選用臺州永發(fā)精密間歇分割80DF。

3.2 減速器和電機(jī)

減速器和分割器之間的傳動是空間傳動，由于蝸輪蝸桿傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力高，傳動平穩(wěn)，噪聲小，并且易于獲得很大的傳動比，故選用圓柱蝸桿傳動。

根據(jù)分割器輸入軸轉(zhuǎn)速30r/min的要求，而本研究選取電機(jī)Y132M-8的額定轉(zhuǎn)速為750r/min，則傳動比i=30/750=1：25。為了以后設(shè)備的產(chǎn)能提能等考慮，本設(shè)計選用傳動比1：15的蝸輪蝸桿減速器，然后通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)分割器入力軸轉(zhuǎn)速為30 r/min的要求。

3.3 傳動軸

在整個傳動系統(tǒng)中，傳動軸是自制非標(biāo)件，它的作用是將分割器的精密間歇轉(zhuǎn)動和動力傳遞到中盤上，這就要求傳動軸必須要有足夠的強度和剛度來保證各個工位位置的精確性。本研究通過分析軸上的載荷情況，軸上零件的安裝、定位、制造工藝來確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。

軸的材料選用45鋼，表面進(jìn)行熱處理提高抗疲勞強度，查表得其許用應(yīng)力為80MPa。傳動軸的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，傳動軸下端開有鍵槽，通過聯(lián)軸器與分割器的出力軸相連；傳動軸上端與中盤連接，選用矩形花鍵連接，齒形角為30°，定心方式為小徑定心，即外花鍵和內(nèi)花鍵的小徑為配合面。該連接方式定心精度高，定心的穩(wěn)定性好。

4 結(jié)束語

眼鏡片自動分揀裝置的成功應(yīng)用，可替代人工操作，能夠極大的減少誤檢率和提高生產(chǎn)效率，最終實現(xiàn)鏡片瑕疵的檢測及分級的自動化。在鏡片自動分揀系統(tǒng)的開發(fā)過程中，三盤式整體設(shè)計方案的首次使用，使得該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、工作可靠的優(yōu)點；選用高速精密間歇分割器、蝸輪蝸桿減速器等成熟技術(shù)和部件與自制非標(biāo)件——傳動軸進(jìn)行設(shè)計整合，使得設(shè)計的傳動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)精簡、高效率、高精度等特點。

參考文獻(xiàn)

[1]姚紅兵，平潔，李良灣，等.一種眼鏡鏡片缺陷自動化檢測系統(tǒng)的研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2013，4（4）；633-638.

[2]茹占軍，謝家興.樹脂眼鏡片生產(chǎn)流程（上）[J].中國眼鏡科技，2010（9）.

[3]姚泰然，孫志剛.基于機(jī)器視覺的手機(jī)鏡片分揀系統(tǒng)[J].機(jī)械與電子，2012，11：72-75.

[4]徐衛(wèi)平，鄭盛學(xué).鏡片自動分揀系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)床與液壓，2012.