重力滾道下柱體缺陷檢測系統(tǒng)的PLC 控制設(shè)計(jì)

劉新波， 雷愷鴿， 李 冬

（1.邵陽學(xué)院多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 邵陽 422000；2.邵陽學(xué)院高效動(dòng)力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 邵陽 422000）

0 引言

柱形滾子廣泛應(yīng)用在精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件中， 其表面質(zhì)量直接影響部件的運(yùn)動(dòng)精度、動(dòng)態(tài)性能和壽命[1]，因而要求表面精度極高； 此類零件作為基礎(chǔ)件， 生產(chǎn)數(shù)量巨大，因而要求檢測效率極高[2]。由于加工工藝的不同，在柱形滾子加工的過程中，表面可能出現(xiàn)雜質(zhì)、小點(diǎn)、劃傷等微小的表面缺陷[3]，這些缺陷會(huì)影響整個(gè)機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)性能。 因此，深入研究柱形滾子的缺陷檢測方法，提高檢測精度和檢測效率，具有重要意義。

有學(xué)者采用單相機(jī)對柱體側(cè)面進(jìn)行局部成像和測量[4]，這種成像方式要求圓柱體自旋轉(zhuǎn)、多區(qū)域成像，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測效率難以滿足柱形滾子的檢測要求。 也有學(xué)者采用線陣CCD 的方式對圓柱體表面檢測系統(tǒng)進(jìn)行周向掃描測量[5]， 這種檢測方式并沒有解決光澤表面圖像采集難題，同時(shí)無法兼顧柱體兩底面，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測節(jié)拍慢。

1 雙相機(jī)柱形滾子輸送原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 重力滾道設(shè)計(jì)

（1）分析最下方滾動(dòng)體在純滾動(dòng)狀態(tài)下的受力情況。

該對象共受五個(gè)力的作用，分別是：

重力：G=mg；

第N-1 個(gè)滾子對第N 個(gè)滾子的壓力：F1=（N-1）mg[sin（θ）-f1cos（θ）]；

圖1 最下方滾動(dòng)體自輸送模型Fig.1 The self-conveying model of the bottom rolling element

第N-1 個(gè)滾子對第N 個(gè)滾子的滑動(dòng)摩擦力：F2=（N-1）mgf2[sin（θ）-f1cos（θ）]

滑道對第N 個(gè)滾子的支持力：F3=mgcos （θ）+（N-1）mgf2[sin（θ）-f1cos（θ）]

滑道對第N 個(gè)滾子的最大滾摩擦力：F4={mgcos（θ）+（N-1）mgf2[sin（θ）-f1cos（θ）]}f1

其中，f1—滑道材料與鋼柱的靜摩擦系數(shù)；f2—鋼柱之間的動(dòng)摩擦系數(shù)；m—單個(gè)鋼柱的重量；θ—滑道與水平線的夾角。

不滑動(dòng)條件：

假設(shè)單個(gè)滾子在滑道上不滑動(dòng)，即mgsin（θ）

通常情況下，f1，f2均小于1，可見，當(dāng)單個(gè)滾子在滑道上不產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)，理論上，當(dāng)若干個(gè)滾子在其上運(yùn)動(dòng)時(shí)，最下方的滾子仍然不會(huì)有滑動(dòng)。

反之， 假設(shè)單個(gè)滾子在滑道上滑動(dòng)， 即mgsin （θ）>f1mgcos（θ）

則不等式（1）的解為：

可見，當(dāng)單個(gè)滾子在滑道上產(chǎn)生滑動(dòng)，理論上，當(dāng)若干個(gè)滾子在其上運(yùn)動(dòng)時(shí)，最下方的滾子必然會(huì)滑動(dòng)。

在滿足不滑動(dòng)的條件，即mgsin（θ）

滾動(dòng)條件：

其解為：

通常情況下，f1，f2均小于1，且由于sin（θ）

綜合不滑動(dòng)條件和滾動(dòng)條件， 得出最下方滾動(dòng)體的純滾動(dòng)條件為：sin（θ）

（2）分析最中間滾動(dòng)體在純滾動(dòng)狀態(tài)下的受力情況。

圖2 中間滾動(dòng)體自輸送受力模型Fig.2 The self-conveying force model of the middle rolling element

該對象共受七個(gè)力的作用，分別是：

重力：G=mg；

第K-1 個(gè)滾子對第K 個(gè)滾子的壓力：F1=（K-1）mg[f1cos（θ）-sin（θ）]；

第K-1 個(gè)滾子對第K 個(gè)滾子的滑動(dòng)摩擦力：F2=（K-1）mgf2[f1cos（θ）-sin（θ）]

第K+1 個(gè)滾子對第K 個(gè)滾子的支持力：F5=Kmg[sin（θ）-f1cos（θ）]

第K+1 個(gè)滾子對第K 個(gè)滾子的滑動(dòng)摩擦力：F6=Kmgf2[sin（θ）-f1cos（θ）]

滑道對第K 個(gè)滾子的支持力：F3=mgcos （θ）-mgf2[sin（θ）-f1cos（θ）]

滑道對第N 個(gè)滾子的最大滾動(dòng)摩擦力：

不滑動(dòng)條件：

假設(shè)單個(gè)滾子在滑道上不滑動(dòng)，即mgsin（θ）

通常情況下，f1，f2均小于1，且大于0，可見，當(dāng)mgsin（θ）

上述情況發(fā)生在假設(shè)摩擦系數(shù)f1和f2恒定下的的理論推導(dǎo)， 事實(shí)上， 在單個(gè)滾動(dòng)體滿足純滾動(dòng)條件的情況下，并行排列的滾動(dòng)體由于下方滾速大于上方滾速，所有滾子在自由狀態(tài)下并不會(huì)接觸， 呈現(xiàn)出單滾動(dòng)體的滾動(dòng)特征。 只有滾動(dòng)條件收到外部干擾，如滾動(dòng)體的缺陷，滾道內(nèi)部多余物、 或邊界阻礙等將影響滾動(dòng)體的受力，因此，在利用斜滾道實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)體的輸送時(shí)，需要確保滾道清潔并具確保滾動(dòng)體在滾動(dòng)時(shí)沒有邊界阻礙，同時(shí)，采用滿足tg（θ）

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柱形滾子經(jīng)重力軌道傳輸?shù)脚恼諜z測位， 相機(jī)拍攝柱形滾子采集圖像[6]，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，分析柱形滾子的表面信息。 根據(jù)分析結(jié)果通過PLC 控制系統(tǒng)[7]控制氣嘴將柱形滾子分類到不同區(qū)域。 機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 重力滾道下柱體缺陷檢測系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.3 The mechanical structure of cylinder defect detection system under gravity raceway

其中1 為CCD 相機(jī)，2、3、4、5 為調(diào)節(jié)螺釘，3 為高度調(diào)節(jié)螺釘，4、5 為水平調(diào)節(jié)螺釘，2 為傾斜調(diào)節(jié)螺釘。 滾子到達(dá)拍照檢測位10 時(shí)，相機(jī)拍攝其照片，通過計(jì)算機(jī)處理傳輸出OK 或NG 信號(hào)，若為OK 信號(hào)，不觸發(fā)任何動(dòng)作，柱形滾子進(jìn)入9 合格品收納箱；若為NG 信號(hào)，當(dāng)柱形滾子到達(dá)10 氣嘴位，PLC 控制氣嘴吹起使柱形滾子經(jīng)過位置8 路徑進(jìn)入7 不合格收納箱。 實(shí)現(xiàn)柱形滾子的合格不合格分級(jí)。

重力滾道下柱體缺陷檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖4 所示， 主要包含雙相機(jī)視覺處理系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)。 入料、到位和出料是自動(dòng)控制模式下的主要工位。

圖4 重力滾道下柱體缺陷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The mechanical structure block diagram of cylinder defect detection system under gravity raceway

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

連接外界電網(wǎng)并檢測無誤后下載程序， 開始進(jìn)行對氣調(diào)試，程序流程如圖5 所示。

啟動(dòng)設(shè)備，入料感應(yīng)到柱形滾子，通過拍照感應(yīng)后，觸發(fā)相機(jī)拍照，將拍照結(jié)果傳送給CPU。 CPU收到拍照結(jié)果，進(jìn)入移位程序塊；程序塊中移位個(gè)數(shù)在10～20 個(gè)，根據(jù)滾動(dòng)條可載滾子個(gè)數(shù)設(shè)置，拍照位得到的拍照信號(hào)一直移位到最后移位，最后一位若為OK 則順利進(jìn)入合格區(qū)； 若最后一位為NG 信號(hào)， 后將控制氣嘴，將不合格品吹送至不合格收納箱。

通過設(shè)定拍照柱形滾子位數(shù)，如果柱形滾子位數(shù)到達(dá)設(shè)置個(gè)數(shù)，且儲(chǔ)存結(jié)果為不合格時(shí)開啟吹氣功能，待吹氣延時(shí)到達(dá)后關(guān)閉吹氣，并循環(huán)該程序。

圖5 主程序流程圖Fig.5 The main program flow chart

3 控制系統(tǒng)測試

圖6 順序功能圖Fig.6 The sequential function chart

圖7 HMI 初始界面圖Fig.7 The HMI initial interface diagram

對圖7 中的吹氣時(shí)長、拍照后預(yù)留滾子個(gè)數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 吹氣時(shí)長最小單位采用ms，一般設(shè)置值為2000。拍照后預(yù)留滾子個(gè)數(shù)最低為10 個(gè)， 最高為20個(gè)。 在圖8 中可以看到系統(tǒng)的I/O 運(yùn)行狀態(tài)，相機(jī)拍照處理后的信號(hào)為拍照OK 顯示為綠色，信號(hào)為NG 顯示為紅色。若各感應(yīng)器功能正常，整體控制功能啟動(dòng)，則進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試、聯(lián)機(jī)調(diào)試、脫機(jī)調(diào)試，確認(rèn)無誤后即可投入使用。

圖8 運(yùn)行界面圖Fig.8 The running interface diagram

4 結(jié)論

本文將重力軌道與PLC 自動(dòng)控制引入到柱形滾子的外觀缺陷檢測中，降低了檢測成本，提高了柱形滾子的檢測效率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)重力滾道下柱形滾子的上下料和缺陷分類控制，具有良好的穩(wěn)定性，滿足了柱形滾子的檢測要求。