轴承在线自动检测控制系统设计

苏俊宏,栗波波,陈智利

摘  要： 工业视觉在线自动检测设备主要应用于高精度、重复性的工业检测环节中，以其非接触性的优点，广泛应用于轴承检测领域。着重介绍轴承在线自动检测装置中硬件及PLC控制系统的设计与选取。包括图像采集系统、PLC控制系统及工件传送系统、图像采集系统与工件传送系统在PLC控制系统控制下完成对轴承的在线自动检测。经实际测试，该系统能很好完成轴承检测工作，有操作简单、稳定性好、精确度高等优点。

关键词： PLC； 机械手； 电气控制； 自动检测

中图分类号： TN710?34                       文献标识码： A                        文章编号： 1004?373X（2014）23?0126?03

Design of control system for bearing automatic detection

SU Jun?hong，  LI Bo?bo，  CHEN Zhi?li

（Xian Technological University， Xian 710021， China）

Abstract： The on?line auto detection equipment of industrial vision are mainly used in high?accuracy and high?repeatability industrial testing link. It is widely used in the field of bearing detection due to the advantages of non?contact. The design of hardware and PLC control system in the online automatic detection device is mainly introduced in this paper， including the image acquisition system， PLC control system and the work piece transfer system. The online automatic detection of bearings is completed by the image acquisition system and the work piece transfer system under control of PLC control system. The testing result indicates that the system can accomplish work piece detection well， and has advantages of simple operation， high stability and high accuracy.

Keywords：  PLC； manipulator；  electrical control； automatic detection

0  引  言

轴承在机械行业中应用非常广泛，轴承质量的好坏直接影响到安全生产和机器的使用性能及寿命[1]。图1为轴承在线自动检测装置示意图，传送带光电开关检测到轴承后，气缸将轴承推至工位1，机械手将工位1上的轴承夹持至工位2，工位2上的传感器检测到轴承后，CCD1相机对轴承侧面进行拍摄，CCD2对正面进行拍摄，并将图像传至图像处理系统，若合格，机械手将轴承夹持至传送带[2]，不合格则夹持至废料箱。轴承在线自动检测系统是典型的机、电、气一体化装置，以其结构简单、价格低廉、动作迅速、可靠性好、抗干扰性强和维修方便等优点广泛运用于轴承检测工业现场中。

1  轴承自动检测系统介绍

机械手由机械系统、监测系统、气动系统和电控系统组成。机械结构分为底座、支柱、手臂和气爪四部分，可以控制旋转气缸、伸缩气缸和气爪三个部分，分别使用3个电磁阀驱动，在可编程控制器和触摸屏的控制下，实现机身的上升、下降、旋转和气爪夹取。结构图如图2所示。

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图1 轴承在线自动检测整体示意图

1.1  控制系统组成

在本系统中，需要的输入端口有12个，输出端口需要11个，输出为继电器输出。需要对机械手动作的位移、工位上轴承是否到位进行检测，均为数字量输入。考虑预留一定的I/O余量及对PLC硬件资源充分利用的要求，根据输入/输出控制要求的分析，本文选用OMRON公司生产的CPM1A?X40DT?D型的可编程控制器[3]。

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图2 机械手结构图

1.2  图像采集系统结构

图像采集系统由可转动载物平台、光学照明系统（平面光源和环形光源）和CCD相机组成，如图3所示。CCD2对工件的上表面进行拍摄，之后CCD1对工件侧面进行拍摄，载物台每转动90°，CCD1对工件进行一次拍摄，总共拍摄四次[1]。

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图3 图像采集平台

2  PLC控制系统电路设计

该电气控制系统有2个启停信号控制按钮、9个限位开关和2个光电开关。共13个开关量输入信号，11个开关量输出信号，共同控制着机械手的运行。

2.1  PLC电路设计

CPM1A?X40DT?D外部接线图如图4所示。

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图4 CPM1A?X40DT?D外部接线图

2.2  PLC I/O口分配

PLC输入/输出端口分配如表1所示。

表1 PLC输入/输出端口分配

[输入＼&；＼&；输出＼&；＼&；0.00＼&；开始＼&；10.00＼&；机械手上行＼&；0.01＼&；停止＼&；10.01＼&；机械手下行＼&；0.02＼&；机械手上限为传感器＼&；10.02＼&；机械手右行＼&；0.03＼&；机械手到位传感器＼&；10.03＼&；机械手左行＼&；0.04＼&；机械手下限位传感器＼&；10.04＼&；气爪夹紧＼&；0.05＼&；机械手右限位传感器＼&；10.05＼&；气爪松开＼&；0.06＼&；机械手左限位传感器＼&；10.06＼&；载物台右旋＼&；0.07＼&；机械手中间限位传感器＼&；10.07＼&；CCD1拍摄＼&；0.08＼&；气爪压力传感器＼&；11.00＼&；CCD2拍摄＼&；0.09＼&；工位1工件检测传感器＼&；11.01＼&；报警＼&；1.00＼&；工位2工件检测传感器＼&；11.02＼&；紧急停止＼&；1.01＼&；工件合格信号＼&；＼&；＼&；1.02＼&；工件不合格信号＼&；＼&；＼&；1.03＼&；传送带光电传感器1＼&；＼&；＼&；1.04＼&；传送带光电传感器2＼&；＼&；＼&；]

3  PLC控制程序设计

可编程控制器编程语言中，梯形图语言是应用最广泛的一种编程语言，也是最能直观表达电气控制原理的编程语言[2]。本文使用OMRON的CX?Programs梯形图编辑器建立PLC程序。当工位1检测到工件后，机械手将工位1上的工件夹持至工位2.CCD相机对工位2上的工件拍摄检测完成后，将合格与否的信号传送至PLC，当工件合格时，机械手将工件夹持至传送带，不合格时，机械手将工件夹持至废料箱。图5和图6为轴承由工位1传送至工位2的运行流程图及相应的PLC梯形图。

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图5 工件由工位1传送至工位2运行流程图

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图6 工件由工位1传送至工位2的PLC梯形图

图7和图8为轴承由工位2传送至传送带或者废料箱的运行流程图及相应的PLC梯形图。

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图7 工件由工位2传送至皮带或者废料箱运行流程图

4  结  语

经初步运行调试，轴承在线自动检测系统可以满足工业现场轴承检测的基本需求。本文PLC梯形图采用顺序法编程，执行效率较低，需要深入学习编程经验，简化程序。PLC有较多的输入输出口余留，可增加各类型的位移传感器，进一步增加控制精度。PLC控制系统以其良好的稳定性，可适用于各种生产环境，编程语言可根据现场环境和动作需求修改语言，适用各类生产线需求，实用性强。

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图8 工件由工位2传送至传送带或者废料箱的PLC梯形图

参考文献

[1] 刘胜利.基于工业视觉的轴承尺寸在线检测技术[D].西安：西安工业大学，2014.

[2]李灿灿，黄星德.气动机械手PLC控制部分设计[J].三峡大学学报，2010（4）：74?76.

[3] 孟雷.可编程序控制器（PLC）选用时的问题与对策[J].内江科技，2007（5）：100?101.

[4] 杨阳，蒋先刚.基于图像分析的滚动轴承表面缺陷识别技术研究[J].华东交通大学报，2008，25（6）：41?46.

[5] 陈洁.现代PLC控制技术与发展[J].精密制造与自动化，2004（4）：48?49.

[6]朱梅.液压与气压技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[7] 张晓明.基于CCD的小轴径零件全自动测量系统研究[D].西安：西安理工大学，2011.

[8] 贾伯年.传感器技术[M].南京：东南大学出版社，2007.

[9] 王冬青.可编程控制器及原理[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[10] 黄伟，胡青龙.机械手PLC控制系统设计[J].机电工程技术，2008（11）：91?95.

图3 图像采集平台

2  PLC控制系统电路设计

该电气控制系统有2个启停信号控制按钮、9个限位开关和2个光电开关。共13个开关量输入信号，11个开关量输出信号，共同控制着机械手的运行。

2.1  PLC电路设计

CPM1A?X40DT?D外部接线图如图4所示。

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图4 CPM1A?X40DT?D外部接线图

2.2  PLC I/O口分配

PLC输入/输出端口分配如表1所示。

表1 PLC输入/输出端口分配

[输入＼&；＼&；输出＼&；＼&；0.00＼&；开始＼&；10.00＼&；机械手上行＼&；0.01＼&；停止＼&；10.01＼&；机械手下行＼&；0.02＼&；机械手上限为传感器＼&；10.02＼&；机械手右行＼&；0.03＼&；机械手到位传感器＼&；10.03＼&；机械手左行＼&；0.04＼&；机械手下限位传感器＼&；10.04＼&；气爪夹紧＼&；0.05＼&；机械手右限位传感器＼&；10.05＼&；气爪松开＼&；0.06＼&；机械手左限位传感器＼&；10.06＼&；载物台右旋＼&；0.07＼&；机械手中间限位传感器＼&；10.07＼&；CCD1拍摄＼&；0.08＼&；气爪压力传感器＼&；11.00＼&；CCD2拍摄＼&；0.09＼&；工位1工件检测传感器＼&；11.01＼&；报警＼&；1.00＼&；工位2工件检测传感器＼&；11.02＼&；紧急停止＼&；1.01＼&；工件合格信号＼&；＼&；＼&；1.02＼&；工件不合格信号＼&；＼&；＼&；1.03＼&；传送带光电传感器1＼&；＼&；＼&；1.04＼&；传送带光电传感器2＼&；＼&；＼&；]

3  PLC控制程序设计

可编程控制器编程语言中，梯形图语言是应用最广泛的一种编程语言，也是最能直观表达电气控制原理的编程语言[2]。本文使用OMRON的CX?Programs梯形图编辑器建立PLC程序。当工位1检测到工件后，机械手将工位1上的工件夹持至工位2.CCD相机对工位2上的工件拍摄检测完成后，将合格与否的信号传送至PLC，当工件合格时，机械手将工件夹持至传送带，不合格时，机械手将工件夹持至废料箱。图5和图6为轴承由工位1传送至工位2的运行流程图及相应的PLC梯形图。

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图5 工件由工位1传送至工位2运行流程图

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图6 工件由工位1传送至工位2的PLC梯形图

图7和图8为轴承由工位2传送至传送带或者废料箱的运行流程图及相应的PLC梯形图。

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图7 工件由工位2传送至皮带或者废料箱运行流程图

4  结  语

经初步运行调试，轴承在线自动检测系统可以满足工业现场轴承检测的基本需求。本文PLC梯形图采用顺序法编程，执行效率较低，需要深入学习编程经验，简化程序。PLC有较多的输入输出口余留，可增加各类型的位移传感器，进一步增加控制精度。PLC控制系统以其良好的稳定性，可适用于各种生产环境，编程语言可根据现场环境和动作需求修改语言，适用各类生产线需求，实用性强。

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图8 工件由工位2传送至传送带或者废料箱的PLC梯形图

参考文献

[1] 刘胜利.基于工业视觉的轴承尺寸在线检测技术[D].西安：西安工业大学，2014.

[2]李灿灿，黄星德.气动机械手PLC控制部分设计[J].三峡大学学报，2010（4）：74?76.

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[4] 杨阳，蒋先刚.基于图像分析的滚动轴承表面缺陷识别技术研究[J].华东交通大学报，2008，25（6）：41?46.

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[9] 王冬青.可编程控制器及原理[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[10] 黄伟，胡青龙.机械手PLC控制系统设计[J].机电工程技术，2008（11）：91?95.

图3 图像采集平台

2  PLC控制系统电路设计

该电气控制系统有2个启停信号控制按钮、9个限位开关和2个光电开关。共13个开关量输入信号，11个开关量输出信号，共同控制着机械手的运行。

2.1  PLC电路设计

CPM1A?X40DT?D外部接线图如图4所示。

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图4 CPM1A?X40DT?D外部接线图

2.2  PLC I/O口分配

PLC输入/输出端口分配如表1所示。

表1 PLC输入/输出端口分配

[输入＼&；＼&；输出＼&；＼&；0.00＼&；开始＼&；10.00＼&；机械手上行＼&；0.01＼&；停止＼&；10.01＼&；机械手下行＼&；0.02＼&；机械手上限为传感器＼&；10.02＼&；机械手右行＼&；0.03＼&；机械手到位传感器＼&；10.03＼&；机械手左行＼&；0.04＼&；机械手下限位传感器＼&；10.04＼&；气爪夹紧＼&；0.05＼&；机械手右限位传感器＼&；10.05＼&；气爪松开＼&；0.06＼&；机械手左限位传感器＼&；10.06＼&；载物台右旋＼&；0.07＼&；机械手中间限位传感器＼&；10.07＼&；CCD1拍摄＼&；0.08＼&；气爪压力传感器＼&；11.00＼&；CCD2拍摄＼&；0.09＼&；工位1工件检测传感器＼&；11.01＼&；报警＼&；1.00＼&；工位2工件检测传感器＼&；11.02＼&；紧急停止＼&；1.01＼&；工件合格信号＼&；＼&；＼&；1.02＼&；工件不合格信号＼&；＼&；＼&；1.03＼&；传送带光电传感器1＼&；＼&；＼&；1.04＼&；传送带光电传感器2＼&；＼&；＼&；]

3  PLC控制程序设计

可编程控制器编程语言中，梯形图语言是应用最广泛的一种编程语言，也是最能直观表达电气控制原理的编程语言[2]。本文使用OMRON的CX?Programs梯形图编辑器建立PLC程序。当工位1检测到工件后，机械手将工位1上的工件夹持至工位2.CCD相机对工位2上的工件拍摄检测完成后，将合格与否的信号传送至PLC，当工件合格时，机械手将工件夹持至传送带，不合格时，机械手将工件夹持至废料箱。图5和图6为轴承由工位1传送至工位2的运行流程图及相应的PLC梯形图。

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图5 工件由工位1传送至工位2运行流程图

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图6 工件由工位1传送至工位2的PLC梯形图

图7和图8为轴承由工位2传送至传送带或者废料箱的运行流程图及相应的PLC梯形图。

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图7 工件由工位2传送至皮带或者废料箱运行流程图

4  结  语

经初步运行调试，轴承在线自动检测系统可以满足工业现场轴承检测的基本需求。本文PLC梯形图采用顺序法编程，执行效率较低，需要深入学习编程经验，简化程序。PLC有较多的输入输出口余留，可增加各类型的位移传感器，进一步增加控制精度。PLC控制系统以其良好的稳定性，可适用于各种生产环境，编程语言可根据现场环境和动作需求修改语言，适用各类生产线需求，实用性强。

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图8 工件由工位2传送至传送带或者废料箱的PLC梯形图

参考文献

[1] 刘胜利.基于工业视觉的轴承尺寸在线检测技术[D].西安：西安工业大学，2014.

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[3] 孟雷.可编程序控制器（PLC）选用时的问题与对策[J].内江科技，2007（5）：100?101.

[4] 杨阳，蒋先刚.基于图像分析的滚动轴承表面缺陷识别技术研究[J].华东交通大学报，2008，25（6）：41?46.

[5] 陈洁.现代PLC控制技术与发展[J].精密制造与自动化，2004（4）：48?49.

[6]朱梅.液压与气压技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[7] 张晓明.基于CCD的小轴径零件全自动测量系统研究[D].西安：西安理工大学，2011.

[8] 贾伯年.传感器技术[M].南京：东南大学出版社，2007.

[9] 王冬青.可编程控制器及原理[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[10] 黄伟，胡青龙.机械手PLC控制系统设计[J].机电工程技术，2008（11）：91?95.