插接件视觉检测中自动送料排序装置设计

苏晨 张杨 李萍 刘娇娇

摘要：针对插接件质轻、形体小、精密度高、形状多样等特点，为提高检测工作的效率和可靠性，以 Micro-USB型插接件为例设计自动送料排序装置，采用振动器配合排序机构实现对散料按指定面与方位有序排列。该装置通过对螺旋料槽振动频率和振幅、沟槽深度和角度以及其他部分的设计计算，多种手段并用，达到对原料筛选和定向排序的目的。

关键词：送料排序；振动器；Micro-USB；视觉检测

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）11-2749-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.050

Designs of Automatic Feeding and Sorting Device for Connectors in Visual Inspection

SU Chen， ZHANG Yang， LI Ping， LIU Jiao-jiao

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： Connectors are usually light weight，small body，high precision，shape diversity and so on，in order to improve the efficiency and reliability of the inspection work， the device of automatic feeding and sorting in the practice of Micro-USB adopts a vibrator and sorting mechanism to realize the orderly arrangement of the bulk material in the specified surface. The device is based on depth， angle，vibration frequency and amplitude of the spiral groove，and the use of various methods to achieve the purpose of screening and directed sequencing.

Key words： feeding and sorting； vibrator； Micro-USB； visual inspection

随着科技的进步以及人工成本的不断增加，传统的人工质检效率低下，早已不能满足电子插接件行业的发展，因此需要利用机器视觉检测来满足电子插接件检测上速度与精度的要求。由于插接件产品一般形体小、精密度高、制造速度快[1]，现有的自动送料装置很难满足电子插接件的送料排序要求。而送料的速度以及排序的准确率直接对整个机器视觉检测系统的效率、精度和可靠性产生影响。

1 自动送料排序装置设计原理

1.1 Micro-USB型插接件的结构及定向姿态

待定向零件的定向姿态是指零件经过整理后从料斗轨道输出的零件姿态。通过设计适合的料斗定向元件，在上料过程中零件由自然姿态转变为符合最终要求的定向姿态[2]。

Micro-USB型插接件的大小为13 mm×7 mm×3 mm，体积小、质量轻，其结构特点是整体较为规则，一端为阶梯形（图1）。为满足后续视觉检测的要求，自动送料排序装置需使大量堆积的插接件全部按一个状态和方向排序输送。插接件在进入料斗时的自然姿态可分为立式和平式（正反面不同均可视为该姿态）两种。由于插接件较扁平，送料时易于重叠，因此需要剔除重叠及立式的插接件。

根据插接件的结构特点以及振动原理，料斗中的散料在进入螺旋形沟槽时为列式前进（图2），为了便于视觉检测，插接件上的簧片需面向上，图1的主视图（下称其为正面）为辨别是否是正面在上，需将列式前进变为横式前进，再根据相应机构的设置辨别插接件的姿态，不符合要求的插接件均会被剔除回料斗重新排序，符合的将被输送到下一步工序进行视觉检测。

1.2 机构送料原理

振动式上料机是所有料斗式进料装置中最适合于小型工程零件的上料机。为实现插接件定向排序，选用螺旋式振动送料机，其结构主要由料盘、板弹簧、电磁振动器、底座及减振支脚等构件组成。如图3所示，振动送料机构中轨道为螺旋状式，零件沿着浅圆柱漏斗状和盘状料斗内壁上升。料盘由三片或四片板弹簧支撑，板弹簧以一定的斜度紧固在基座上，料盘下固定着衔铁。在电磁铁铁芯的线圈中，通入经过半波整流的单向脉动电流，电磁铁便产生一次相应的脉冲电磁力。由于电磁力是一个周期变化的强迫作用力，因此电磁式振动送料机构是一个以电磁力为周期干扰力的强迫振动系统[3]。

当电磁式振动送料机构采用不同的运动参数时，工件就在料槽上出现不同的运动形式。从理论上来说，只有正向滑动和抛掷运动对工件的送料才有实际意义。但由于运动参数的一些限制，在实际工作中上述几种运动形式可能有各种不同的组合形式。通过调节电磁铁的供给电压来改变料斗的振幅，从而使料斗以较高的送料率平稳送料。

2 振动送料机构参数的选择和计算

2.1 运动学参数的选择和计算

2.1.1 物料运动状态的选择 由于物料是不离开工作面向前滑动，那么物料与工作面并没有冲击，且噪音小，但工作面和物料接触面磨损较大。所以要想获得较高的输送速度则必须采用较大的振幅，然而电振机的振幅大小受电磁铁工作气隙的限制，因此电振给料机几乎不采用滑行运动这种方式。于是考虑采用抛掷运动[4]，而抛掷运动产生的条件：

D=■=Ksinβ （1）

D为抛掷指数；K为机械指数，代表机械振动强度。则产生抛掷运动的时间为：

ts=■arcos（-■） （2）

当D<1时，物料在整个振动周期中都在工作面上，不可能被抛起，只有相对滑动；当D=1时，物料的起点与落点重合；当D>1时，物料被连续抛掷，在槽体加速度垂直分量等于重力加速度负值的瞬间，物料开始被抛起，沿抛物线轨迹向前运动，经过一段时间此运动过程重复进行。通过物料的连续跳跃来实现物料连续向前运动。做抛掷运动时物料与槽体工作面接触时间很短，大部分时间呈跳离状态[5]，所以针对插接件的特性，电振机采用中速抛掷运动，抛掷指数选择D=2.7。

2.1.2 机构机械指数、振动次数和振幅的选择 机构机械指数K的选择主要受机构材料强度及物体刚度限制，通常K取2～6，此处选择K=2。振动次数i一般根据电振机激磁方式来决定，此处选择半波整流电振机n=3 000次/min。槽体振幅a1是根据物料的运动状态来决定的，其值可由式（3）[6]求出。

a1=■ （3）

在选择振动次数i和振幅a1时应满足许用机械指数[K]的要求，许用机械指数[K]一般取5～10。

2.1.3 机构振动方向角的选择 振动方向角β的选择有两个基本原则，一是要尽量提高输送速度，二是要考虑物料性质的要求。在振动幅与振动次数确定的情况下即K值一定时，物料输送速度v随振动方向角的变化而变化，那么对应于最大输送速度的β角则称为最佳振动方向角。当选择抛掷运动工作状态时，槽体在不同倾角α下对应于每个机械指数K就有一个最佳振动方向角βa。

2.2 主振弹簧参数选择

振动料斗的弹簧上端固定在直径为D的料斗圆周上，弹簧安装角φ=α+β=54°。弹簧安装方向应该向螺旋料槽升角的反方向倾斜，且弹簧的水平投影应切于料斗底部的固定点所在的圆。

主振弹簧通常采用板弹簧。板弹簧一般由65Mn材料制成的优质弹簧片叠装而成，其片数可以增减以达到给定的频率比。板弹簧经过淬火后，要求硬度HRC为40～42，热处理后弹簧片不允许有扭曲、夹渣、裂纹等缺陷。板弹簧叠片两端用螺栓压紧，其中一端与底盘用螺栓连接，另一端与上座用螺栓连接。对于板弹簧可以按照两端安全紧固的梁来计算截面，据此设计出板弹簧的有效长度为150 mm，宽度为35 mm，厚度为4 mm。

3 振动盘其他部分设计

3.1 上座的设计

上座是把激振力传给料斗的主要部件，它与料斗刚性连接在一起。上座连接着振动体和料盘，即上座的表面连接着衔铁，上表面通过螺栓与料斗连接在一起，因此上座是设计中很重要的一环。选用ZG275-485H为上座材料，此材料性能要强于ZG45铸钢件。在满足机械强度和刚度的前提下，应尽可能减轻重量。如图4所示，中间的通孔为M10螺栓孔，通过螺栓将其与料斗连接起来，上座的表面开4个M8螺纹通孔，位置与衔铁上螺孔的位置相同，用于和衔铁连接，加工时要保证加工精度，以保证安装精度。在上座的4个侧面分别有4个耳形连接耳，分别在4耳面上各开一个M8螺纹通孔，用于固定板弹簧。上座中开4个镂空正方形，既保证了强度又节约材料，减轻质量。

3.2 底座的设计

底座是固定电磁铁和板弹簧的基础零件，采用与上座同样的材料。其外径一般比料斗外径略大，这主要取决于板弹簧的固定方法及板弹簧在底座上的固定圆半径等，其厚度主要根据对重量的要求和所用材料的比重[7]。如图5所示，底盘的上表面有4个M8螺纹孔，位置与衔铁上螺孔的位置相同，用于通过与电磁铁连接的螺栓，侧面有4个M8螺纹孔，用于通过与板弹簧连接的螺栓，底面有3个螺纹孔，用于连接减振橡胶垫。

3.3 橡胶减振脚垫的设计

在振动设备的设计中，橡胶或者橡胶金属零件可用作减振器或者激振器的主弹簧。它与其他金属弹簧相比有以下特点：可以塑模成所需的形状与尺寸；可以根据设计要求随意选择三个方向的弹簧刚度；通过改变橡胶弹簧的内部构造，可以大幅度改变弹簧刚度；此外，由于橡胶具有较大的内摩擦，在共振或近共振工作时，其振幅不易出现浪涌现象。

4 小结

随着社会生产自动化的不断提高以及电子工业的发展，针对插接件视觉检测的自动化成为重要研究课题。自动送料排序机构作为生产线上一个不可缺少的环节，其各项性能对整个视觉检测的准确度影响越来越大。因此研究和推广基于插接件机器视觉技术的自动送料排序机构是大势所趋。参考国内外振动送料机构设计的最新研究成果，设计了一个基于Micro-USB型插接件视觉检测的自动送料排序机构，可达到对原料筛选和定向排序的目的。

参考文献：

[1] 赵大兴，彭 煜，孙国栋，等.高精度视觉测量系统中检测方法的研究[J].制造业自动化，2014，36（5）：25-27.

[2] 李 力.基于成组技术的振动上料系统计算机辅助设计的研究[D].江苏无锡：江南大学，2006.

[3] 黄 凤.电磁振动给料机振幅的自适应控制[D].南京：河海大学，2007.

[4] 阮文苏.双质体振动给料机动态设计研究[D].江苏徐州：中国矿业大学，2013.

[5] 郭志成.弹性连杆式振动输送机的动力学分析与优化设计[D].河北秦皇岛：燕山大学，2013.

[6] 闻邦椿.振动机械的理论与动态设计方法[M].北京：机械工业出版社，2002.

[7] 丁晓东.振动料斗的结构设计[J].电子机械工程，2007，23（6）：43-46.