重力滚道下柱体缺陷检测系统的PLC 控制设计

2020-03-08 09:49刘新波雷恺鸽
机电产品开发与创新 2020年1期
关键词:柱形柱体吹气

刘新波, 雷恺鸽, 李 冬

(1.邵阳学院多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室, 湖南 邵阳 422000;2.邵阳学院高效动力系统智能制造湖南省重点实验室, 湖南 邵阳 422000)

0 引言

柱形滚子广泛应用在精密机械运动部件中, 其表面质量直接影响部件的运动精度、动态性能和寿命[1],因而要求表面精度极高; 此类零件作为基础件, 生产数量巨大,因而要求检测效率极高[2]。由于加工工艺的不同,在柱形滚子加工的过程中,表面可能出现杂质、小点、划伤等微小的表面缺陷[3],这些缺陷会影响整个机械部件的运动性能。 因此,深入研究柱形滚子的缺陷检测方法,提高检测精度和检测效率,具有重要意义。

有学者采用单相机对柱体侧面进行局部成像和测量[4],这种成像方式要求圆柱体自旋转、多区域成像,结构复杂,检测效率难以满足柱形滚子的检测要求。 也有学者采用线阵CCD 的方式对圆柱体表面检测系统进行周向扫描测量[5], 这种检测方式并没有解决光泽表面图像采集难题,同时无法兼顾柱体两底面,且结构复杂,检测节拍慢。

1 双相机柱形滚子输送原理与系统结构

1.1 重力滚道设计

(1)分析最下方滚动体在纯滚动状态下的受力情况。

该对象共受五个力的作用,分别是:

重力:G=mg;

第N-1 个滚子对第N 个滚子的压力:F1=(N-1)mg[sin(θ)-f1cos(θ)];

图1 最下方滚动体自输送模型Fig.1 The self-conveying model of the bottom rolling element

第N-1 个滚子对第N 个滚子的滑动摩擦力:F2=(N-1)mgf2[sin(θ)-f1cos(θ)]

滑道对第N 个滚子的支持力:F3=mgcos (θ)+(N-1)mgf2[sin(θ)-f1cos(θ)]

滑道对第N 个滚子的最大滚摩擦力:F4={mgcos(θ)+(N-1)mgf2[sin(θ)-f1cos(θ)]}f1

其中,f1—滑道材料与钢柱的静摩擦系数;f2—钢柱之间的动摩擦系数;m—单个钢柱的重量;θ—滑道与水平线的夹角。

不滑动条件:

假设单个滚子在滑道上不滑动,即mgsin(θ)

通常情况下,f1,f2均小于1,可见,当单个滚子在滑道上不产生滑动时,理论上,当若干个滚子在其上运动时,最下方的滚子仍然不会有滑动。

反之, 假设单个滚子在滑道上滑动, 即mgsin (θ)>f1mgcos(θ)

则不等式(1)的解为:

可见,当单个滚子在滑道上产生滑动,理论上,当若干个滚子在其上运动时,最下方的滚子必然会滑动。

在满足不滑动的条件,即mgsin(θ)

滚动条件:

其解为:

通常情况下,f1,f2均小于1,且由于sin(θ)

综合不滑动条件和滚动条件, 得出最下方滚动体的纯滚动条件为:sin(θ)

(2)分析最中间滚动体在纯滚动状态下的受力情况。

图2 中间滚动体自输送受力模型Fig.2 The self-conveying force model of the middle rolling element

该对象共受七个力的作用,分别是:

重力:G=mg;

第K-1 个滚子对第K 个滚子的压力:F1=(K-1)mg[f1cos(θ)-sin(θ)];

第K-1 个滚子对第K 个滚子的滑动摩擦力:F2=(K-1)mgf2[f1cos(θ)-sin(θ)]

第K+1 个滚子对第K 个滚子的支持力:F5=Kmg[sin(θ)-f1cos(θ)]

第K+1 个滚子对第K 个滚子的滑动摩擦力:F6=Kmgf2[sin(θ)-f1cos(θ)]

滑道对第K 个滚子的支持力:F3=mgcos (θ)-mgf2[sin(θ)-f1cos(θ)]

滑道对第N 个滚子的最大滚动摩擦力:

不滑动条件:

假设单个滚子在滑道上不滑动,即mgsin(θ)

通常情况下,f1,f2均小于1,且大于0,可见,当mgsin(θ)

上述情况发生在假设摩擦系数f1和f2恒定下的的理论推导, 事实上, 在单个滚动体满足纯滚动条件的情况下,并行排列的滚动体由于下方滚速大于上方滚速,所有滚子在自由状态下并不会接触, 呈现出单滚动体的滚动特征。 只有滚动条件收到外部干扰,如滚动体的缺陷,滚道内部多余物、 或边界阻碍等将影响滚动体的受力,因此,在利用斜滚道实现滚动体的输送时,需要确保滚道清洁并具确保滚动体在滚动时没有边界阻碍,同时,采用满足tg(θ)

1.2 系统结构

柱形滚子经重力轨道传输到拍照检测位, 相机拍摄柱形滚子采集图像[6],传输到计算机,分析柱形滚子的表面信息。 根据分析结果通过PLC 控制系统[7]控制气嘴将柱形滚子分类到不同区域。 机械结构如图3 所示。

图3 重力滚道下柱体缺陷检测系统机械结构Fig.3 The mechanical structure of cylinder defect detection system under gravity raceway

其中1 为CCD 相机,2、3、4、5 为调节螺钉,3 为高度调节螺钉,4、5 为水平调节螺钉,2 为倾斜调节螺钉。 滚子到达拍照检测位10 时,相机拍摄其照片,通过计算机处理传输出OK 或NG 信号,若为OK 信号,不触发任何动作,柱形滚子进入9 合格品收纳箱;若为NG 信号,当柱形滚子到达10 气嘴位,PLC 控制气嘴吹起使柱形滚子经过位置8 路径进入7 不合格收纳箱。 实现柱形滚子的合格不合格分级。

重力滚道下柱体缺陷检测系统的系统框图如图4 所示, 主要包含双相机视觉处理系统、 控制系统和机械系统。 入料、到位和出料是自动控制模式下的主要工位。

图4 重力滚道下柱体缺陷检测系统结构框图Fig.4 The mechanical structure block diagram of cylinder defect detection system under gravity raceway

2 控制系统软件设计

连接外界电网并检测无误后下载程序, 开始进行对气调试,程序流程如图5 所示。

启动设备,入料感应到柱形滚子,通过拍照感应后,触发相机拍照,将拍照结果传送给CPU。 CPU收到拍照结果,进入移位程序块;程序块中移位个数在10~20 个,根据滚动条可载滚子个数设置,拍照位得到的拍照信号一直移位到最后移位,最后一位若为OK 则顺利进入合格区; 若最后一位为NG 信号, 后将控制气嘴,将不合格品吹送至不合格收纳箱。

通过设定拍照柱形滚子位数,如果柱形滚子位数到达设置个数,且储存结果为不合格时开启吹气功能,待吹气延时到达后关闭吹气,并循环该程序。

图5 主程序流程图Fig.5 The main program flow chart

3 控制系统测试

图6 顺序功能图Fig.6 The sequential function chart

图7 HMI 初始界面图Fig.7 The HMI initial interface diagram

对图7 中的吹气时长、拍照后预留滚子个数进行设置。 吹气时长最小单位采用ms,一般设置值为2000。拍照后预留滚子个数最低为10 个, 最高为20个。 在图8 中可以看到系统的I/O 运行状态,相机拍照处理后的信号为拍照OK 显示为绿色,信号为NG 显示为红色。若各感应器功能正常,整体控制功能启动,则进行现场调试、联机调试、脱机调试,确认无误后即可投入使用。

图8 运行界面图Fig.8 The running interface diagram

4 结论

本文将重力轨道与PLC 自动控制引入到柱形滚子的外观缺陷检测中,降低了检测成本,提高了柱形滚子的检测效率。经过实验发现,该系统能够实现重力滚道下柱形滚子的上下料和缺陷分类控制,具有良好的稳定性,满足了柱形滚子的检测要求。

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