電機云母槽自動下刻機研究

西南交通大學機械工程學院 四川成都 611756

摘要：利用CCD圖像處理技術，來采集圖像信息，將采集到的信息進行灰度處理，從而辨別電機上的云母和銅片，控制牛頭刨實現自動切削，切削深度以及切削誤差由霍爾傳感器進行檢測

關鍵詞：牽引電機；自動下刻；CCD圖像處理

引言

牽引電動機的工作原理與一般直流電動機相同，但有特殊的工作條件：空間尺寸受到軌距和動輪直徑的限制；在機車運行通過軌縫和道岔時要承受相當大的沖擊振動；大、小齒輪嚙合不良時電樞上會產生強烈的扭轉振動；在惡劣環境中運用，雨、雪、灰沙容易侵入等。電刷與電機上的銅片長時間接觸后會造成銅片的磨損，使電機在使用過程中產生嚴重的電火花。所以牽引電機需要經常性的維修，其維修的一項重要內容就是對換向器云母槽進行刻削。由于牽引電機云母槽數量多、硬度高、寬度不均，不能采用均勻分度方式找槽加工。因此，云母槽刻削經歷從人工找槽人工鋸削，但由于人工找槽效率低，精度低，且浪費材料，降低了電機的使用壽命，故設計自動下刻機解決上述問題。

1自動下刻機所應用器件的基本原理

（1）牛頭刨

滑枕帶著刨刀，作直線住復運動的刨床，因滑枕前端的刀架形似牛頭而得名。牛頭刨床主要用于單件小批生產中刨削中小型工件上的平面、成形面和溝槽。中小型牛頭刨床的主運動（見機床）大多采用曲柄搖桿機構（見曲柄滑塊機構）傳動，故滑枕的移動速度是不均勻的。大型牛頭刨床多采用液壓傳動，滑枕基本上是勻速運動。滑枕的返回行程速度大于工作行程速度。由于采用單刃刨刀加工，且在滑枕回程時不切削，牛頭刨床的生產率較低。

（2）霍爾傳感器

原理簡述如下：激勵電流 I 從 a、b 端流入，磁場 B 由正上方作用于薄片，這時電子 e 的運動方向與電流方向相反，將受到洛侖茲力 FL 的作用，向內側偏移，該側形成電子的堆積，從而在薄片的 c、d 方向產生電場 E。電子積累得越多，FE 也越大，在半導體薄片 c、d 方向的端面之間建立的電動勢 EH 就是霍爾電勢。

（3）光電傳感器

光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。

光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發送器、接收器和檢測電路。

發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源，發光二極管（LED）、激光二極管及紅外發射二極管。光束不間斷地發射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。此外，光電開關的結構元件中還有發射板和光導纖維。三角反射板是結構牢固的發射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義

（4）CCD圖像傳感器

一個完整的CCD器件由光敏單元、轉移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成.CCD工作時，在設定的積分時間內由光敏單元對光信號進行取樣，將光的強弱轉換為各光敏單元的電荷多少.取樣結束后各光敏元電荷由轉移柵轉移到移位寄存器的相應單元中.移位寄存器在驅動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉移到輸出端.將輸出信號接到示波器、圖象顯示器或其它信號存儲、處理設備中，就可對信號再現或進行存儲處理.由于CCD光敏元可做得很小（約10um），所以它的圖象分辨率很高.

2.自動下刻機設計思路以及解決方法

（1）牛頭刨如何找槽

由于牽引電機云母槽數量多、硬度高、寬度不均，不能采用均勻分度方式找槽加工，所以必須找到一種裝置自動識別云母片與銅片的位置。由于云母片與銅片的顏色不同，反射光的波長也不同，故可利用光電傳感器接受反射光，通過分析光強的差別從而區分云母片與銅片。將采集的信號傳入到工控機中從而控制牛頭刨進行切削。

（2）如何控制下刻深度

可以用步進電機帶動牛頭刨進行下刻，每一個槽僅使用一次下刻會使牛頭刨的刨刀承受的切削力過大，造成臺床的震動，以及會影響刨刀的使用壽命。所以采用每一槽下刻三次，從而減小切削力。在刨床上安裝一個霍爾傳感器，檢測牛頭刨什么時候回刀，檢測到后進行下次下刻，直到滿足要求。再次將刻刀提起，進行下一次找槽。

（3）如何解決下刻深度不同的問題

由于步進電機存在丟步越步的問題，帶動牛頭刨下刻的過程中難以保證下刻精度，所以需要安裝一個光電傳感器，牛頭刨第一次下刻后，由光電傳感器檢測下刻深度，第一次的下刻誤差由第二次下刻進行補償，再進行第三次的下刻誤差就很小了，下課精度高達0.04mm。

（4）如何解決油污影響光電傳感器精度問題

由于電機經常被油污污染，使光電傳感器無法準確區別云母片與銅片，造成切削的誤差。故可采用CCD圖像處理傳感器拍攝電機表面的圖像，經過灰度處理，使銅片與云母片的區別更大，從而辨別出云母片與銅片，減小切削誤差。但如果拍攝的面積很大，圖像處理的時間將很長。由于云母片與銅片是成條排列的，故可只拍攝一小部分，區別出一小部分的云母和銅片就可以區別出要切削部分的云母與銅片。這樣可以減小像素處理時間，提高速度。

3缺點及改進

（1）由于光電傳感器對光線有要求，而自然光的強度隨著時間而變化，有時當光線改變時，自動下刻機甚至不工作，所以需要在機器上安裝一個臺燈，保證光線的充足。（2）自動下刻機下刻云母時，由于下刻速度很快，造成云母粉末到處飛揚，而云母對人的身體有害，所以要在機器上安裝一個吸塵器，保證工人師傅的身體健康。

4總結

該自動下刻機測控系統引入CCD圖像，可實現對云母片與銅片的精確辨別，利用步進電機帶動牛頭刨進行下刻。同時利用霍爾傳感器檢測回刀位置，利用光電傳感器檢測下刻深度，產生的誤差有第二次進行補償，從而實現精確自動下刻，解決了人工下刻機效率低，難度大，精度不高等問題，使生產效率極度提高。

參考文獻：

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