重力滾道下柱體缺陷檢測系統的PLC 控制設計

劉新波， 雷愷鴿， 李 冬

（1.邵陽學院多電源地區(qū)電網運行與控制湖南省重點實驗室， 湖南 邵陽 422000；2.邵陽學院高效動力系統智能制造湖南省重點實驗室， 湖南 邵陽 422000）

0 引言

柱形滾子廣泛應用在精密機械運動部件中， 其表面質量直接影響部件的運動精度、動態(tài)性能和壽命[1]，因而要求表面精度極高； 此類零件作為基礎件， 生產數量巨大，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，表面可能出現雜質、小點、劃傷等微小的表面缺陷[3]，這些缺陷會影響整個機械部件的運動性能。 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。

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

1 雙相機柱形滾子輸送原理與系統結構

1.1 重力滾道設計

（1）分析最下方滾動體在純滾動狀態(tài)下的受力情況。

該對象共受五個力的作用，分別是：

重力：G=mg；

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

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

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

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

滑道對第N 個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；f2—鋼柱之間的動摩擦系數；m—單個鋼柱的重量；θ—滑道與水平線的夾角。

不滑動條件：

假設單個滾子在滑道上不滑動，即mgsin（θ）

通常情況下，f1，f2均小于1，可見，當單個滾子在滑道上不產生滑動時，理論上，當若干個滾子在其上運動時，最下方的滾子仍然不會有滑動。

反之， 假設單個滾子在滑道上滑動， 即mgsin （θ）>f1mgcos（θ）

則不等式（1）的解為：

可見，當單個滾子在滑道上產生滑動，理論上，當若干個滾子在其上運動時，最下方的滾子必然會滑動。

在滿足不滑動的條件，即mgsin（θ）

滾動條件：

其解為：

通常情況下，f1，f2均小于1，且由于sin（θ）

綜合不滑動條件和滾動條件， 得出最下方滾動體的純滾動條件為：sin（θ）

（2）分析最中間滾動體在純滾動狀態(tài)下的受力情況。

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

該對象共受七個力的作用，分別是：

重力：G=mg；

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

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

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

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

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

滑道對第N 個滾子的最大滾動摩擦力：

不滑動條件：

假設單個滾子在滑道上不滑動，即mgsin（θ）

通常情況下，f1，f2均小于1，且大于0，可見，當mgsin（θ）

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

1.2 系統結構

柱形滾子經重力軌道傳輸到拍照檢測位， 相機拍攝柱形滾子采集圖像[6]，傳輸到計算機，分析柱形滾子的表面信息。 根據分析結果通過PLC 控制系統[7]控制氣嘴將柱形滾子分類到不同區(qū)域。 機械結構如圖3 所示。

圖3 重力滾道下柱體缺陷檢測系統機械結構Fig.3 The mechanical structure of cylinder defect detection system under gravity raceway

其中1 為CCD 相機，2、3、4、5 為調節(jié)螺釘，3 為高度調節(jié)螺釘，4、5 為水平調節(jié)螺釘，2 為傾斜調節(jié)螺釘。 滾子到達拍照檢測位10 時，相機拍攝其照片，通過計算機處理傳輸出OK 或NG 信號，若為OK 信號，不觸發(fā)任何動作，柱形滾子進入9 合格品收納箱；若為NG 信號，當柱形滾子到達10 氣嘴位，PLC 控制氣嘴吹起使柱形滾子經過位置8 路徑進入7 不合格收納箱。 實現柱形滾子的合格不合格分級。

重力滾道下柱體缺陷檢測系統的系統框圖如圖4 所示， 主要包含雙相機視覺處理系統、 控制系統和機械系統。 入料、到位和出料是自動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結構框圖Fig.4 The mechanical structure block diagram of cylinder defect detection system under gravity raceway

2 控制系統軟件設計

連接外界電網并檢測無誤后下載程序， 開始進行對氣調試，程序流程如圖5 所示。

啟動設備，入料感應到柱形滾子，通過拍照感應后，觸發(fā)相機拍照，將拍照結果傳送給CPU。 CPU收到拍照結果，進入移位程序塊；程序塊中移位個數在10～20 個，根據滾動條可載滾子個數設置，拍照位得到的拍照信號一直移位到最后移位，最后一位若為OK 則順利進入合格區(qū)； 若最后一位為NG 信號， 后將控制氣嘴，將不合格品吹送至不合格收納箱。

通過設定拍照柱形滾子位數，如果柱形滾子位數到達設置個數，且儲存結果為不合格時開啟吹氣功能，待吹氣延時到達后關閉吹氣，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 中的吹氣時長、拍照后預留滾子個數進行設置。 吹氣時長最小單位采用ms，一般設置值為2000。拍照后預留滾子個數最低為10 個， 最高為20個。 在圖8 中可以看到系統的I/O 運行狀態(tài)，相機拍照處理后的信號為拍照OK 顯示為綠色，信號為NG 顯示為紅色。若各感應器功能正常，整體控制功能啟動，則進行現場調試、聯機調試、脫機調試，確認無誤后即可投入使用。

圖8 運行界面圖Fig.8 The running interface diagram

4 結論

本文將重力軌道與PLC 自動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。經過實驗發(fā)現，該系統能夠實現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。