基于機器視覺的微動開關正反面外觀檢測與分揀系統的設計與實現

陳龍燦

摘 要：微動開關是具有速動機構及微小觸點間隙的精密機械電氣開關。微動開關在制造過程中因外殼注塑、引腳沖壓等異常，會出現部分外觀不合格產品。這些外觀不良品除影響銷售外，還會影響產品的正常使用和壽命，一旦流入市場，所造成的負面影響非常大。因此，微動開關的外觀檢測成為企業生產過程中的一個重要環節。本文就基于機器視覺的微動開關正反面外觀檢測與分揀系統的設計與實現展開探討。

關鍵詞：機器視覺;微動開關;外觀檢測

引言

微動開關是一種施壓促動的快速轉換開關，因為其開關的觸點間距比較小，故名微動開關。微動開關在需頻繁換接電路的設備中進行自動控制及安全保護等，廣泛應用在電子設備、儀器儀表、礦山、電力系統、家用電器、電器設備，以及航天、航空、艦船、導彈、坦克等軍事領域。

1微動開關結構設計和工作原理

（1）微動開關結構設計。基于Catia軟件建立了微動開關的三維數模，微動開關的剖視圖。該微動開關主要由彈片、預壓件、按鈕、常閉端觸點、常開端觸點、上殼體和下殼體等結構組成。在預壓件上設計有兩個V形槽結構，彈片弓形結構預緊安裝在V形槽內，通過調整V形槽之間的間距，可以調整彈片的預壓量。在上殼體上設計有導向孔，按鈕裝配在導向孔內，保證按鈕只能上下運動，通過調整導向孔位置，可以調整按鈕下壓彈片的位置。彈片端部焊接有上下兩個觸點。（2）微動開關工作原理。彈片自由和安裝狀態時，通過預壓件的V形槽預壓彈簧，使彈片的上觸點和常閉端觸點之間保持一定的接觸力。當在按鈕上施加力時，按鈕沿著導向孔向下運動下壓彈片，當彈片變形到一定程度時，彈片上觸點和常閉端觸點斷開，繼續下壓彈片，彈片下觸點和常開端觸點接觸，微動開關另外一測功能接通。在下壓按鈕的過程中，施加在按鈕上的操作力是隨下壓量變化而變化的，反饋給操作者一定的手感。當松開按鈕時，彈片會自動回彈，恢復到初始安裝狀態，彈片上觸點與常閉端觸點接通。通過這一系列的動作，微動開關完成了一次上通→上斷→下通→下斷→上通的功能循環。可以看出，彈片預壓量和操作按鈕位置直接影響微動開關的靜、動態力學特性。

2系統整體設計

檢測系統主要由供料單元、2個輸送單元、2個視覺檢測單元、轉移單元、翻轉單元等構成。系統工作過程：微動開關從供料單元出來后，以正面朝上的姿態進入第1輸送線，經第1視覺單元觸發拍照并檢測，不合格品立即被吹入第1不合格收集區，合格品繼續被往前輸送，由轉移單元送入翻轉單元，經翻轉單元一邊輸送和一邊翻轉，微動開關以反面朝上的姿態進入第2輸送線，經第2視覺單元觸發拍照并檢測，不合格品立即被吹入第2不合格收集區，合格品繼續被往前輸送，最終落入合格品收集區。按照上述設計思路，基于Solidworks三維建模工具，設計出檢測系統整體三維結構。其中，采用振動盤作為供料單元，采用平帶傳動機構作為輸送線，采用歐姆龍圖像檢測系統作為視覺單元，設計了轉移單元和翻轉單元。翻轉單元采用直振送料器的推進力和3D打印的曲面翻轉軌道的引導作用，實現了邊輸送邊翻轉微動開關的目的，翻轉過程中無需夾持或吸附微動開關，因而避免了二次夾傷微動開關或對微動開關表面造成其他影響的風險。選用PLC作為整個系統的中央控制器，協調各個單元的動作。

3PLC控制系統設計

3.1PLC控制系統

微動開關自動篩選排序裝置的控制系統采用PLC控制器。PLC工作可靠性高，抗干擾能力強，使用、維護方便，使它在目前的流水線自動分選系統中得到了廣泛應用

3.2控制程序設計

由于輸送線上微動開關進入相機視野的情況復雜多變，當觸發傳感器感應到微動開關到來時，可能圖像傳感器的控制器還處于上一個產品的檢測忙碌狀態，不能接收新的檢測命令;或者前一個微動開關還處于吹氣觸發傳感器的位置，未離開相機視野;另外，觸發傳感器有時候還會存在幾毫秒的信號抖動等干擾。因此，不能簡單地由觸發傳感器直接給圖像傳感器的控制器發送檢測命令。考慮到上述復雜情況，將拍照觸發傳感器信號接入PLC，由PLC給圖像傳感器控制發送檢測命令，并控制吹氣噴頭吹除不合格的微動開關。

3.3裝配和操作過程參數設置

在裝配過程準靜態模擬計算時，設定較小的分析步，保證彈片上觸點和常閉端觸點之間的接觸計算能夠順利收斂。在裝配過程計算完成后，可以得到彈片上觸點和常閉端觸點之間的接觸力。當模擬按鈕下壓過程時，在按鈕上施加1mm向下的位移，施加在按鈕上的操作力可以通過查看節點反力的方法推導，彈片下觸點和常開端觸點之間的接觸力也可以以此方法推導。仿真計算中，通過調整V形槽的位置改變彈片預壓量，彈片預壓量，由Δ表示。以預壓件的左側V形槽為參考位置，以按鈕與參考位置的垂直距離D定義按鈕的位置。

3.4重量測試原理

微動開關體積小、重量輕，其重量測量精度要求比較高，采用測量精度為±0.01g的電子天平進行測量。為提高微動開關測試效率，在完成微動開關的行程、力、回跳時間、接觸電阻測量后，控制系統驅動機械手抓取裝置將夾具中的微動開關抓取至稱重位置，以測量微動開關的重量。

3.5仿真及設計效果檢驗

為了驗證此裝置的設計效果，以各關鍵結構尺寸為準，制作樣機，底座采用塑料模具拼接而成。偏心電機提供振動。利用樣機進行排序效果檢驗，其排序效果符合預定的設計，且行駛平穩。自動定向排序策略的選擇和裝置參數的優化還有待于進一步研究。

結語

隨著國家對制造型企業產品質量提升工程的不斷推廣，以及企業自身對生產自動化水平和“機器換人”要求的不斷提升，機器視覺技術在產品外觀質量檢測上的應用將會越來越廣泛。該文基于機器視覺、PLC電氣控制和機械等多學科交叉的技術，設計并研制出了一套微動開關正反面外觀檢測系統。該系統能夠實現自動翻轉微動開關并檢測其外觀質量，剔除不合格品，全過程無需人為干預，自動化程度高。實際應用結果表明，設備運行流暢，不會卡料;檢測效率高，達到每分鐘70多個;視覺檢測準確率高，不存在誤判情況。該系統解決了原來人工檢測作業的諸多不足，具有很好的推廣應用價值。

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基金項目：重慶市教育委員會科學技術研究項目（KJQN201802401）;大學生創新創業訓練計劃項目（201713627009）。