電機(jī)云母槽自動(dòng)下刻機(jī)研究

西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 四川成都 611756

摘要：利用CCD圖像處理技術(shù)，來采集圖像信息，將采集到的信息進(jìn)行灰度處理，從而辨別電機(jī)上的云母和銅片，控制牛頭刨實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切削，切削深度以及切削誤差由霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)

關(guān)鍵詞：牽引電機(jī)；自動(dòng)下刻；CCD圖像處理

引言

牽引電動(dòng)機(jī)的工作原理與一般直流電動(dòng)機(jī)相同，但有特殊的工作條件：空間尺寸受到軌距和動(dòng)輪直徑的限制；在機(jī)車運(yùn)行通過軌縫和道岔時(shí)要承受相當(dāng)大的沖擊振動(dòng)；大、小齒輪嚙合不良時(shí)電樞上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；在惡劣環(huán)境中運(yùn)用，雨、雪、灰沙容易侵入等。電刷與電機(jī)上的銅片長(zhǎng)時(shí)間接觸后會(huì)造成銅片的磨損，使電機(jī)在使用過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的電火花。所以牽引電機(jī)需要經(jīng)常性的維修，其維修的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是對(duì)換向器云母槽進(jìn)行刻削。由于牽引電機(jī)云母槽數(shù)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(jīng)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(fèi)材料，降低了電機(jī)的使用壽命，故設(shè)計(jì)自動(dòng)下刻機(jī)解決上述問題。

1自動(dòng)下刻機(jī)所應(yīng)用器件的基本原理

（1）牛頭刨

滑枕帶著刨刀，作直線住復(fù)運(yùn)動(dòng)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(chǎn)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(yùn)動(dòng)（見機(jī)床）大多采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（見曲柄滑塊機(jī)構(gòu)）傳動(dòng)，故滑枕的移動(dòng)速度是不均勻的。大型牛頭刨床多采用液壓傳動(dòng)，滑枕基本上是勻速運(yùn)動(dòng)?；淼姆祷匦谐趟俣却笥诠ぷ餍谐趟俣?。由于采用單刃刨刀加工，且在滑枕回程時(shí)不切削，牛頭刨床的生產(chǎn)率較低。

（2）霍爾傳感器

原理簡(jiǎn)述如下：激勵(lì)電流 I 從 a、b 端流入，磁場(chǎng) B 由正上方作用于薄片，這時(shí)電子 e 的運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反，將受到洛侖茲力 FL 的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，該側(cè)形成電子的堆積，從而在薄片的 c、d 方向產(chǎn)生電場(chǎng) E。電子積累得越多，F(xiàn)E 也越大，在半導(dǎo)體薄片 c、d 方向的端面之間建立的電動(dòng)勢(shì) EH 就是霍爾電勢(shì)。

（3）光電傳感器

光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制的。

光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。

發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管（LED）、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)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(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實(shí)用意義

（4）CCD圖像傳感器

一個(gè)完整的CCD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成.CCD工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)由光敏單元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少.取樣結(jié)束后各光敏元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中.移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端.將輸出信號(hào)接到示波器、圖象顯示器或其它信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，就可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處理.由于CCD光敏元可做得很?。s10um），所以它的圖象分辨率很高.

2.自動(dòng)下刻機(jī)設(shè)計(jì)思路以及解決方法

（1）牛頭刨如何找槽

由于牽引電機(jī)云母槽數(shù)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(dòng)識(shí)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(zhǎng)也不同，故可利用光電傳感器接受反射光，通過分析光強(qiáng)的差別從而區(qū)分云母片與銅片。將采集的信號(hào)傳入到工控機(jī)中從而控制牛頭刨進(jìn)行切削。

（2）如何控制下刻深度

可以用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)牛頭刨進(jìn)行下刻，每一個(gè)槽僅使用一次下刻會(huì)使牛頭刨的刨刀承受的切削力過大，造成臺(tái)床的震動(dòng)，以及會(huì)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(gè)霍爾傳感器，檢測(cè)牛頭刨什么時(shí)候回刀，檢測(cè)到后進(jìn)行下次下刻，直到滿足要求。再次將刻刀提起，進(jìn)行下一次找槽。

（3）如何解決下刻深度不同的問題

由于步進(jìn)電機(jī)存在丟步越步的問題，帶動(dòng)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(gè)光電傳感器，牛頭刨第一次下刻后，由光電傳感器檢測(cè)下刻深度，第一次的下刻誤差由第二次下刻進(jìn)行補(bǔ)償，再進(jìn)行第三次的下刻誤差就很小了，下課精度高達(dá)0.04mm。

（4）如何解決油污影響光電傳感器精度問題

由于電機(jī)經(jīng)常被油污污染，使光電傳感器無法準(zhǔn)確區(qū)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(jī)表面的圖像，經(jīng)過灰度處理，使銅片與云母片的區(qū)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(shí)間將很長(zhǎng)。由于云母片與銅片是成條排列的，故可只拍攝一小部分，區(qū)別出一小部分的云母和銅片就可以區(qū)別出要切削部分的云母與銅片。這樣可以減小像素處理時(shí)間，提高速度。

3缺點(diǎn)及改進(jìn)

（1）由于光電傳感器對(duì)光線有要求，而自然光的強(qiáng)度隨著時(shí)間而變化，有時(shí)當(dāng)光線改變時(shí)，自動(dòng)下刻機(jī)甚至不工作，所以需要在機(jī)器上安裝一個(gè)臺(tái)燈，保證光線的充足。（2）自動(dòng)下刻機(jī)下刻云母時(shí)，由于下刻速度很快，造成云母粉末到處飛揚(yáng)，而云母對(duì)人的身體有害，所以要在機(jī)器上安裝一個(gè)吸塵器，保證工人師傅的身體健康。

4總結(jié)

該自動(dòng)下刻機(jī)測(cè)控系統(tǒng)引入CCD圖像，可實(shí)現(xiàn)對(duì)云母片與銅片的精確辨別，利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)牛頭刨進(jìn)行下刻。同時(shí)利用霍爾傳感器檢測(cè)回刀位置，利用光電傳感器檢測(cè)下刻深度，產(chǎn)生的誤差有第二次進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)精確自動(dòng)下刻，解決了人工下刻機(jī)效率低，難度大，精度不高等問題，使生產(chǎn)效率極度提高。

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