電子插接件視覺檢測中次品自動剔除裝置設(shè)計

張 楊，孫國棟，梁永強，李 萍，胡 倩

（1.湖北工業(yè)大學 機械工程學院，武漢 430068；2.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，廈門 361023）

0 引言

次品自動剔除裝置作為電子插接件視覺檢測的重要組成部分，受電子插接件尺寸型號、檢測效率、測量精度以及成本高等條件限制，目前市場上的自動剔除裝置單一，還不能完全適應不同特性的產(chǎn)品，在執(zhí)行剔除動作時，很容易造成過早、過晚甚至不執(zhí)行的現(xiàn)象，這些均導致在生產(chǎn)插接件時，將合格品剔除或?qū)⒋纹氛`放到合格品中，長此下去會嚴重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。針對電子插接件體積較小、重量輕等特點，為提高剔除工作的準確性、安全性并考慮生產(chǎn)成本，結(jié)合機器視覺檢測的優(yōu)勢設(shè)計該剔除裝置，以提高電子插接件的檢測效率和測量精度，保證插接件產(chǎn)品質(zhì)量。

1 電子插接件視覺檢測原理

傳統(tǒng)意義上的檢測方式即步進電機驅(qū)動傳送帶的基礎(chǔ)傳輸平臺[1]適用于質(zhì)量均勻、體積較大的產(chǎn)品檢測。然而，大多數(shù)型號插接件的Pin腳數(shù)目在8～64之間，直徑均小于1mm，若采用傳統(tǒng)方法，則無法實現(xiàn)高精度和高速率的質(zhì)量檢測。為了提高測量精度和檢測速率，在插接件的質(zhì)檢環(huán)節(jié)必須采用分段檢測法，對于Pin腳數(shù)目小于30的插接件可分三段檢測，若數(shù)目大于30，可分四段甚至更多。因此，作圖像采集用的工作臺應該具有三段以上的間歇運動功能[2]。

圖1 插接件視覺檢測系統(tǒng)原理圖

基于機器視覺的插接件檢測系統(tǒng)主要由自動送料排序裝置、工業(yè)相機、圖像采集卡、PLC控制器、工控機、細分與輔助工作臺、電磁閥、剔除裝置和視覺檢測軟件等部分組成，其工作流程為：自動送料排序→圖像采集→圖像識別與處理→次品自動剔除。插接件視覺檢測系統(tǒng)原理（見圖1）：根據(jù)插接件尺寸型號、測量精度的實際需要，確定細分工作臺移動速度，調(diào)整相機位置、鏡頭角度、光照強度等影響圖像采集質(zhì)量的因素；待自動送料排序裝置將插接件送達指定位置后，PLC通過驅(qū)動器控制細分工作臺運動，觸發(fā)位置傳感器并將信號傳輸至兩臺面陣相機，由相機分別采集置于工作臺上的插接件圖像，通過工作臺的間歇運動實現(xiàn)對插接件圖像的分段采集；相機所采集的圖像經(jīng)圖像采集卡傳送至工控機，應用視覺檢測軟件依次對圖像進行檢測與測量處理；工控機將處理結(jié)果傳輸給PLC控制器，通過電磁閥控制剔除裝置剔除不合格的插接件，同時實現(xiàn)傳送帶速度檢測、剔除矯正以及故障報警等功能[2]。

2 自動剔除裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 剔除裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

在插接件的視覺檢測中，次品自動剔除裝置需依據(jù)控制器的脈沖信號執(zhí)行剔除動作[3]。為準確地執(zhí)行剔除動作，需結(jié)合插接件落入傳送帶的位置和執(zhí)行剔除動作的位置，再測量傳送帶的速度，得出從接收脈沖信號到剔除動作執(zhí)行的延時。另外清除次品插接件的方式有很多，如機械手，高壓噴嘴等，這些設(shè)計因素都會影響剔除裝置的執(zhí)行效率。

該裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由滑道、支架、傳送帶、聯(lián)軸器、電動機、光電傳感器、電磁閥、氣缸、毛刷、空氣壓縮機等部分組成，按照各自的功能可大致分為傳送機構(gòu)、氣動剔除機構(gòu)和剔除矯正機構(gòu)三部分。

2.1 傳送機構(gòu)設(shè)計

剔除裝置中的傳動機構(gòu)應解決插接件的平穩(wěn)輸送和故障急停等問題。由于傳動裝置所承受的載荷很小，不需要過載保護裝置且工作環(huán)境良好，精度較低，因此選用帶式運輸機。經(jīng)計算若選用同步轉(zhuǎn)速為1000r/min或1500r/min的電動機，則機構(gòu)的總傳動比i=40或60。顯然普通的異步電動機難以同時實現(xiàn)小功率和大的傳動比，故采用小功率電動機。帶式運輸機的具體參數(shù)如下：

1）電動機：25W小功率調(diào)速電機，速度在1～5米/分鐘可調(diào)；

2）機身尺寸（L×W×H）：300×80×40mm；

3）輸出軸直徑：14mm；

4）皮帶：2mm的PVC防靜電皮帶，無縫接口；

5）電源：AC 220V，1A。

在實際檢測中，插接件從工作臺落入傳送帶的位置會因兩者間的高度差及其重量產(chǎn)生較大偏差，因此增設(shè)可調(diào)節(jié)的滑道以適應不同特性的插接件，以控制其在傳送帶上的落點。

2.2 氣動剔除機構(gòu)設(shè)計

為了更好地實現(xiàn)次品插接件的精準剔除，氣動剔除機構(gòu)應當遵循以下基本要求：動作執(zhí)行快，尤其是在連續(xù)執(zhí)行剔除動作時，動作應流暢；減少甚至消除硬件接觸對插接件的損害并保證動作執(zhí)行的可靠性；剔除機構(gòu)不能與傳送過程發(fā)生干涉，盡量延長裝置的使用壽命。為滿足以上要求，對普通打擊工具進行改良，用毛刷替代擋板；將氣缸安裝在傳送帶的末端稍遠離傳送帶電動機的位置，盡量減少彼此間相互影響。

次品插接件的剔除是通過氣動電磁閥的換向（氣路的接通或斷開）來實現(xiàn)。根據(jù)其工作要求，剔除裝置的氣動回路如圖3所示：空氣首先經(jīng)過過濾器進入空氣壓縮機1，再通過單向閥2，進入后冷卻器3進行冷卻，當溫度下降到40℃時進入油水分離器4，然后將得到的初步凈化的壓縮空氣送入儲氣罐5中[4]。在本氣動回路中，儲氣罐后直接跟執(zhí)行元件即三位五通電磁閥10的中位相連接，當電磁閥收到PLC控制器給予的剔除信號時，電磁閥動作即切換至右位，打開閥口推動氣缸的推桿伸出，達到除去次品插接件的目的。

圖3 氣動剔除裝置氣動回路圖

為了實現(xiàn)插接件的無損剔除，采用疊加式節(jié)流閥進一步控制剔除氣缸活塞伸出時推桿推力的大小。上述過程中，氣缸每完成一次剔除動作，氣動電磁換向閥換至左位，氣缸推桿收縮，待推桿回復至初始狀態(tài)時，電磁閥返回中位，次品插接件的剔除工作至此結(jié)束。

2.3 剔除矯正機構(gòu)設(shè)計

在插接件檢測過程中，為實現(xiàn)精準剔除必須依據(jù)傳送帶的運行速度及時矯正PLC通過電磁閥控制剔除動作執(zhí)行的時間（下稱延時）。而傳送帶速度通常由測電動機轉(zhuǎn)速獲取，但在實際檢測時插接件從輔助工作臺沿滑道落入傳送帶的位置會有一定偏差以及傳送帶的速度波動等問題，僅僅測量電機的實時轉(zhuǎn)速并不能準確地獲取延時。因此，采用一套光電傳感器，通過插接件觸發(fā)光電傳感器并按以下方式計算延時。

如圖2所示，光電傳感器A與B間的距離S1，光電傳感器B與毛刷中心點O的距離S2均為常量，只需測量插接件從A到B的時間T1就能計算出傳送帶速度v：

那么插接件在正常檢測過程中從B到O的時間T2：

此外，為了進一步提升執(zhí)行剔除動作的準確度，氣缸的反應時間 ΔT 也應該納入延時T，對于采用多次實驗事先測得并求出平均值：

故延時T最終確定為：

3 剔除裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件主要由主控制器三菱FX2N～48R型PLC、電磁閥、光電傳感器等構(gòu)成。根據(jù)PLC的I/O分配和電氣控制原理可將控制系統(tǒng)軟件分為傳送模塊、剔除模塊、輔助功能模塊三部分。其中，輔助功能模塊包括剔除矯正、工作指示與報警等。剔除矯正需實時監(jiān)測傳送帶速度，可直接使用PLC內(nèi)置的實時鐘數(shù)據(jù)[5]獲得插接件從A到B的運動時間T1，計算出最終延時T，并設(shè)定控制氣缸運動的定時器，以實現(xiàn)實時剔除矯正，確保次品自動剔除的精準度。

圖4 剔除裝置運行流程圖

圖4為剔除裝置運行流程圖，待插接件圖像采集和處理完成后，經(jīng)視覺檢測軟件分析，工控機發(fā)出檢測結(jié)果信號，此時輔助傳送工作臺啟動，氣缸活塞桿推出，位于工作臺上的插接件因自重滑入剔除裝置傳送帶上的滑道，并沿滑道落入傳送帶；此后為了防止插接件被提前誤除，由光電傳感器A標記待剔除插接件，到達光電傳感器B處，待延時T結(jié)束后電磁閥動作使剔除氣缸的活塞桿推出，由與活塞桿相連的毛刷將次品插接件掃入回收筐中。若檢測結(jié)果為合格品時，剔除機構(gòu)不執(zhí)行剔除動作，插接件隨傳送帶進入合格品輸送區(qū)；若插接件在規(guī)定時間（插接件從輔助工作臺運動至光電傳感器A的平均時間T3和光電傳感器A到光電傳感器B的平均時間T4）內(nèi)未被光電傳感器標記，則傳送帶急停并故障報警。

4 結(jié)論

根據(jù)插接件視覺檢測系統(tǒng)的實際需求，在系統(tǒng)中配備的自動剔除裝置能實現(xiàn)次品插接件的自動精準剔除并降低甚至消除檢測系統(tǒng)的錯檢率，對當前國內(nèi)市場上存在的相關(guān)檢測系統(tǒng)進行了更新和完善，具有高效快捷、適應性強、成本低等特點，極大提高了電子插接件制造企業(yè)對相關(guān)產(chǎn)品的檢測效率和準確度，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1]鄢大偉.面向視覺檢測的傳輸控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計[D].武漢：華中科技大學,2011.

[2]趙大興,彭煜,孫國棟,馮維.高精度視覺測量系統(tǒng)中檢測方法的研究[J].制造業(yè)自動化,2014,33(5)：25-27.

[3]張巍.啤酒瓶漏氣在線檢測系統(tǒng)的研究[D].山東：山東科技大學,2008.

[4]趙燕,袁建暢.原棉異物在線檢測系統(tǒng)剔除機構(gòu)的研究[J].紡織器材,2006,33(1) ：19-22.

[5]廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應用[M].重慶：重慶大學出版社.2008.