插接件視覺檢測中自動送料排序裝置設(shè)計

蘇晨 張楊 李萍 劉嬌嬌

摘要：針對插接件質(zhì)輕、形體小、精密度高、形狀多樣等特點，為提高檢測工作的效率和可靠性，以 Micro-USB型插接件為例設(shè)計自動送料排序裝置，采用振動器配合排序機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對散料按指定面與方位有序排列。該裝置通過對螺旋料槽振動頻率和振幅、溝槽深度和角度以及其他部分的設(shè)計計算，多種手段并用，達(dá)到對原料篩選和定向排序的目的。

關(guān)鍵詞：送料排序；振動器；Micro-USB；視覺檢測

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）11-2749-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.050

Designs of Automatic Feeding and Sorting Device for Connectors in Visual Inspection

SU Chen， ZHANG Yang， LI Ping， LIU Jiao-jiao

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： Connectors are usually light weight，small body，high precision，shape diversity and so on，in order to improve the efficiency and reliability of the inspection work， the device of automatic feeding and sorting in the practice of Micro-USB adopts a vibrator and sorting mechanism to realize the orderly arrangement of the bulk material in the specified surface. The device is based on depth， angle，vibration frequency and amplitude of the spiral groove，and the use of various methods to achieve the purpose of screening and directed sequencing.

Key words： feeding and sorting； vibrator； Micro-USB； visual inspection

隨著科技的進(jìn)步以及人工成本的不斷增加，傳統(tǒng)的人工質(zhì)檢效率低下，早已不能滿足電子插接件行業(yè)的發(fā)展，因此需要利用機(jī)器視覺檢測來滿足電子插接件檢測上速度與精度的要求。由于插接件產(chǎn)品一般形體小、精密度高、制造速度快[1]，現(xiàn)有的自動送料裝置很難滿足電子插接件的送料排序要求。而送料的速度以及排序的準(zhǔn)確率直接對整個機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的效率、精度和可靠性產(chǎn)生影響。

1 自動送料排序裝置設(shè)計原理

1.1 Micro-USB型插接件的結(jié)構(gòu)及定向姿態(tài)

待定向零件的定向姿態(tài)是指零件經(jīng)過整理后從料斗軌道輸出的零件姿態(tài)。通過設(shè)計適合的料斗定向元件，在上料過程中零件由自然姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉献罱K要求的定向姿態(tài)[2]。

Micro-USB型插接件的大小為13 mm×7 mm×3 mm，體積小、質(zhì)量輕，其結(jié)構(gòu)特點是整體較為規(guī)則，一端為階梯形（圖1）。為滿足后續(xù)視覺檢測的要求，自動送料排序裝置需使大量堆積的插接件全部按一個狀態(tài)和方向排序輸送。插接件在進(jìn)入料斗時的自然姿態(tài)可分為立式和平式（正反面不同均可視為該姿態(tài)）兩種。由于插接件較扁平，送料時易于重疊，因此需要剔除重疊及立式的插接件。

根據(jù)插接件的結(jié)構(gòu)特點以及振動原理，料斗中的散料在進(jìn)入螺旋形溝槽時為列式前進(jìn)（圖2），為了便于視覺檢測，插接件上的簧片需面向上，圖1的主視圖（下稱其為正面）為辨別是否是正面在上，需將列式前進(jìn)變?yōu)闄M式前進(jìn)，再根據(jù)相應(yīng)機(jī)構(gòu)的設(shè)置辨別插接件的姿態(tài)，不符合要求的插接件均會被剔除回料斗重新排序，符合的將被輸送到下一步工序進(jìn)行視覺檢測。

1.2 機(jī)構(gòu)送料原理

振動式上料機(jī)是所有料斗式進(jìn)料裝置中最適合于小型工程零件的上料機(jī)。為實現(xiàn)插接件定向排序，選用螺旋式振動送料機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要由料盤、板彈簧、電磁振動器、底座及減振支腳等構(gòu)件組成。如圖3所示，振動送料機(jī)構(gòu)中軌道為螺旋狀式，零件沿著淺圓柱漏斗狀和盤狀料斗內(nèi)壁上升。料盤由三片或四片板彈簧支撐，板彈簧以一定的斜度緊固在基座上，料盤下固定著銜鐵。在電磁鐵鐵芯的線圈中，通入經(jīng)過半波整流的單向脈動電流，電磁鐵便產(chǎn)生一次相應(yīng)的脈沖電磁力。由于電磁力是一個周期變化的強(qiáng)迫作用力，因此電磁式振動送料機(jī)構(gòu)是一個以電磁力為周期干擾力的強(qiáng)迫振動系統(tǒng)[3]。

當(dāng)電磁式振動送料機(jī)構(gòu)采用不同的運(yùn)動參數(shù)時，工件就在料槽上出現(xiàn)不同的運(yùn)動形式。從理論上來說，只有正向滑動和拋擲運(yùn)動對工件的送料才有實際意義。但由于運(yùn)動參數(shù)的一些限制，在實際工作中上述幾種運(yùn)動形式可能有各種不同的組合形式。通過調(diào)節(jié)電磁鐵的供給電壓來改變料斗的振幅，從而使料斗以較高的送料率平穩(wěn)送料。

2 振動送料機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇和計算

2.1 運(yùn)動學(xué)參數(shù)的選擇和計算

2.1.1 物料運(yùn)動狀態(tài)的選擇 由于物料是不離開工作面向前滑動，那么物料與工作面并沒有沖擊，且噪音小，但工作面和物料接觸面磨損較大。所以要想獲得較高的輸送速度則必須采用較大的振幅，然而電振機(jī)的振幅大小受電磁鐵工作氣隙的限制，因此電振給料機(jī)幾乎不采用滑行運(yùn)動這種方式。于是考慮采用拋擲運(yùn)動[4]，而拋擲運(yùn)動產(chǎn)生的條件：

D=■=Ksinβ （1）

D為拋擲指數(shù)；K為機(jī)械指數(shù)，代表機(jī)械振動強(qiáng)度。則產(chǎn)生拋擲運(yùn)動的時間為：

ts=■arcos（-■） （2）

當(dāng)D<1時，物料在整個振動周期中都在工作面上，不可能被拋起，只有相對滑動；當(dāng)D=1時，物料的起點與落點重合；當(dāng)D>1時，物料被連續(xù)拋擲，在槽體加速度垂直分量等于重力加速度負(fù)值的瞬間，物料開始被拋起，沿拋物線軌跡向前運(yùn)動，經(jīng)過一段時間此運(yùn)動過程重復(fù)進(jìn)行。通過物料的連續(xù)跳躍來實現(xiàn)物料連續(xù)向前運(yùn)動。做拋擲運(yùn)動時物料與槽體工作面接觸時間很短，大部分時間呈跳離狀態(tài)[5]，所以針對插接件的特性，電振機(jī)采用中速拋擲運(yùn)動，拋擲指數(shù)選擇D=2.7。

2.1.2 機(jī)構(gòu)機(jī)械指數(shù)、振動次數(shù)和振幅的選擇 機(jī)構(gòu)機(jī)械指數(shù)K的選擇主要受機(jī)構(gòu)材料強(qiáng)度及物體剛度限制，通常K取2～6，此處選擇K=2。振動次數(shù)i一般根據(jù)電振機(jī)激磁方式來決定，此處選擇半波整流電振機(jī)n=3 000次/min。槽體振幅a1是根據(jù)物料的運(yùn)動狀態(tài)來決定的，其值可由式（3）[6]求出。

a1=■ （3）

在選擇振動次數(shù)i和振幅a1時應(yīng)滿足許用機(jī)械指數(shù)[K]的要求，許用機(jī)械指數(shù)[K]一般取5～10。

2.1.3 機(jī)構(gòu)振動方向角的選擇 振動方向角β的選擇有兩個基本原則，一是要盡量提高輸送速度，二是要考慮物料性質(zhì)的要求。在振動幅與振動次數(shù)確定的情況下即K值一定時，物料輸送速度v隨振動方向角的變化而變化，那么對應(yīng)于最大輸送速度的β角則稱為最佳振動方向角。當(dāng)選擇拋擲運(yùn)動工作狀態(tài)時，槽體在不同傾角α下對應(yīng)于每個機(jī)械指數(shù)K就有一個最佳振動方向角βa。

2.2 主振彈簧參數(shù)選擇

振動料斗的彈簧上端固定在直徑為D的料斗圓周上，彈簧安裝角φ=α+β=54°。彈簧安裝方向應(yīng)該向螺旋料槽升角的反方向傾斜，且彈簧的水平投影應(yīng)切于料斗底部的固定點所在的圓。

主振彈簧通常采用板彈簧。板彈簧一般由65Mn材料制成的優(yōu)質(zhì)彈簧片疊裝而成，其片數(shù)可以增減以達(dá)到給定的頻率比。板彈簧經(jīng)過淬火后，要求硬度HRC為40～42，熱處理后彈簧片不允許有扭曲、夾渣、裂紋等缺陷。板彈簧疊片兩端用螺栓壓緊，其中一端與底盤用螺栓連接，另一端與上座用螺栓連接。對于板彈簧可以按照兩端安全緊固的梁來計算截面，據(jù)此設(shè)計出板彈簧的有效長度為150 mm，寬度為35 mm，厚度為4 mm。

3 振動盤其他部分設(shè)計

3.1 上座的設(shè)計

上座是把激振力傳給料斗的主要部件，它與料斗剛性連接在一起。上座連接著振動體和料盤，即上座的表面連接著銜鐵，上表面通過螺栓與料斗連接在一起，因此上座是設(shè)計中很重要的一環(huán)。選用ZG275-485H為上座材料，此材料性能要強(qiáng)于ZG45鑄鋼件。在滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度的前提下，應(yīng)盡可能減輕重量。如圖4所示，中間的通孔為M10螺栓孔，通過螺栓將其與料斗連接起來，上座的表面開4個M8螺紋通孔，位置與銜鐵上螺孔的位置相同，用于和銜鐵連接，加工時要保證加工精度，以保證安裝精度。在上座的4個側(cè)面分別有4個耳形連接耳，分別在4耳面上各開一個M8螺紋通孔，用于固定板彈簧。上座中開4個鏤空正方形，既保證了強(qiáng)度又節(jié)約材料，減輕質(zhì)量。

3.2 底座的設(shè)計

底座是固定電磁鐵和板彈簧的基礎(chǔ)零件，采用與上座同樣的材料。其外徑一般比料斗外徑略大，這主要取決于板彈簧的固定方法及板彈簧在底座上的固定圓半徑等，其厚度主要根據(jù)對重量的要求和所用材料的比重[7]。如圖5所示，底盤的上表面有4個M8螺紋孔，位置與銜鐵上螺孔的位置相同，用于通過與電磁鐵連接的螺栓，側(cè)面有4個M8螺紋孔，用于通過與板彈簧連接的螺栓，底面有3個螺紋孔，用于連接減振橡膠墊。

3.3 橡膠減振腳墊的設(shè)計

在振動設(shè)備的設(shè)計中，橡膠或者橡膠金屬零件可用作減振器或者激振器的主彈簧。它與其他金屬彈簧相比有以下特點：可以塑模成所需的形狀與尺寸；可以根據(jù)設(shè)計要求隨意選擇三個方向的彈簧剛度；通過改變橡膠彈簧的內(nèi)部構(gòu)造，可以大幅度改變彈簧剛度；此外，由于橡膠具有較大的內(nèi)摩擦，在共振或近共振工作時，其振幅不易出現(xiàn)浪涌現(xiàn)象。

4 小結(jié)

隨著社會生產(chǎn)自動化的不斷提高以及電子工業(yè)的發(fā)展，針對插接件視覺檢測的自動化成為重要研究課題。自動送料排序機(jī)構(gòu)作為生產(chǎn)線上一個不可缺少的環(huán)節(jié)，其各項性能對整個視覺檢測的準(zhǔn)確度影響越來越大。因此研究和推廣基于插接件機(jī)器視覺技術(shù)的自動送料排序機(jī)構(gòu)是大勢所趨。參考國內(nèi)外振動送料機(jī)構(gòu)設(shè)計的最新研究成果，設(shè)計了一個基于Micro-USB型插接件視覺檢測的自動送料排序機(jī)構(gòu)，可達(dá)到對原料篩選和定向排序的目的。

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