剎車(chē)片尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

胡琳麗,徐志玲,張新娜,汪鈺錕,王靖瑋

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 現(xiàn)代科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

剎車(chē)片尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

胡琳麗1,徐志玲2,張新娜2,汪鈺錕2,王靖瑋2

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 現(xiàn)代科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

剎車(chē)片尺寸檢測(cè)一直停留在手工檢測(cè)方法上,其檢測(cè)效率低,檢測(cè)結(jié)果易受人為因素的影響.為了提高剎車(chē)片尺寸檢測(cè)效率與精度,現(xiàn)提出一種基于機(jī)器視覺(jué)的剎車(chē)片尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置,并介紹該裝置的檢測(cè)原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)電控制系統(tǒng)以及圖像處理系統(tǒng).我們通過(guò)PLC技術(shù)對(duì)剎車(chē)片的下料、傳送、檢測(cè)、剔除、回收等環(huán)節(jié)有節(jié)拍有秩序的控制,實(shí)現(xiàn)了對(duì)剎車(chē)片尺寸的自動(dòng)檢測(cè).結(jié)果表明，該裝置的檢測(cè)效率顯著高于人工檢測(cè),動(dòng)態(tài)檢測(cè)精度可以達(dá)到0.02 mm.

剎車(chē)片;自動(dòng)檢測(cè);PLC技術(shù);圖像處理

剎車(chē)片是汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的重要零部件,它是影響汽車(chē)剎車(chē)性能好壞的關(guān)鍵性因素[1].隨著汽車(chē)制造業(yè)的快速發(fā)展,剎車(chē)片產(chǎn)量突飛猛進(jìn),剎車(chē)片質(zhì)量的性能檢測(cè)要求也越來(lái)越高,而剎車(chē)片性能檢測(cè)對(duì)汽車(chē)安全的意義是顯而易見(jiàn)的.目前,大部分企業(yè)仍使用游標(biāo)卡尺、千分尺等量具采用人工檢測(cè)方式檢測(cè).人工檢測(cè)一片剎車(chē)片尺寸需要1人次1min左右,檢測(cè)效率低下,并且漏檢、誤檢現(xiàn)象明顯.這種落后的檢測(cè)方法已很難滿(mǎn)足汽車(chē)業(yè)發(fā)展需要,更難適應(yīng)汽車(chē)檢測(cè)自動(dòng)化發(fā)展的要求.

為了改變剎車(chē)片尺寸人工檢測(cè)方法,提高剎車(chē)片檢測(cè)的精度和效率,順應(yīng)機(jī)器換人的發(fā)展要求.采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)剎車(chē)片尺寸的全自動(dòng)檢測(cè)是非常必要的.由此,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種剎車(chē)片尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置.

1 自動(dòng)檢測(cè)原理與整體方案

1.1 檢測(cè)原理

利用CCD工業(yè)相機(jī)代替人眼的方式采集剎車(chē)片圖像[2],CCD工業(yè)相機(jī)將被檢剎車(chē)片轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào),傳送給專(zhuān)用的圖像處理軟件,根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息,轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào),再對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征.本文中所抽取的目標(biāo)的特征為長(zhǎng)度,根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果.

整個(gè)檢測(cè)流程為:通過(guò)CCD工業(yè)相機(jī)獲取被光源照射的剎車(chē)片清晰圖像,并讀入圖像處理單元.經(jīng)過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定、圖像預(yù)處理(中值濾波)[3-4]、圖像增強(qiáng)、邊緣檢測(cè)等基本圖像處理算法得到理想的二值化圖像,再根據(jù)特定的特征識(shí)別算法得到被測(cè)物體的幾何尺寸,圖像采集和處理流程圖如圖1.

圖1 圖像采集和處理流程圖Figure 1 Image acquisition and processing flow chart

1.2 機(jī)構(gòu)整體方案

剎車(chē)片尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置通過(guò)PLC和工控機(jī)共同控制整個(gè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)尺寸的自動(dòng)檢測(cè).檢測(cè)系統(tǒng)框架示意圖如圖2.

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)框架示意圖Figure 2 Frame diagram of detection system

剎車(chē)片尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置要完成以下功能:

1)剎車(chē)片自動(dòng)下料;

2)對(duì)剎車(chē)片進(jìn)行尺寸檢測(cè)與判斷;

3)自動(dòng)剔除不合格的剎車(chē)片,并自動(dòng)分類(lèi)收集檢測(cè)過(guò)的合格與不合格的剎車(chē)片.

不同規(guī)格的剎車(chē)片尺寸會(huì)有所差異,本文選用了一種常用尺寸剎車(chē)片.設(shè)計(jì)了剎車(chē)片尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3.

圖3 剎車(chē)片尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Integral structure of automatic detecting device for brake pad size

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 下料裝置

下料裝置主要由傾斜滑臺(tái)、伸縮氣缸、氣吸裝置組成,通過(guò)傾斜滑臺(tái)使得剎車(chē)片在斜面上緩慢下滑并利用PLC控制氣吸裝置和氣缸,實(shí)現(xiàn)單個(gè)剎車(chē)片下料至傳送裝置.剎車(chē)片在斜面上能否下滑由斜面的傾斜角和斜面的摩擦力共同決定,需要理論確定斜面傾斜角以及物體和斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù).

斜面上的物體運(yùn)動(dòng)是物理學(xué)的一個(gè)模型.判斷斜面上物體的運(yùn)動(dòng)處于什么樣的狀態(tài),要兼顧兩個(gè)因素:一是物體的合外力,二是物體的初速度.在斜面上物體的合外力只要考慮沿斜面方向上的合外力,即物體重力在斜面上的分力和摩擦力的情況,因?yàn)樵诖怪庇谛泵娣较蛏衔矬w重力的分力和彈力等大反向,在效果上相互抵消,所以無(wú)需考慮[5].斜面上物體受力分析圖如圖4.

圖4 斜面上物體受力分析圖Figure 4 Force analysis of the object on the inclined plane

斜面的支撐面的水平長(zhǎng)度為L(zhǎng),假設(shè)斜面支撐面的水平長(zhǎng)度L及物體和斜面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ一定時(shí),斜面上的物體所受到的合外力為

∑F=mgsinθ-μmgcosθ.

(1)

所以物體在沿斜面方向的加速度為

a=g(sinθ-μcosθ).

(2)

(3)

φ≤θ<90°.

(4)

由此得

φ≤2θ-φ<180°-φ.

(5)

由(4)、(5)兩式所得到的角度范圍內(nèi)再結(jié)合(3)式可以確定t和θ之間的關(guān)系.可得物體在斜面上下滑的時(shí)間與斜面傾角的關(guān)系如圖5.

圖5 物體在斜面上下滑的時(shí)間與斜面傾角的關(guān)系Figure 5 Relationship between the time and the inclination of the object on the inclined plane

由上述分析可知,當(dāng)斜面傾角的角度為θ=45°+φ/2時(shí),物體下滑到斜面底端的時(shí)間最短,物體在斜面上狀態(tài)越不穩(wěn)定,越易發(fā)生翻滾等意外;斜面傾角在45°+φ/2左右兩側(cè)函數(shù)曲線(xiàn)大致為對(duì)稱(chēng)分布,但傾角越小,下滑的物體在斜面上的狀態(tài)越平穩(wěn).結(jié)合以上兩點(diǎn),斜面傾角應(yīng)選擇在φ和45°+φ/2之間但不能取兩端值.在本文中選取兩者的中間值22.5°+3φ/4,此時(shí),物體下滑速度適中,物體在斜面上的狀態(tài)也較平穩(wěn).本文中,斜面材料為鋁板,剎車(chē)片為半金屬剎車(chē)片,鋼和鐵含量較高,經(jīng)查表斜面和剎車(chē)片之間的動(dòng)摩擦因數(shù)在0.2到0.3之間,經(jīng)計(jì)算斜面傾斜角在30.975°到35.025°之間.下料機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)正面如圖6.下料機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)背面如圖7.

圖6 下料機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)正面Figure 6 Mechanical structure of front feeding mechanism

圖7 下料機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)背面Figure 7 Mechanical structure of back feeding mechanism

垂直平面上設(shè)計(jì)一個(gè)伸縮氣缸用來(lái)控制剎車(chē)片的下落.此外,添加了氣吸裝置.當(dāng)?shù)谝粔K被檢剎車(chē)片下落時(shí),氣吸裝置吸住后一塊剎車(chē)片,防止其與第一塊剎車(chē)片同時(shí)下落,破壞檢測(cè)順序,影響檢測(cè)正常流程.兩塊導(dǎo)滑軌道的隆起對(duì)應(yīng)著剎車(chē)片兩個(gè)卡鉗形狀,裝置上還設(shè)計(jì)了四個(gè)滑動(dòng)螺栓,來(lái)使兩塊導(dǎo)滑軌道之間距離可調(diào),以適應(yīng)不同尺寸的剎車(chē)片檢測(cè),提高了利用率.

2.2 圖像采集裝置

圖像采集裝置主要涉及CCD工業(yè)相機(jī)和光源的緊固與調(diào)節(jié).為適應(yīng)更多規(guī)格剎車(chē)片尺寸的檢測(cè),相機(jī)和光源都需要可調(diào).采用多自由度可調(diào)支架來(lái)控制攝像頭與光源和被測(cè)物體之間距離.圖像采集裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖8.

圖8 圖像采集裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)Figure 8 Mechanical structure of image acquisition device

3 機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)電控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)和PLC來(lái)控制,采用傳送控制、驅(qū)動(dòng)控制、開(kāi)關(guān)控制相結(jié)合的方式.開(kāi)關(guān)信號(hào)的控制與處理由PLC完成,尺寸圖像的采集與處理由工控機(jī)完成,并實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果,對(duì)檢測(cè)結(jié)果的合格件與不合格件進(jìn)行分類(lèi)處理.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖9.

圖9 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 9 Schematic diagram of control system structure

系統(tǒng)的工作過(guò)程:將一疊剎車(chē)片放入下料裝置,PLC控制下料裝置中的伸縮氣缸和氣吸裝置,使得單個(gè)剎車(chē)片緩慢落入傳送機(jī)構(gòu)中的傳送帶上;此時(shí),PLC與驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始工作,傳送帶向前傳送待檢剎車(chē)片.當(dāng)傳送帶將待檢剎車(chē)片傳送到機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中攝像頭正下方時(shí),光電傳感器檢測(cè)到剎車(chē)片并將檢測(cè)信號(hào)傳輸給PLC[7],通過(guò)PLC程序控制傳送帶停止工作.同時(shí)PLC向攝像頭發(fā)送觸發(fā)信號(hào),攝像頭采集圖像并傳入工控機(jī)進(jìn)行圖像處理,檢測(cè)結(jié)果將反饋給PLC.如果該剎車(chē)片不合格,則PLC驅(qū)動(dòng)剔除裝置將該剎車(chē)片推入廢品箱;如果該剎車(chē)片合格,則傳送帶繼續(xù)傳送剎車(chē)片使其滑入旋轉(zhuǎn)滑道,最后落入合格品箱.整個(gè)過(guò)程均在PLC控制系統(tǒng)和工控機(jī)的控制下有秩序地進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)[8].

3.1 傳送裝置控制系統(tǒng)

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu):傳送機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖10.

圖10 傳送機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置示意圖Figure 10 Schematic diagram of the system structure of transmission mechanism

圖10所示的幾個(gè)部分都是傳送裝置控制系統(tǒng)不可或缺的部分,這幾個(gè)部分相互聯(lián)系組成一個(gè)完整的系統(tǒng).

2)控制算法:在工業(yè)生產(chǎn)控制過(guò)程中,速度往往采用閉環(huán)控制的方法來(lái)控制.PID算法是工業(yè)中最典型的用于控制閉環(huán)系統(tǒng)的控制算法,所以傳送機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)算法使用PID算法,利用PID算法對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳送機(jī)構(gòu)速度的控制.

PID連續(xù)算法數(shù)學(xué)表達(dá)式為

假設(shè)采樣的時(shí)間為T(mén),初始時(shí)間為零,帶入到公式進(jìn)行運(yùn)算得到：

其中，Bs為系統(tǒng)偏移量.

PID控制算法不僅有很強(qiáng)的靈活性[7],而且魯棒性好可靠性高，從而使傳送機(jī)構(gòu)平穩(wěn)有節(jié)拍地工作.

3.2 機(jī)器視覺(jué)控制系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)作為非接觸性檢測(cè)方法[10],具有精度高,速度快等特點(diǎn).機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要由CCD工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源、圖像采集卡、圖像采集軟件、圖像處理軟件組成.為了確保機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和其他機(jī)構(gòu)能夠有效地配合工作,確保檢測(cè)效果能達(dá)到檢測(cè)精度要求,各個(gè)硬件需要合理地選擇與控制,并搭建有效的機(jī)器視覺(jué)控制系統(tǒng).機(jī)器視覺(jué)控制系統(tǒng)框圖如圖11.

圖11 機(jī)器視覺(jué)控制系統(tǒng)框圖Figure 11 Block diagram of machine vision control system

機(jī)器視覺(jué)硬件的選型是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度的關(guān)鍵,尤其是CCD工業(yè)相機(jī)的選擇直接決定測(cè)量精度的大小.本文要求剎車(chē)片尺寸的檢測(cè)精度達(dá)到0.1 mm,選用的CCD工業(yè)相機(jī)分辨率為1 600×1 200,因此動(dòng)態(tài)檢測(cè)精度可以達(dá)到0.02 mm,故達(dá)到檢測(cè)的精度要求.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在檢測(cè)過(guò)程中被測(cè)件到CCD工業(yè)相機(jī)的距離一般是保持不變的,采用傳統(tǒng)的“比色法”對(duì)CCD工業(yè)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定[11].利用“比色法”進(jìn)行標(biāo)定,選取一個(gè)尺寸精度較高的精密物體作為標(biāo)準(zhǔn)件,計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)件圖像中像素點(diǎn)與長(zhǎng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在相同條件下測(cè)量剎車(chē)片尺寸時(shí),知道尺寸特征的像素點(diǎn)數(shù)便能換算成長(zhǎng)度單位.

選取卡尺檢定的標(biāo)準(zhǔn)量塊作為標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,得到像素與長(zhǎng)度之間的關(guān)系,即攝像機(jī)的物面分辨率dx=D/N,其中D為標(biāo)準(zhǔn)量塊的實(shí)際長(zhǎng)度尺寸,N為多次測(cè)得長(zhǎng)度像素?cái)?shù)的平均值.三次標(biāo)定長(zhǎng)度像素?cái)?shù)分別為89、90、90.標(biāo)定結(jié)果如表1.

表1 標(biāo)定結(jié)果

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)標(biāo)定后,在相同環(huán)境背景下,系統(tǒng)采集到剎車(chē)片圖像并進(jìn)行以一系列圖像處理.剎車(chē)片原始圖像如圖12.

圖12 剎車(chē)片原始圖像Figure 12 Original image of brake pad

經(jīng)圖像處理后的剎車(chē)片圖像如圖13.

圖13 經(jīng)圖像處理后的剎車(chē)片圖像Figure 13 Image of brake pad after image processing

圖13只是以一片剎車(chē)片圖像處理的結(jié)果為例,為了驗(yàn)證方法的有效性,將剎車(chē)片用圖像處理的方法測(cè)得的尺寸和實(shí)際測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,并將多片剎車(chē)片進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以長(zhǎng)度尺寸為例,數(shù)據(jù)如表2.

表2 剎車(chē)片尺寸檢測(cè)數(shù)據(jù)

從表2可以看出:檢測(cè)的10片剎車(chē)片尺寸誤差均在允許范圍內(nèi),故該方法有效可靠.

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了剎車(chē)片尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置,利用下料、傳送、圖像采集以及剔除等裝置實(shí)現(xiàn)剎車(chē)片尺寸在線(xiàn)的實(shí)時(shí)測(cè)量,手工檢測(cè)一片剎車(chē)片尺寸需要1人次1min左右,而自動(dòng)檢測(cè)裝置1人次1min可以檢測(cè)10片,檢測(cè)效率提高了10倍;同時(shí),檢測(cè)的精度也大大提高,精度可達(dá)0.02 mm.該檢測(cè)裝置及方案還可以推廣到其他機(jī)械零件尺寸檢測(cè)設(shè)備.

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Design of automatic testing devices for brake pad size

HU Linli1, XU Zhiling2, ZHANG Xinna2,WANG Yukun2,WANG Jingwei2
(1.College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2.College of Modern Science and Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

The detection efficiency of the manual measurement method of brake pad size is low and the measurement result is easily affected by human factors. To improve the detection efficiency and precision of brake pad size, this paper presented an automatic detection device based on machine vision. The detection device principle, its mechanical structure as well as the electrical control system and image processing system were introduced. The PLC was used to control the blanking, transmission, detection, elimination and recovery of brake pads. The results show that the detection efficiency of the device is significantly higher than that of the manual detection method with a dynamic detection accuracy of 0.02 mm.

brake pad; automatic detection; PLC technology; image processing

2096-2835(2017)01-0045-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.01.008

2016-12-02 《中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

胡琳麗(1992- ),女,江西省玉山人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)檢測(cè)技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). E-mail:1067178808@qq.com 通信聯(lián)系人：徐志玲,女,副教授.E-mail:xuzhiling@cjlu.edu.cn

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