新形勢(shì)下自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用研究

桑建國(guó)

摘 要：機(jī)械設(shè)計(jì)制造在工業(yè)化生產(chǎn)中不可或缺，自動(dòng)化技術(shù)的革新應(yīng)用大幅提升了機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平。新形勢(shì)下自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中呈現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)控化趨勢(shì)，為此詳細(xì)研究了自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用情況?；趥鞲衅餮邪l(fā)機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)獲取機(jī)械加工機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài);基于機(jī)器視覺技術(shù)檢測(cè)機(jī)械生產(chǎn)零件的缺陷，保障機(jī)械生產(chǎn)質(zhì)量。提供機(jī)械設(shè)計(jì)制造效率優(yōu)化的技術(shù)支持，驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)效益提升。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化技術(shù);機(jī)器視覺;傳感器;機(jī)械設(shè)計(jì)制造

工業(yè)生產(chǎn)以機(jī)械設(shè)備的發(fā)展為契機(jī)開啟嶄新的生產(chǎn)時(shí)代，人類社會(huì)的進(jìn)步以機(jī)械化為重要?jiǎng)恿M(jìn)行生產(chǎn)革新。我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)隨著改革開放大規(guī)模展開，帶動(dòng)了機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)水平的優(yōu)化與進(jìn)步，機(jī)械化生產(chǎn)成為經(jīng)濟(jì)建設(shè)的關(guān)鍵增長(zhǎng)點(diǎn)之一[1]。自動(dòng)化是機(jī)械化生產(chǎn)達(dá)到較高水平的顯著特征，標(biāo)志著機(jī)械化水平的進(jìn)步，是驅(qū)動(dòng)社會(huì)革新進(jìn)步關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)，社會(huì)生產(chǎn)的效率與質(zhì)量由此得到較大改善[2]。機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的自動(dòng)化技術(shù)是優(yōu)化生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)材料的優(yōu)化配置與效率的提升[3]。以往機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域需要人的操作才能實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)計(jì)劃，而自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用解放了人的雙手，減少人力成本。本文重點(diǎn)列舉了機(jī)械設(shè)計(jì)制造的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)，保障機(jī)械設(shè)計(jì)制造的質(zhì)量與效率。

1 傳感器技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的數(shù)控機(jī)床趨向大型化、高速化、高精度的發(fā)展方向，長(zhǎng)期的繁重工作負(fù)擔(dān)下，振動(dòng)、沖擊等壓力對(duì)機(jī)械制造數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生超負(fù)荷影響，干擾機(jī)床生產(chǎn)狀態(tài)，進(jìn)一步導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)誤差變大[4]，嚴(yán)重可出現(xiàn)意外停機(jī)狀況。因此，如何精準(zhǔn)監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床生產(chǎn)狀態(tài)、預(yù)判機(jī)械制造故障等信息成為優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)制造效率的重中之重。本文基于傳感器設(shè)計(jì)機(jī)械制造機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)向管理人員提供可靠的機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)，保障機(jī)械生產(chǎn)正常運(yùn)行。

1.1 機(jī)械制造機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器選取

機(jī)械設(shè)計(jì)制造監(jiān)控的傳感器主要包括加速度傳感器與功率傳感器，最終選取的傳感器相關(guān)信息見下表。

1.2 機(jī)械制造機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于傳感器的機(jī)械制造機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，該系統(tǒng)使用嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同硬件接口的連接，具體表現(xiàn)為加速度、電機(jī)電流、溫度等各個(gè)信號(hào)接口數(shù)據(jù)的采集與傳輸。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的加速度傳感器信號(hào)采集原理如下：加速度信號(hào)主要通過4線制的方式和前置專門性信號(hào)采集模塊連接，將該模塊信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴W(wǎng)信號(hào)輸出并與嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口連接，設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的頻率為10 Hz。功率傳感器信號(hào)采集原理同上，差異在于其信號(hào)輸出使用5線制與前置專用信號(hào)采集模塊連接。

基于傳感器設(shè)計(jì)機(jī)械制造機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造情況，生產(chǎn)操作人員在監(jiān)控端可隨時(shí)查看機(jī)床運(yùn)行信息，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)床異?，F(xiàn)象，保障機(jī)械制造順利進(jìn)行。

2 自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

在國(guó)外高水平精密度檢測(cè)技術(shù)的沖擊下，涌現(xiàn)大量嶄新的檢測(cè)設(shè)備與儀器，結(jié)合機(jī)械生產(chǎn)的自動(dòng)化需求，高度自動(dòng)化檢測(cè)儀器在機(jī)械制造行業(yè)中成為主流[5]。計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成技術(shù)的綜合運(yùn)用使得機(jī)械制造檢測(cè)設(shè)施功能越來越全面，機(jī)械制造自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。自動(dòng)化檢測(cè)是自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)的功能之一，目標(biāo)是檢測(cè)機(jī)械生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，能夠在檢測(cè)過程中通過較少的人工操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)[6]。本次重點(diǎn)研究了機(jī)器視覺在機(jī)械設(shè)備制造自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用情況，通過識(shí)別機(jī)械零件圖像信息自動(dòng)檢測(cè)零件的缺陷。

2.1 自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的相機(jī)設(shè)置

相機(jī)是機(jī)器視覺技術(shù)檢測(cè)零件的關(guān)鍵構(gòu)成，綜合考慮分辨率、靈敏度、信噪比、資金投入等因素確定使用黑白CCD相機(jī)。在機(jī)械零件生產(chǎn)過程中，定義零件傳送速度為v，相機(jī)視野為A×B，相機(jī)采集圖像速度上限為r，D、G分別表示機(jī)械零件的長(zhǎng)度與高度，基于機(jī)械生產(chǎn)的效率要求，規(guī)定零件缺陷檢測(cè)速度每秒不能低于n個(gè)，檢測(cè)單個(gè)零件的耗時(shí)為t。據(jù)此得到相機(jī)拍照期間機(jī)械零件移動(dòng)的長(zhǎng)度，如公式（1）所示

結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)精度（0.1 mm）可確定相機(jī)的分辨率為640×480，此分辨率考慮了相機(jī)的成本投入情況，在不考慮成本的前提下可選擇更高分辨率的相機(jī)，有效提升機(jī)械零件檢測(cè)精度。

LED光源能耗小、性價(jià)比高，在機(jī)器視覺技術(shù)中的應(yīng)用較為廣泛，所以選擇LED光源作為機(jī)械制造零件檢測(cè)的環(huán)境光。

2.2 自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的光電開關(guān)選取

光電開關(guān)是機(jī)械零件自動(dòng)化檢測(cè)的關(guān)鍵控制部件，相機(jī)拍攝機(jī)械零件的時(shí)間由光電開關(guān)決定，主要原理為：機(jī)械零件行進(jìn)期間觸發(fā)光電開關(guān)，此時(shí)計(jì)算機(jī)接收來自光電開關(guān)的信號(hào)，確保計(jì)算機(jī)對(duì)相機(jī)獲取圖像過程進(jìn)行控制[7]。此處使用對(duì)射式光電開關(guān)，通過更正光電開關(guān)在檢測(cè)線上相對(duì)時(shí)間的方式得到合理的零件拍攝區(qū)域位置與大小，呈現(xiàn)最優(yōu)的光電開關(guān)布置與零件拍攝效果。

圖2展示了光電開關(guān)布置結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖2分析光電開關(guān)工作原理：光電開關(guān)安置于相機(jī)的前方位置，光電開關(guān)在零件遮擋其光路時(shí)即可采集光電信號(hào)并傳輸至計(jì)算機(jī)，確保計(jì)算機(jī)操控相機(jī)拍攝機(jī)械零件圖像。

2.3 機(jī)械零件邊緣檢測(cè)與缺陷識(shí)別

成功采集機(jī)械零件圖像后對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，然后展開機(jī)械零件圖像的邊緣檢測(cè)活動(dòng)，基于Sobel算法提取零件圖像的輪廓邊緣，根據(jù)提取到的左右邊緣點(diǎn)坐標(biāo)即可去除輪廓邊緣得到缺陷情況。具體判定機(jī)械零件是否存在缺陷的方法如下：（1）當(dāng)零件輪廓邊緣中包含顯著的撕裂帶邊緣信息，則斷定此機(jī)械零件可能存在缺陷，等待深入檢測(cè);（2）當(dāng)零件輪廓邊緣中不存在顯著撕裂帶邊緣信息，判斷此零件合格。經(jīng)過圖像后處理確定存在缺陷的零件，獲取缺陷位置與尺寸信息的思路為：將存在缺陷幾率的零件灰度圖像進(jìn)行閾值分割獲取二值化圖像，得到零件缺陷的目標(biāo)信息，與背景完整分割，呈現(xiàn)具體的缺陷形狀、位置信息、大小信息。

二值化圖像中，像素0、像素1分別表示圖像背景和物體，選取合理的灰度值或者灰度區(qū)間作為閾值是圖像二值化的關(guān)鍵步驟，據(jù)此分割機(jī)械零件的圖像，方法如下：

3 結(jié)論

我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展需要機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的大力支持，我國(guó)取得國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的勝利需要機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)不斷革新升級(jí)，以符合機(jī)械生產(chǎn)的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的自動(dòng)化技術(shù)有效提升了社會(huì)生產(chǎn)能力，將人的雙手從機(jī)械操作中逐漸解放出來，減少了人力成本的資金投入。此外，自動(dòng)化技術(shù)的升級(jí)換代使機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)水平提升，帶動(dòng)行業(yè)整體變革。新形勢(shì)下自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用除更新技術(shù)水平外，更要加強(qiáng)技術(shù)人員的知識(shí)積累與專業(yè)技能培訓(xùn)，提高機(jī)械操作人員的技能水準(zhǔn)，更好地為優(yōu)化生產(chǎn)效益、提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)服務(wù)。

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