槍彈外觀缺陷智能檢選系統(tǒng)中機械伺服子系統(tǒng)設(shè)計

劉紅寧，劉 佳

（石家莊學(xué)院 機電學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引言

槍彈外觀檢驗是槍彈生產(chǎn)的最后一道工序，是槍彈驗收的重要項目.長期以來，國內(nèi)外槍彈生產(chǎn)企業(yè)的槍彈外觀檢驗工作主要依靠人工檢驗的方法，即目視檢查.由于槍彈的尺寸小，檢查數(shù)量多，檢查時間長，對槍彈的各種缺陷需要在強光下用肉眼判定，不僅容易造成檢驗人員視覺疲勞，導(dǎo)致檢驗工作效率較低，甚至出現(xiàn)錯檢、漏檢，而且還會由于人為判定標(biāo)準(zhǔn)和判斷經(jīng)驗的差異，導(dǎo)致槍彈外觀質(zhì)量一致性差[1].

基于計算機視覺識別技術(shù)，以GJB5227—2004《槍彈外觀缺陷圖譜》為依據(jù)，搭建相應(yīng)的硬件環(huán)境，設(shè)計相應(yīng)的槍彈外觀缺陷識別軟件和機械伺服機構(gòu)，替代目前的人工檢選，從而杜絕人為因素對槍彈外觀缺陷檢驗工作的影響，確保槍彈外觀檢查質(zhì)量的一致性，提高槍彈的檢驗效率，同時為將來槍彈的自動化檢選奠定基礎(chǔ).

槍彈外觀缺陷智能檢選技術(shù)的應(yīng)用將對槍彈外觀缺陷檢驗工作帶來突破性進展.對于提高槍彈生產(chǎn)的自動化和智能化水平，改善工人的勞動環(huán)境，提高槍彈生產(chǎn)效率，具有廣泛的示范意義和較高的實用價值.該技術(shù)投入使用后，無論全數(shù)檢查還是抽樣檢查，都可以大量節(jié)省人力，提高檢驗水平.若應(yīng)用到半成品如彈殼、彈頭、底火的外觀檢查上，可以從源頭提高半成品的外觀質(zhì)量，減少檢驗成本，從而獲得更為可觀的經(jīng)濟效益.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 總體方案

“槍彈外觀缺陷智能檢選系統(tǒng)”是以計算機視覺識別技術(shù)為核心的機-電-計算機一體化的綜合系統(tǒng)，由機械伺服子系統(tǒng)、彈體表面缺陷檢測子系統(tǒng)、彈底表面缺陷檢測子系統(tǒng)、缺陷彈剔除子系統(tǒng)等組成.在中控計算機的統(tǒng)一控制下，完成槍彈外觀缺陷的檢選工作.系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示.

機械伺服子系統(tǒng)包括振動供彈裝置和鏈?zhǔn)竭B續(xù)輸送伺服機構(gòu).振動供彈裝置主要解決槍彈由無序狀態(tài)到有序排列的問題.振動供彈裝置要求運行可靠，故障率低，供彈效率高，供彈速度達(dá)到每分鐘120發(fā)以上.鏈?zhǔn)竭B續(xù)輸送伺服機構(gòu)主要完成槍彈定位、移動和轉(zhuǎn)動等動作，滿足計算機視覺缺陷識別的要求.鏈?zhǔn)竭B續(xù)輸送伺服機構(gòu)要求連續(xù)輸送，槍彈在直線運動的同時同步轉(zhuǎn)動，并通過光耦控制圖像采集卡同步采集槍彈表面圖像.

圖1 槍彈外觀缺陷檢選系統(tǒng)構(gòu)成

計算機視覺識別子系統(tǒng)包括彈體缺陷檢測和彈底缺陷檢測兩部分，實現(xiàn)用計算機視覺識別技術(shù)替代人工肉眼外觀檢選工作，是整個系統(tǒng)的核心.要求完成槍彈周向缺陷識別和彈底缺陷識別，將符合GJB5227—2004規(guī)定的產(chǎn)品缺陷的識別結(jié)果，上傳至中控子系統(tǒng)[2].

缺陷彈剔除子系統(tǒng)是槍彈外觀缺陷智能檢選系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu).根據(jù)中控子系統(tǒng)發(fā)出的指令，完成缺陷彈的剔除動作.系統(tǒng)的工作流程如圖2所示.

系統(tǒng)開機后，在中控子系統(tǒng)的控制下，首先由振動料斗完成槍彈首尾相接的順序排列，并沿供彈槽以每分鐘120發(fā)的速度輸送到輸彈槽，在撥彈輪的控制下，槍彈均勻地布放在機械伺服機構(gòu)的輸送鏈上；輸送鏈帶動槍彈，在直線運動的同時繞槍彈縱向軸線做旋轉(zhuǎn)運動.槍彈每前移一個位置，轉(zhuǎn)動約60°，同時通過光耦觸發(fā)圖像采集卡進行一次槍彈表面原始圖像的采集，有效采集范圍約70°.獲取的圖像被傳送到計算機進行一系列圖像處理，完成彈體缺陷的檢測.槍彈每移動6個位置，進行一次彈底表面原始圖像的采集，采集的彈底圖像通過識別軟件識別，判定是否存在缺陷.槍彈彈體和彈底缺陷情況記錄在數(shù)組中，上傳至中控子系統(tǒng).中控子系統(tǒng)記錄缺陷情況并向剔除子系統(tǒng)發(fā)出動作指令，完成缺陷彈的剔除動作.至此，系統(tǒng)完成一個槍彈表面缺陷識別的循環(huán)[3].

槍彈外觀缺陷智能檢選系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)遵循模塊化設(shè)計思想，各子系統(tǒng)具有相對的獨立性，便于制造、安裝和日常維護，以及將來的升級換代，并滿足防震、防磁、防塵等有關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖2 槍彈外觀缺陷檢選系統(tǒng)工作流程圖

1.2 機械伺服子系統(tǒng)

1.2.1 振動供彈機構(gòu)

在電磁振動器作用下，料斗作扭轉(zhuǎn)式上下振動，使槍彈沿著螺旋軌道由低到高移動，并自動排列定向，直至上部出料口而進入輸料槽，然后由送料機構(gòu)送至相應(yīng)工位，原理如圖3所示.

供彈機構(gòu)的工作過程是通過電磁鐵的吸引和支承彈簧的反向復(fù)位作用，使料槽產(chǎn)生高速、高頻（50～100 次/s）、微幅（0.5～1 mm）振動，使槍彈逐步向高處移動.電流值i=0時，料槽在支承彈簧作用下向右上方復(fù)位，槍彈依靠與軌道的摩擦而隨軌道向右上方運動，并逐漸被加速.i＞0時，料槽在電磁鐵的吸引下向左下方運動，槍彈由于受慣性作用而脫離軌道，繼續(xù)向右上方運動（滑移或跳躍）.下一循環(huán)，周而復(fù)始地實現(xiàn)槍彈在軌道上作由低到高的運動.

圖3 振動供彈原理

1.2.2 槍彈輸送及圖像采集控制伺服機構(gòu)

伺服機構(gòu)需要完成槍彈的傳送、繞軸線旋轉(zhuǎn)、定位圖像采集等功能，考慮到傳送效率、工作可靠等因素，伺服機構(gòu)設(shè)計方案如下：

1）槍彈輸送方式.槍彈輸送效率是決定缺陷檢驗效率的重要因素，要提高輸送效率，就要減少輸送過程的運動轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié).因此，采用鏈?zhǔn)絺魉头绞捷斔蜆審?，在輸送鏈的連續(xù)運動過程中完成圖像采集、圖像識別、缺陷彈剔除等工作，同時，由于輸送方式簡單，也提高了系統(tǒng)運行的可靠性和操作簡單化.

2）輸送鏈的供彈匹配.槍彈經(jīng)供彈機構(gòu)排序后，需要按照輸送鏈的運動速度準(zhǔn)確地在每兩個鏈軸之間放置一顆彈.為達(dá)到輸送鏈運動速度與槍彈放置節(jié)奏自動同步，在輸送鏈的起始部位安裝撥彈機構(gòu)，利用撥彈輪控制槍彈的放置，合理設(shè)計撥彈輪與輸送鏈鏈輪的轉(zhuǎn)動傳動比，可實現(xiàn)鏈輪每運動一個鏈接，撥彈輪向輸送鏈放置一顆槍彈，并且在不同轉(zhuǎn)速下可自動匹配.

3）槍彈旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動方式.在槍彈的輸送過程中，需要使槍彈繞軸線旋轉(zhuǎn)，以滿足槍彈外觀整周檢測的要求.由于槍彈輸送方式是連續(xù)運動，難以采用定軸轉(zhuǎn)動方式，就利用輸送鏈直線運動的主運動，采用摩擦驅(qū)動方式，利用輸送鏈鏈軸的滾動驅(qū)動槍彈繞軸線旋轉(zhuǎn)，具體方式如圖4所示.

4）槍彈的圖像采集定位.為準(zhǔn)確控制相機拍攝時刻，在鏈輪擋環(huán)上均勻安裝觸發(fā)柱，通過光耦開關(guān)控制相機的圖像采集觸發(fā)，輸送鏈每平移一個鏈節(jié)的距離，光耦開關(guān)觸發(fā)一次.

1.3 計算機視覺識別子系統(tǒng)

計算機視覺識別子系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分.硬件部分為槍彈機械控制部分、相機和鏡頭、光源、圖像采集卡等組成的整個平臺；軟件部分主要是程序的編寫，包括槍彈缺陷圖像處理算法的研究、驗證和實現(xiàn)，軟件界面、圖像采集平臺的搭建等.

計算機作為控制中心主要負(fù)責(zé)該檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，光耦開關(guān)控制圖像采集卡實現(xiàn)槍彈表面原始圖像的采集，獲取的圖像被傳送到計算機進行一系列圖像處理，完成缺陷的檢測.設(shè)計的檢測系統(tǒng)工作原理如圖5所示[4].

2 機械伺服子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 振動式排序供彈裝置

振動式排序供彈裝置的關(guān)鍵技術(shù)是異位彈剔除和彈體排序.異位彈是指沿料槽上行供彈過程中，未沿運動方向排列的槍彈.由于料斗內(nèi)槍彈數(shù)量較多，在上行的初始階段，槍彈排列雜亂無章，存在大量異位彈，為解決這一問題，在料槽初始段設(shè)計了限位導(dǎo)板，用以剔除上下重疊的異位彈；在料槽分路段，設(shè)計了漏槽，以實現(xiàn)槍彈單列排序；在料槽后段，設(shè)計了排序槽，利用槍彈軸向型心與質(zhì)心不重合的特點，實現(xiàn)槍彈前后排列的一致性，如圖6所示.

2.2 槍彈輸送及圖像采集控制伺服機構(gòu)

2.2.1 鏈?zhǔn)竭B續(xù)輸送伺服機構(gòu)

鏈?zhǔn)竭B續(xù)輸送伺服機構(gòu)可實現(xiàn)槍彈的連續(xù)輸送，輸送過程不涉及槍彈位置及姿態(tài)的轉(zhuǎn)換，工作方式簡單可靠，易于控制.為滿足相機圖像采集視野、一次圖像采集處理槍彈數(shù)量、輸送鏈運動平穩(wěn)等方面的要求，需要對鏈?zhǔn)竭B續(xù)輸送伺服機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、尺寸、加工工藝及精度等方面進行針對性設(shè)計.

圖4 槍彈輸送及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式

圖5 檢測系統(tǒng)工作原理框圖

1）輸送鏈及鏈輪

輸送鏈由一系列通過鏈節(jié)連接在一起的鏈軸組成.每個鏈軸兩端各通過兩個鏈節(jié)與相鄰鏈軸相連，如圖7所示，鏈節(jié)與鏈軸、鋼套與鏈軸之間均安裝有自潤滑滑動軸承（高力黃銅鑲嵌石墨），并且鏈軸、鏈節(jié)、鋼套、彈性擋圈之間在軸向均利用黃銅墊圈隔開，以降低相互之間的摩擦.

圖6 振動式排序供彈裝置

圖7 鏈軸及其連接形式

輸送鏈如圖8所示，槍彈放置于相鄰鏈軸形成的凹槽，隨著輸送鏈一起運動.

輸送鏈通過鏈輪驅(qū)動，4個鏈輪成對安裝，每根鏈軸兩端的鋼套與鏈輪配合，鏈輪外側(cè)安裝鏈輪擋環(huán)，對輸送鏈進行軸向限位，如圖9所示.

鏈?zhǔn)捷斔蜋C構(gòu)平穩(wěn)可靠運行的關(guān)鍵是鏈輪、鏈軸、鏈節(jié)的加工精度及安裝精度.鏈輪相鄰兩齒與鏈節(jié)兩孔的中心距要精確，且一致性要好，為達(dá)到這一要求，鏈輪與鏈節(jié)均通過線切割方式進行加工，并且4個鏈輪一次切割成型.鏈輪與鏈輪軸之間采用鍵連接，為保證同一鏈輪軸上安裝的兩個鏈輪的齒對正，在鏈輪軸上開一長鍵槽，如圖10所示，在鍵槽兩端安裝鍵與鏈輪連接.鏈輪在軸向通過彈性擋圈定位.

鏈輪軸通過鏈輪軸支撐板、支撐板連接板進行固定和支撐，如圖11所示.鏈輪軸支撐板做成分體，一方面是為了便于輸送鏈的安裝，另一方面是為了能夠根據(jù)需要調(diào)整鏈輪軸之間的軸距，以此調(diào)整輸送鏈的張緊程度[5].

2）鏈?zhǔn)捷斔蜋C構(gòu)的支撐

由于輸送鏈較長，兩個鏈輪之間的輸送鏈較重，在此情況下，張緊輸送鏈后會造成鏈軸和鏈節(jié)之間的相互作用力較大，導(dǎo)致鏈軸轉(zhuǎn)動不靈活，無法通過摩擦方式驅(qū)動鏈軸轉(zhuǎn)動.為此，在輸送鏈支撐板上分別安裝上、下托板，將輸送鏈的上、下部分分別進行支撐，如圖12所示，使得在調(diào)整好兩個鏈輪軸的中心距后，輸送鏈的鏈軸、鏈節(jié)基本屬于自然連接狀態(tài)，以確保鏈軸轉(zhuǎn)動靈活.

3）輸送鏈的驅(qū)動

輸送鏈利用步進電機通過同步帶傳動進行驅(qū)動.為減小輸送鏈的鏈軸與鏈節(jié)之間的作用力，使上側(cè)輸送鏈由左向右運動，如圖13所示，輸送鏈運動過程中，下側(cè)輸送鏈承受拉力，而上側(cè)輸送鏈處于相對放松狀態(tài).

2.2.2 撥彈機構(gòu)

圖8 輸送鏈

圖9 鏈輪及輸送鏈

圖10 鏈輪軸

圖11 鏈輪軸支撐方式

圖12 輸送鏈的支撐

圖13 輸送鏈的驅(qū)動

撥彈機構(gòu)用于控制從供彈機構(gòu)傳過來的槍彈向輸送鏈的放置節(jié)奏，輸送鏈每向前運動一個鏈節(jié)，撥彈機構(gòu)向輸送鏈放置一顆槍彈，而且恰好放置于相鄰兩個鏈軸的溝槽內(nèi).為實現(xiàn)撥彈速度與輸送鏈運動速度的實時自動匹配，將撥彈輪軸的轉(zhuǎn)動與鏈輪軸的轉(zhuǎn)動通過帶傳動和尺寸傳動進行匹配，使得鏈輪每轉(zhuǎn)過一個齒，撥彈輪也轉(zhuǎn)過一個齒.撥彈機構(gòu)如圖14所示，鏈輪的齒數(shù)是撥彈輪齒數(shù)的2倍，為實現(xiàn)上述動作要求，所設(shè)計的帶傳動的傳動比為1:1，齒輪傳動的傳動比為2:1，輸彈槽的位置和傾斜角度均可調(diào)[6].

上述鏈?zhǔn)捷斔退欧到y(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖15所示.

2.2.3 槍彈旋轉(zhuǎn)驅(qū)動及圖像采集控制

1）槍彈摩擦旋轉(zhuǎn)驅(qū)動

槍彈外觀缺陷識別分為彈體和彈底兩大部分，對于彈體缺陷檢測，需要對彈體整周圖像采集并進行圖像識別.由于輸送鏈為連續(xù)運動，就必須在槍彈的勻速輸送過程中完成槍彈的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動.

為實現(xiàn)上述功能，在輸送鏈的下方安裝摩擦條安裝板，如圖16所示，在摩擦條安裝板上固定彈性摩擦條，并調(diào)整摩擦條在豎直方向的高度，使得鏈軸與摩擦條接觸時二者之間有適當(dāng)?shù)哪Σ亮?，從而在輸送鏈運動過程中，當(dāng)鏈軸與摩擦條接觸后，在摩擦力作用下鏈軸轉(zhuǎn)動，并帶動鏈軸支撐的槍彈進行旋轉(zhuǎn).經(jīng)大量實驗證明，當(dāng)支撐同一發(fā)槍彈的鏈軸同步滾動時，槍彈能夠可靠旋轉(zhuǎn).

為防止摩擦條與鏈軸摩擦期間造成輸送鏈豎直方向的振動，在摩擦區(qū)域的輸送鏈上方設(shè)置壓板，限制輸送鏈的跳動，提高了輸送鏈的運動及槍彈旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，如圖16所示.

圖14 撥彈機構(gòu)

圖15 鏈?zhǔn)捷斔退欧到y(tǒng)

圖16 槍彈的摩擦驅(qū)動

圖17 摩擦板結(jié)構(gòu)

摩擦安裝板的結(jié)構(gòu)如圖17所示，根據(jù)相機的視野大小和光源的光照效果，槍彈彈體的整周外觀需要圖像采集6次，因此，在摩擦安裝板的溝槽內(nèi)均勻安裝7條摩擦條，摩擦條的寬度即槍彈支撐位置彈體周長的1/6.經(jīng)反復(fù)測量，槍彈重心位置的彈體直徑約9.9 mm，計算可得摩擦條寬度約為5.2 mm.雖然槍彈在相鄰兩個鏈軸的支撐長度和位置不可準(zhǔn)確測量，存在一定的誤差，但經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)誤差大小在5°以內(nèi).在上述設(shè)計和計算下，槍彈每次摩擦旋轉(zhuǎn)約60°，而槍彈在光源照射下，相機每次拍攝的圖像約覆蓋70°圓心角范圍的彈體，足夠滿足彈體整周拍攝的要求.

采用上述摩擦方式驅(qū)動槍彈旋轉(zhuǎn)，可在輸送鏈的勻速輸送過程中完成，沒有其余位置和動作轉(zhuǎn)換，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了可靠性和效率.另外，鏈軸的摩擦為間歇式，在兩次摩擦之間進行拍攝，槍彈僅有水平移動運動而沒有轉(zhuǎn)動，一方面槍彈運動方式單一，另一方面槍彈的傳送運動穩(wěn)定，有利于提高相機拍攝質(zhì)量，從而提高缺陷識別的可靠性.

2）相機拍攝時機控制

為準(zhǔn)確控制相機拍攝時機，在鏈輪擋環(huán)上均勻安裝觸發(fā)柱，通過光耦開關(guān)控制相機的圖像采集觸發(fā)，如圖18所示，鏈輪轉(zhuǎn)過相鄰兩個觸發(fā)柱之間的轉(zhuǎn)角對應(yīng)輸送鏈水平輸送一個鏈節(jié)，即輸送鏈每向前移動一個鏈節(jié)的距離，相機觸發(fā)一次.擋環(huán)上觸發(fā)柱的安裝孔在數(shù)控上加工完成，保證足夠的精度.

圖18 光耦安裝方式

3 結(jié)論

“槍彈外觀缺陷智能檢選系統(tǒng)”實現(xiàn)了以計算機視覺識別技術(shù)為核心的彈體表面缺陷和彈底表面缺陷自動檢測和缺陷彈自動剔除的功能.本研究主要解決了機械伺服子系統(tǒng)中的以下問題：

1）解決了供彈料斗的可靠性問題.采用高效的振動排序輸送供料方式，供彈速度可調(diào)，最高可達(dá)每分鐘160發(fā).利用電磁振動作為槍彈移動的動力源，供彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，動作安全可靠，有效地消除了傳統(tǒng)供彈料斗的卡彈問題.利用子彈軸向型心與重心不重合的特點，設(shè)計了翻轉(zhuǎn)式排序結(jié)構(gòu)，巧妙地解決了槍彈頭尾方向一致性的問題.

2）解決了伺服機構(gòu)與視覺識別系統(tǒng)的匹配問題.由于采樣鏡頭的視角和照明系統(tǒng)的限制，在槍彈外觀識別過程中，每次拍攝有效視場約70°左右，要想可靠地實現(xiàn)360°識別，每發(fā)槍彈表面需要采集6次.為了確保槍彈表面采集區(qū)域分布的均勻性和每次采集的圖像之間的連續(xù)性，必須對伺服機構(gòu)的運動進行精確控制，并且必須和圖像采集相機的快門同步.經(jīng)過虛擬仿真和模擬樣機比對，最終選擇了鏈軸式伺服傳動方案，采用連續(xù)直動和可調(diào)諧間歇轉(zhuǎn)動的組合運動方式，實現(xiàn)了與視覺識別系統(tǒng)的匹配.

3）解決了連續(xù)視覺識別問題.采用分度式采樣方式，通過數(shù)組循環(huán)傳遞的方法，實現(xiàn)了連續(xù)視覺識別.由數(shù)組記錄槍彈表面缺陷情況，剔除裝置根據(jù)數(shù)組傳遞的信息，做出剔彈動作.自主開發(fā)的槍彈外觀缺陷識別軟件可以識別彈體和彈底的外觀缺陷，判斷標(biāo)準(zhǔn)符合GJB5227—2004的相關(guān)要求.