農(nóng)用發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸凸輪表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周康康　徐剛強(qiáng)　胡火明　曹毅　蔣文龍

摘 要：本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)可行性強(qiáng)并且穩(wěn)定的凸輪軸檢測(cè)系統(tǒng)，通過電機(jī)使凸輪軸旋轉(zhuǎn)一定角度后停下，使用攝像頭進(jìn)行拍攝。凸輪軸圖片進(jìn)行閾值二值化后，提取凸輪軸凸輪表面輪廓，得到凸輪軸凸輪表面區(qū)域。然后對(duì)凸輪軸凸輪表面區(qū)域進(jìn)行缺陷輪廓提取，得到表面缺陷輪廓，通過對(duì)表面缺陷的大小和周長(zhǎng)進(jìn)行篩選，實(shí)現(xiàn)缺陷分類。本研究還對(duì)檢測(cè)所用的四自由度機(jī)器臂求出正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解，通過圖像處理技術(shù)找出代表凸輪軸位姿的向量，并通過控制機(jī)械臂的方式實(shí)現(xiàn)凸輪軸在該系統(tǒng)中的自動(dòng)安裝、拆卸和分類放置。

關(guān)鍵詞：缺陷檢測(cè);缺陷分類;凸輪軸;機(jī)械臂

中圖分類號(hào)：TK413 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）29-0046-04

Design of Detection System for Camshaft Surface Defects

of Agricultural Engine

ZHOU Kangkang XU Gangqiang HU Huoming CAO Yi JIANG Wenlong

（Technology Center， Zhejiang Boxing Industry & Trade Co.， Ltd.， Jinhua Zhejiang 321016）

Abstract： In this study， a feasible and stable camshaft detection system is designed. The camshaft is rotated by the motor at a certain angle and stopped， and the camera is used for shooting. After the threshold binarization of camshaft image and the extraction of camshaft cam surface contour， the camshaft cam surface area is obtained. Then the surface defect contour is extracted from the camshaft surface area， and the surface defect contour is obtained. The defect classification is realized after screening the size and circumference of the surface defect. This study also obtains the forward and inverse kinematics solutions of the four degree of freedom manipulator used in the detection， finds out the vector representing the position and attitude of the camshaft through image processing technology， and realizes the automatic installation， disassembly and classified placement of the camshaft in the system by controlling the manipulator.

Keywords： defect detection;defect classification;camshaft;mechanical arm

作為活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件，凸輪軸是一根與氣缸組長(zhǎng)度相近的圓柱形棒體，上面套有若干個(gè)凸輪。目前，凸輪軸被廣泛應(yīng)用于汽車和船舶等對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和安全有重大影響的產(chǎn)業(yè)。凸輪軸在使用過程中需要承擔(dān)很大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和壓力。但凸輪軸的表面加工會(huì)受到凸輪鑄造時(shí)形成的氣泡影響，凸輪軸凸輪表面缺陷的缺陷率在5%左右。

凸輪軸能用于控制氣門的開啟和閉合動(dòng)作，由于氣門規(guī)律是決定發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的關(guān)鍵因素，所以凸輪軸表面對(duì)凸輪軸的質(zhì)量、安全、壽命和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有重大影響[1]。表面有缺陷的凸輪軸往往會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中不能平穩(wěn)運(yùn)行甚至不能正常工作，因此凸輪軸表面缺陷檢測(cè)在生產(chǎn)檢測(cè)過程中占據(jù)十分重要的地位。

傳統(tǒng)缺陷檢測(cè)大致可分為兩類：生產(chǎn)中檢測(cè)法和生產(chǎn)后檢測(cè)法。生產(chǎn)中檢測(cè)法一般指由J.Kaiser提出的聲發(fā)射法[2]。聲發(fā)射檢測(cè)法能將缺陷處的聲發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，但其主要用于檢測(cè)內(nèi)裂紋，對(duì)凸輪軸凸輪表面缺陷的適用性不強(qiáng)。生產(chǎn)后檢測(cè)法可分為直接目視檢測(cè)法、渦流法、磁粉法和超聲波法[3]。直接目視檢測(cè)法在一定程度上依靠工人的經(jīng)驗(yàn)，容易受到工人狀態(tài)的影響，而且檢測(cè)精度和效率不高。渦流法很大程度上依賴于材料，而且當(dāng)凸輪軸凸輪表面缺陷大于10%時(shí)，利用渦流法難以實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)[4]。在工業(yè)中使用磁粉法時(shí)，一般都是人工手動(dòng)操作，效率低且退磁麻煩[5]。超聲波法難以檢測(cè)凸輪表面的細(xì)小裂紋，而且難以排除非凸輪軸凸輪表面的干擾[6]。

筆者參考國內(nèi)視覺檢測(cè)的應(yīng)用先例，設(shè)計(jì)了一個(gè)能在生產(chǎn)中對(duì)凸輪軸表面缺陷進(jìn)行視覺檢測(cè)的系統(tǒng)。凸輪軸缺陷檢測(cè)的技術(shù)路線如圖1所示。

1 視覺檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所選取的主體是由鍛鋼鑄造而成，整體為白色的凸輪軸。凸輪表面經(jīng)精加工處理后有較強(qiáng)的反光特性，非凸輪區(qū)域?yàn)楹谏?，在一定條件下具有發(fā)光特性。如圖2（a）所示，該凸輪軸長(zhǎng)為140 mm，最大處直徑為80 mm，最小處直徑為20 mm，質(zhì)量為0.78 kg。該凸輪軸一共套有4個(gè)表面呈銀白色的凸輪，單個(gè)凸輪的表面積為851 mm，整個(gè)凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為14 044 kg·mm。

凸輪軸在右側(cè)靠近軸端處，有一個(gè)直徑為15 mm、厚為2 mm的圓環(huán)，該圓環(huán)上有一個(gè)寬為5 mm、深為2.55 mm的缺口。利用該缺口可以設(shè)計(jì)一個(gè)類似于套筒的結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示。該套筒長(zhǎng)為56 mm，外部圓環(huán)厚度為2.5 mm，深度為13 mm。在套筒的最左端有一個(gè)長(zhǎng)為3 mm、寬為5 mm的圓環(huán)狀突起。該突起在凸輪軸固定和安裝時(shí)正好能和處于凸輪軸上的缺口吻合，從而完成凸輪軸右端的固定。凸輪軸左側(cè)是一個(gè)直徑為20 mm、長(zhǎng)為11 mm的圓柱。為了方便拆卸和安裝，選用規(guī)格為100的三爪卡盤來固定軸的左端，三爪卡盤通過3個(gè)M8的螺栓安裝在如圖2（c）所示的法蘭盤上，該法蘭盤與主軸通過螺紋連接。凸輪軸、套筒、三爪看盤、法蘭盤和主軸形成了一個(gè)整體，通過型號(hào)為UCP-204和帶座球軸承UCP-208固定在高為900 mm的試驗(yàn)臺(tái)上。

拍照裝置采用型號(hào)為BFLY-PGE-50A2C-CS的工業(yè)相機(jī)，其分辨率為2 592×1 944、幀率為13 FPS（可調(diào)）。光源布置在所檢測(cè)凸輪軸的軸向方向，這既可以避免光照太強(qiáng)出現(xiàn)光斑，又可以避免光照太暗無法識(shí)別缺陷。在完成光照方案設(shè)計(jì)后，選擇了價(jià)格便宜和性能優(yōu)秀的LED燈作為光源。在試驗(yàn)條件下，凸輪軸凸輪表面缺陷和背景對(duì)比度較強(qiáng)。

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)的電控部件設(shè)計(jì)

采用三菱-fx3u型可編程控制器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)與回轉(zhuǎn)體通過聯(lián)軸器相連，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體以15 r/min的轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)動(dòng)1/8圈后停頓1 s，攝像頭采集該狀態(tài)下的凸輪軸圖像，循環(huán)8次，從而完成對(duì)凸輪軸整個(gè)表面圖像的采集。

通過SolidWorks計(jì)算可得出，回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.034 44 kg·m，回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速為15 r/min，則回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)矩T=0.054?N·m。通過計(jì)算可知，系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)子在正常工作時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=0.056?N·m，系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)在快速啟動(dòng)時(shí)的最大加速轉(zhuǎn)矩T=0.56?N·m，取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩T≥K?T=4×0.54=2.16?N·m。因此，本研究選用57BYG250D型永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩為2.3 N·m，相電流為4.2 A，步距角為1.8°，輸出軸直徑為8 mm。梅花形聯(lián)軸器（LM-20）能抗沖擊和緩和振動(dòng)，補(bǔ)償徑向、角向和軸向偏差，在與小型步進(jìn)電機(jī)連接中表現(xiàn)較好，故其將步進(jìn)電機(jī)與回轉(zhuǎn)體相連。

考慮到步進(jìn)電機(jī)的相電流為4.2 A，選用DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)置微細(xì)分技術(shù)，能在低細(xì)分的條件下達(dá)到高細(xì)分的標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行平穩(wěn)，在電網(wǎng)不穩(wěn)定時(shí)仍然能正常工作。57BYG250D型步進(jìn)電機(jī)設(shè)定完后的電流為4.2 A，半流模式打開，每圈需要的脈沖數(shù)為6 400，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與24 V直流電機(jī)相連。

由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定轉(zhuǎn)一圈需要6 400個(gè)脈沖，而電機(jī)轉(zhuǎn)速為15 r/min，則可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）發(fā)出脈沖的頻率為每秒800個(gè)，一次發(fā)送800個(gè)脈沖，從Y000口發(fā)出。當(dāng)脈沖發(fā)送完后，啟動(dòng)定時(shí)器，延時(shí)1 s。1 s后，計(jì)數(shù)器計(jì)一次數(shù)。循環(huán)上述步驟，直到計(jì)數(shù)器計(jì)到8，退出循環(huán)。本系統(tǒng)如圖3所示。

2 機(jī)械臂對(duì)凸輪軸的定位

2.1 機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

圖4是檢測(cè)系統(tǒng)采用的機(jī)械臂參考坐標(biāo)系線圖。本研究采用了一種四自由度機(jī)械臂的凸輪軸自動(dòng)安裝和拆卸方案。

開始工作時(shí)，機(jī)械臂從生產(chǎn)線中拾取凸輪軸，并在系統(tǒng)中安裝凸輪軸。檢測(cè)結(jié)束后，通過機(jī)械臂取下凸輪軸并將不同缺陷率的凸輪軸分開放置，這些運(yùn)動(dòng)都建立在對(duì)機(jī)器臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解的基礎(chǔ)上。

由機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)，習(xí)慣用書寫Cθ表示cosθ，同理Sθ表示sinθ。θ表示繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角;d表示關(guān)節(jié)偏移量;a表示連桿長(zhǎng)度;α表示相鄰Z軸之間的扭角;n表示第n個(gè)關(guān)節(jié)。每個(gè)參考系變換定義為A，有如下變換矩陣計(jì)算公式[7]：

2.2 機(jī)械臂安裝與拆卸凸輪軸流程

在凸輪軸表面粘貼一個(gè)圓形的貼紙，通過對(duì)凸輪軸圖像的提取，可以得到凸輪軸的質(zhì)心坐標(biāo)，通過二值閾值化和霍夫圓檢測(cè)等操作可以得到圓形貼紙的質(zhì)心。將兩個(gè)質(zhì)心相連，就可以得到一個(gè)代表凸輪軸的位置的向量，從而就能計(jì)算該向量與基準(zhǔn)坐標(biāo)的夾角坐標(biāo)，計(jì)算方法如下。

假定設(shè)凸輪軸質(zhì)心坐標(biāo)為X，Y，圓形貼紙坐標(biāo)為N，O，那么根據(jù)三角函數(shù)得：

在轉(zhuǎn)換為角度制后，r=θ×（180π），然后再讀取該角度，機(jī)械臂在計(jì)算路徑后就可以取下原來在生產(chǎn)線上的凸輪軸，通過設(shè)定試驗(yàn)臺(tái)上的凸輪軸位置為目標(biāo)位置，使用氣泵擰緊三爪卡盤，從而實(shí)現(xiàn)凸輪軸的安裝。在凸輪軸系統(tǒng)完成檢測(cè)后，三爪卡盤放松，機(jī)械臂夾取凸輪軸。若是合格，放置于原來的生產(chǎn)線上，若是不合格，放置于其他處。這樣就完成了凸輪軸的自動(dòng)安裝、拆卸和分揀。

3 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一種凸輪軸凸輪表面檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中的光照系統(tǒng)，盡可能地避免了生產(chǎn)環(huán)境下光照條件的影響。同時(shí)，利用SolidWorks進(jìn)行實(shí)物建模與仿真，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)凸輪軸靈活固定與拆卸。同時(shí)，選用了符合該凸輪軸檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的硬件，編寫了電機(jī)的控制程序，實(shí)現(xiàn)了凸輪軸在系統(tǒng)中的平穩(wěn)和精確轉(zhuǎn)動(dòng)。本研究還對(duì)四自由度機(jī)器臂求出了正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解，通過圖像處理技術(shù)找出了代表凸輪軸位姿的向量，并通過控制機(jī)械臂的方式實(shí)現(xiàn)凸輪軸在該系統(tǒng)中的自動(dòng)安裝、拆卸和分類放置。

參考文獻(xiàn)：

[1]周康康，徐剛強(qiáng).某通用汽油機(jī)凸輪軸早期磨損分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（17）：55-56.

[2]王小朋.聲發(fā)射技術(shù)在壓力容器無損檢測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（12）：164-165.

[3]梁巖，郭曉霞.渦流法無損檢測(cè)鋁合金管材可靠性的研究[J].輕鋁合金加工技術(shù)，2000（12）：28-30.

[4]唐汝鈞.機(jī)械工程材料測(cè)試手冊(cè)·物理金相卷[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999：20.

[5]樊兆馥.機(jī)械安裝實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008：30.

[6]張國棟.全國統(tǒng)一安裝工程預(yù)決算操作規(guī)范應(yīng)用手冊(cè)：第五冊(cè)[M].北京：印刷工業(yè)出版社，2000：53.

[7]NIKU S.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論：分析、系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：45.