一種基于CCD的汽車雨刮心軸自動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)

王愛(ài)平，黃建文 ，黃錦濤 ，趙玉平

（1.寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.智途科技公司，寧夏 銀川 750021；3.清華大學(xué) 機(jī)械工程系 北京 100084）

1 汽車雨刮器及檢測(cè)現(xiàn)狀

汽車雨刮器又稱為刮水器、水撥或擋風(fēng)玻璃雨刷，是用來(lái)刷刮除附著于車輛擋風(fēng)玻璃上的雨點(diǎn)及灰塵的設(shè)備，以改善駕駛?cè)说哪芤?jiàn)度，增加行車安全。幾乎所有地方的汽車都帶有雨刮。對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)，碰到雨天，清晰的視野對(duì)于司機(jī)來(lái)說(shuō)尤為重要。除了汽車外，其他運(yùn)輸工具也安裝了雨刷，例如火車、電車及起重機(jī)等工程用機(jī)具。汽車雨刮器由電動(dòng)機(jī)、減速器、四連桿機(jī)構(gòu)、刮水臂心軸以及刮水片總成等組成。汽車雨刮器四連桿機(jī)構(gòu)是常用的典型機(jī)構(gòu)，目前通過(guò)一般化運(yùn)動(dòng)副與機(jī)構(gòu)拓?fù)浞椒ㄒ呀?jīng)研究出交叉連桿與曲柄連桿機(jī)構(gòu)組合、八連桿機(jī)構(gòu)；LED、微機(jī)增加了監(jiān)測(cè)顯示與系統(tǒng)控制的智能化、人性化、標(biāo)準(zhǔn)化功能；三坐標(biāo)的精密測(cè)量為汽車雨刮器的制造過(guò)程提供了激光掃描觸點(diǎn)式與3D激光測(cè)點(diǎn)復(fù)位高精密測(cè)量手段。由于刮水臂心軸加工質(zhì)量要求高且生產(chǎn)批量大，僅靠人工檢測(cè)已經(jīng)不能滿足質(zhì)量要求。一些生產(chǎn)汽車雨刮器的企業(yè)通常采取的檢測(cè)方法是在心軸的表面上方置ZLDS200掃描傳感器，通過(guò)發(fā)射的激光掃描線，把其表面輪廓反映出來(lái)。通過(guò)ZLDS200軟件的處理，測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在其合格范圍內(nèi)判定為合格品，否則為不合格品。但是該方法存在主要的功能缺陷，如心軸表面幾何尺寸變化時(shí)難以檢測(cè)到死角等。

因此，本文提出了一種針對(duì)雨刮器心軸自動(dòng)檢測(cè)機(jī)的設(shè)計(jì)方案及其在生產(chǎn)精密測(cè)量的應(yīng)用而進(jìn)行了研究。

2 雨刮器心軸自動(dòng)檢測(cè)機(jī)的設(shè)計(jì)方案

2.1 雨刮器心軸檢測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)雨刮器心軸使用性能要求，相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表1。

表1 刮水臂心軸零件的相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目

2.2 雨刮器心軸自動(dòng)檢測(cè)機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)與功能

根據(jù)某生產(chǎn)雨刮器企業(yè)要求，雨刮器心軸自動(dòng)檢測(cè)機(jī)能夠滿足自動(dòng)上料、自動(dòng)檢測(cè)、判定合格品及不合格品等功能性要求。根據(jù)客戶需求進(jìn)行功能性設(shè)計(jì)，雨刮器心軸自動(dòng)檢測(cè)機(jī)的結(jié)構(gòu)包括進(jìn)料倉(cāng)、出料倉(cāng)、五道工序、物料移動(dòng)裝置，并配合顯示屏、控制面板及機(jī)架。采用桌面式布局，它主要由以下幾部分組成：①人工上料倉(cāng)（人工上料至料倉(cāng)，料倉(cāng)具有300+件工件儲(chǔ)料能力，可根據(jù)需求設(shè)置料倉(cāng)大?。?；②物料移動(dòng)裝置（工序間物料的移動(dòng)）；③五道檢測(cè)工序（檢測(cè)相關(guān)尺寸）；④自動(dòng)下料裝置（自動(dòng)區(qū)分合格品、不合格品并分別存儲(chǔ)）；⑤觸控液晶顯示屏（顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)及過(guò)程）；⑥工控主機(jī)；⑦支撐機(jī)架，機(jī)架主體支撐為鈑金結(jié)構(gòu)，上部為玻璃框架，便于觀察，輸出速度最高為12個(gè)/min。

雨刮器心軸自動(dòng)檢測(cè)機(jī)如圖1所示。

圖1 雨刮器心軸自動(dòng)檢測(cè)機(jī)

各部分主要結(jié)構(gòu)：

（1）料倉(cāng)

采用機(jī)械式儲(chǔ)料料倉(cāng)，主要分為料斗、分料機(jī)構(gòu)、V形料道等機(jī)構(gòu)，如圖2所示。工作時(shí)，人工將工件按照同一姿態(tài)放置入料倉(cāng)內(nèi)，工件在重力作用下集中在料斗底部。在料倉(cāng)狀態(tài)1時(shí)，分料機(jī)構(gòu)與V形料道的相對(duì)位置使料斗中工件“卡”在V形料道邊沿而無(wú)法進(jìn)入料道，當(dāng)分料機(jī)構(gòu)上升即在料倉(cāng)狀態(tài)2時(shí)，工件由料道邊沿上升至料道上方，工件在重力作用下滾入V形料道。同時(shí)分料機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)料倉(cāng)儲(chǔ)料及單個(gè)工件的依次輸出。

（2）物料移動(dòng)機(jī)構(gòu)

物料移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要采用“抬起步伐式”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各工序間物料的移動(dòng)及傳遞，如圖3所示。物料移動(dòng)板為V形料道結(jié)構(gòu)，可承載柱形工件。當(dāng)五個(gè)工位工序同時(shí)完成后，工控主機(jī)發(fā)出指令，指令達(dá)成后，物料移動(dòng)板Z軸升起并帶動(dòng)各工序工裝上工件上升，然后物料移動(dòng)板向X軸方向移動(dòng)，帶動(dòng)工件到達(dá)下一工位。當(dāng)工件到達(dá)下一工位時(shí)，定位傳感器處于“開(kāi)”狀態(tài)，此時(shí)物料移動(dòng)板沿Z軸下降，實(shí)現(xiàn)各工件依次進(jìn)入下序。X軸由步進(jìn)點(diǎn)機(jī)驅(qū)動(dòng)，滑塊導(dǎo)軌導(dǎo)向；Z軸由氣缸驅(qū)動(dòng)，直線軸承光軸導(dǎo)向。

圖3 料倉(cāng)及其所處狀態(tài)

圖3 物料移動(dòng)機(jī)構(gòu)

（3）工序1

工序1去除油污機(jī)構(gòu)如圖4所示，此工序目的在于處理工件螺紋面防銹油，主要原理利用壓縮空氣吹除螺紋面防銹油并統(tǒng)一收集。該機(jī)構(gòu)含有壓縮空氣腔體，腔體由氣缸驅(qū)動(dòng)、直線軸承光軸導(dǎo)向，可沿Y軸移動(dòng)。工作時(shí)，當(dāng)工件到達(dá)工位后，壓緊氣缸下降壓緊工件，壓縮空氣腔體向工件方向移動(dòng)，壓縮空氣開(kāi)啟并吹除工件表面防銹油。隨后各部件返回，此工序完成。

圖4 工序1：去除油污機(jī)構(gòu)

（4）工序2、3

此工序主要是對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量。工件由于熱處理等原因，表面“發(fā)黑”，測(cè)量數(shù)據(jù)包含長(zhǎng)度、螺紋、直紋、斜紋和槽等數(shù)據(jù)。

（5）工序4

涂防銹油機(jī)構(gòu)如圖5所示，工序4工作內(nèi)容為螺紋處涂防銹油。此機(jī)構(gòu)中含X軸方向自由度的加油頭，加油頭內(nèi)部含海綿體，腔體連通防銹油導(dǎo)管，保證海綿體一直含有防銹油。工作時(shí)壓緊機(jī)構(gòu)壓緊工件使其不能運(yùn)動(dòng)，加油頭通過(guò)左右運(yùn)動(dòng)對(duì)及含防銹油的海綿體與螺紋表面擠壓對(duì)工件涂油。

圖5 工序4：涂防銹油機(jī)構(gòu)

（6）工序5

分向篩選機(jī)構(gòu)如圖7所示，工序5為合格品及不合格品分料及儲(chǔ)存工序，該工序包括卡具、分向機(jī)構(gòu)、滾道、不合格品料倉(cāng)以及合格品料倉(cāng)五部分。其中分向機(jī)構(gòu)含Z軸自由度，可連通合格品滾道或不合格品滾道（氣缸驅(qū)動(dòng)、光軸及直線軸承導(dǎo)向）；滾道分為上下兩層，分別連通合格品料倉(cāng)及不合格品料倉(cāng)；卡具與裝置機(jī)架固定。工件靠重力作用在滾道中滾動(dòng)并輸送至相應(yīng)料倉(cāng)。

圖6 工序5：分向篩選機(jī)構(gòu)

2.3 刮器心軸自動(dòng)檢測(cè)機(jī)的制造工藝

使用自動(dòng)檢測(cè)機(jī)制造雨刮器心軸的工藝步驟為

1）料倉(cāng)：采用機(jī)械式儲(chǔ)料料倉(cāng)，人工將工件按照同一姿態(tài)放置入料倉(cāng)內(nèi)，料倉(cāng)可自動(dòng)分料及上料至下道工序，主要原理利用柱形工件的滾動(dòng)及自身重力進(jìn)入工位。

2）物料移動(dòng)裝置：采用“抬起步伐式結(jié)構(gòu)”對(duì)物料進(jìn)行移動(dòng)，由86步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)。

3）工序1：處理工件螺紋面防銹油，主要原理利用壓縮空氣吹除螺紋面防銹油并統(tǒng)一收集到回轉(zhuǎn)箱，過(guò)濾器過(guò)濾氣體，保存油脂。

4）工序2：尺寸檢測(cè)，主要采用雙面陣相機(jī)對(duì)主視圖進(jìn)行成像，成像后計(jì)算若干尺寸，并與事先輸入系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對(duì)比，輸出結(jié)果。

5）工序3：螺紋部分檢測(cè)，采用線陣相機(jī)對(duì)螺紋進(jìn)行成像，處理圖像并分析螺紋相關(guān)尺寸。

6）工序4：涂工件螺紋面防銹油，利用海綿體吸收液體的原理對(duì)工件進(jìn)行表面防銹油的涂拭，即吸收防銹油的海綿體與工件表面接觸。

7）工序5：對(duì)合格品及不合格品進(jìn)行區(qū)分，利用移動(dòng)滾道改變滾道方向，實(shí)現(xiàn)合格品進(jìn)入合格品滾道（合格品料倉(cāng)），不合格品進(jìn)入不合格品滾道（不合格品料倉(cāng)）。

8）液晶顯示屏：顯示檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)。

9）工控主機(jī)：儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，提供運(yùn)算服務(wù)。

10）機(jī)架：主體結(jié)構(gòu)為鈑金機(jī)構(gòu)，下部為電氣安裝空間（含檢修門(mén)）及油脂存儲(chǔ)、氣壓存儲(chǔ)罐等；上部為玻璃框架結(jié)構(gòu)，便于觀察各設(shè)備運(yùn)行（此處玻璃為茶色玻璃）。

2.4 電氣設(shè)備及其配置參數(shù)

設(shè)備配置參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 設(shè)備配置參數(shù)

（續(xù)）

經(jīng)過(guò)雨刮器檢測(cè)機(jī)自動(dòng)分料、除油、參數(shù)測(cè)定（相機(jī)拍攝與輸入?yún)?shù)相比較）幾個(gè)工序，將合格品與不合格品進(jìn)行分離。其中關(guān)鍵工序?yàn)閰?shù)測(cè)定，它直接影響工件檢測(cè)的精度。故在實(shí)際工作中引入了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)復(fù)測(cè)，以驗(yàn)證其檢驗(yàn)質(zhì)量精度能否達(dá)到設(shè)計(jì)與使用要求。

3 測(cè)量結(jié)果分析與討論

檢測(cè)效果見(jiàn)表3（表中均為像素值，在公差范圍內(nèi)其光源干凈情況下的數(shù)據(jù)很穩(wěn)定）。

表3 檢測(cè)結(jié)果

（續(xù)）

3.1 對(duì)比參數(shù)

使用CCD線陣相機(jī)通過(guò)拍照進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)隨機(jī)抽取三個(gè)工件，選取六組特征參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與三維坐標(biāo)精密測(cè)量機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表4。

表4 測(cè)量參數(shù)對(duì)比

3.2 測(cè)量結(jié)果分析

長(zhǎng)度尺寸：長(zhǎng)度尺寸小數(shù)點(diǎn)后兩位均相符，零件使用滿足小數(shù)點(diǎn)后兩位合格，符合要求。

直徑尺寸：直徑尺寸有差距，但均在零件要求的尺寸公差范圍內(nèi)，符合使用要求。

角度尺寸：角度尺寸在三坐標(biāo)測(cè)量時(shí)由于測(cè)量基面不易固定，故兩者差距較大，但對(duì)于雨刮器來(lái)說(shuō)，其角度公差范圍為0°～2°，CCD線陣相機(jī)測(cè)量與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量差距在30′之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)與使用要求。依據(jù)表4制作的CCD線陣相機(jī)測(cè)量與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)分析圖，分別如圖10所示。

4 智能化應(yīng)用

該雨刮器自動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)充分運(yùn)用了數(shù)字化、智能化檢測(cè)方法。智能化是建立在數(shù)據(jù)化基礎(chǔ)上的，意味著通過(guò)智能技術(shù)的應(yīng)用，逐步具備類似于人類的感知能力、記憶和思維能力、學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)能力和行為決策能力，在各種場(chǎng)景中，以人類的需求為中心，能動(dòng)地感知外界事物，按照與人類思維模式相近的方式和給定的知識(shí)與規(guī)則，通過(guò)數(shù)據(jù)的處理和反饋，對(duì)隨機(jī)性的外部環(huán)境做出決策并付諸行動(dòng)。經(jīng)過(guò)雨刮器檢測(cè)機(jī)自動(dòng)分料、除油、參數(shù)測(cè)定（相機(jī)拍攝與輸入?yún)?shù)相比較）幾個(gè)工序，將合格品與不合格品進(jìn)行分離。

5 結(jié)束語(yǔ)