基于PLC及機(jī)器視覺的無刷電機(jī)負(fù)載性能自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柴進(jìn) 王燕 雷乾勇

摘 ?要：該文主要介紹一種基于H5U小型PLC控制及機(jī)器視覺自動(dòng)識別電機(jī)裝夾位置的負(fù)載性能自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可應(yīng)用于無刷直流微特電機(jī)的終檢階段，通過上位機(jī)進(jìn)行測試數(shù)據(jù)處理，評判電機(jī)負(fù)載性能的合格度。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)無刷電機(jī)負(fù)載自動(dòng)加載結(jié)構(gòu)，并采用PLC進(jìn)行精確動(dòng)作、信號及試驗(yàn)流程控制；基于機(jī)器視覺識別，精確找正電機(jī)聯(lián)軸器位置并自動(dòng)對中裝夾；此外，該系統(tǒng)還利用LabVIEW開發(fā)上位機(jī)程序，用于測試數(shù)據(jù)的采集和分析。經(jīng)驗(yàn)證，該自動(dòng)測試系統(tǒng)及方法符合無刷電機(jī)測試技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：PLC；機(jī)器視覺；無刷電機(jī)；負(fù)載性能；自動(dòng)測試

中圖分類號：TM33 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0140-04

Abstract： This paper mainly introduces a design method of load performance automatic test system based on H5U small PLC control and machine vision to automatically identify the clamping position of motor， which can be applied to the final inspection stage of brushless DC micro-special motor. The test data are processed by the host computer to evaluate the qualified degree of motor load performance. The system designs brushless motor load automatic loading structure， and uses PLC to control precise action， signal and test flow; based on machine vision recognition， accurately aligns the position of motor coupling and automatically aligns clamps; in addition， the system also uses LabVIEW to develop host computer programs for test data acquisition and analysis. It is proved that the automatic test system and method meet the technical requirements of brushless motor testing.

Keywords： PLC; machine vision; brushless motor; load performance; automatic test

無刷電機(jī)作為一種高效、節(jié)能的電機(jī)，其性能的測試一直受到廣泛關(guān)注。隨著無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，產(chǎn)能逐年提升，傳統(tǒng)的單一項(xiàng)目測試、人工手動(dòng)測試等方式其測試精度、測試效率、產(chǎn)品質(zhì)量保障方面均已不能滿足生產(chǎn)需要，在有限的人力資源及硬件資源下，需改變無刷直流電動(dòng)機(jī)的出廠檢測模式，利用自動(dòng)化測試產(chǎn)線或者自動(dòng)測試設(shè)備提高產(chǎn)品的檢測效率，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)保證按時(shí)完成產(chǎn)品的檢測，以滿足用戶配套需求。因此，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)、高效、簡便的無刷電機(jī)負(fù)載性能測試系統(tǒng)具有重要意義。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)主要針對整體外形直徑小于70 mm的微特?zé)o刷直流電機(jī)進(jìn)行負(fù)載性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其機(jī)身外形為規(guī)則圓柱形，負(fù)載性能參數(shù)主要包含負(fù)載轉(zhuǎn)速、電壓、電流、負(fù)載扭矩、負(fù)載正反轉(zhuǎn)速差及轉(zhuǎn)速差率等。其主要測試原理為電機(jī)機(jī)身固定、輸出軸使用彈性聯(lián)軸節(jié)與測功機(jī)輸出軸進(jìn)行連接，保證同軸抱緊不打滑，電機(jī)引出線按要求接線，給電機(jī)加額定電壓使電機(jī)空載運(yùn)行平穩(wěn)后，使用測功機(jī)給電機(jī)加規(guī)定負(fù)載。本系統(tǒng)自動(dòng)控制測量電機(jī)施加規(guī)定電壓和負(fù)載，設(shè)計(jì)可通信無刷電機(jī)通用控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)速、電壓、電流和轉(zhuǎn)向等參數(shù)的測試并記錄。同時(shí)，過程中監(jiān)測并記錄電機(jī)負(fù)載電流的變化情況。單臺電機(jī)可能測量多個(gè)電壓或多個(gè)負(fù)載力矩下的數(shù)據(jù)。測得的電機(jī)正向負(fù)載轉(zhuǎn)速減去反向負(fù)載轉(zhuǎn)速之差的絕對值即為電機(jī)的空載正反向轉(zhuǎn)速差，如下公式

基于上述電參數(shù)測試基本原理，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)自動(dòng)對中的對托試驗(yàn)平臺，負(fù)載端采用不同型號大小的測功機(jī)實(shí)現(xiàn)加載、卸載的切換，兼容不同型號電機(jī)測試；設(shè)計(jì)聯(lián)軸器外形尺寸可視覺識別特征，用于調(diào)整角度及位置，與測功機(jī)進(jìn)行柔性化對接。無刷電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)基本原理為根據(jù)電機(jī)霍爾信號反饋進(jìn)行三相母線通斷調(diào)制，并能通過頻率信號計(jì)算轉(zhuǎn)速，要求測試的電壓、電流信號則通過控制器中安裝的電壓電流傳感器及芯片進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳上位機(jī)進(jìn)行處理分析。系統(tǒng)測試過程設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)三維模型設(shè)計(jì)

無刷電機(jī)負(fù)載性能測試系統(tǒng)的裝置硬件是系統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)的載體，采用Solidworks進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，依據(jù)無刷電機(jī)負(fù)載性能測試參數(shù)及功能需求，擬設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)包含舉升定位機(jī)構(gòu)、電機(jī)通電機(jī)構(gòu)、負(fù)載及切換加載機(jī)構(gòu)、托盤壓緊機(jī)構(gòu)、測功機(jī)聯(lián)軸器拍照機(jī)構(gòu)、電機(jī)聯(lián)軸器拍照機(jī)構(gòu)和聯(lián)軸器定位機(jī)構(gòu)。裝置硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 ?機(jī)構(gòu)組成及功能

其中，舉升定位機(jī)構(gòu)適用于不同型號產(chǎn)品設(shè)計(jì)的通用托盤，精確定位產(chǎn)品來料位置，無刷電機(jī)依靠手夾安裝在托盤上的V型槽上，托盤隨著設(shè)備外部流線中轉(zhuǎn)進(jìn)入設(shè)備加工區(qū)，設(shè)計(jì)的舉升定位機(jī)構(gòu)依靠電缸將托盤頂起，定位產(chǎn)品測試當(dāng)前位置。電機(jī)通電機(jī)構(gòu)安裝在通用托盤底部，采用鍍金的彈性針與設(shè)備供電端進(jìn)行接觸式對接，托盤定位后產(chǎn)品接線電路與設(shè)備供電端通電，電機(jī)母線、霍爾元件、鎖制器等均可進(jìn)行通電，實(shí)現(xiàn)了柔性連接。負(fù)載及切換加載機(jī)構(gòu)由3組測功機(jī)組成，每組測功機(jī)扭矩范圍不同，可兼容不同轉(zhuǎn)速及扭矩的無刷電機(jī)加載，通過產(chǎn)品型號輸入，系統(tǒng)選擇不同種類測功機(jī)與電機(jī)物理連接，實(shí)現(xiàn)特定負(fù)載扭矩點(diǎn)的控制。托盤壓緊機(jī)構(gòu)，采購旋轉(zhuǎn)氣缸及上下氣缸進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)氣缸原位時(shí)托盤到位，旋轉(zhuǎn)氣缸自動(dòng)到動(dòng)位，上下氣缸壓緊托盤，實(shí)現(xiàn)托盤固定。測功機(jī)聯(lián)軸器拍照機(jī)構(gòu)由相機(jī)、環(huán)形光源及光源控制器組成，功能為對測功機(jī)軸端聯(lián)軸器拍照，確定聯(lián)軸器特征角度值。電機(jī)聯(lián)軸器拍照機(jī)構(gòu)功能為確定無刷電機(jī)軸端聯(lián)軸器當(dāng)前角度。聯(lián)軸器定位機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、柔性滾輪組成，用于調(diào)整電機(jī)聯(lián)軸器角度，根據(jù)CCD系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)調(diào)整電機(jī)聯(lián)軸器角度與測功機(jī)聯(lián)軸器角度特征對齊，可進(jìn)行聯(lián)軸器自動(dòng)對接并對中。

2.2 ?機(jī)構(gòu)動(dòng)作流程

本系統(tǒng)所述設(shè)計(jì)有7種主要機(jī)構(gòu)，整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行流程大致分為9步：①工裝通過輸送線傳送到負(fù)載工位；②舉升機(jī)構(gòu)將工裝舉升定位，啟動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)將工裝壓緊；③CCD1檢測負(fù)載端聯(lián)軸器位置及角度；④CCD2檢測電機(jī)端聯(lián)軸器位置及角度；⑤電機(jī)端聯(lián)軸器找正機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)到對應(yīng)角度；⑥XY伺服機(jī)構(gòu)位移到對中位置將兩側(cè)聯(lián)軸器對中；⑦通電工裝控制探針將電機(jī)與控制器接通；⑧啟動(dòng)電機(jī)，測試負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、工作電壓和電流等；⑨檢測結(jié)果通過測試計(jì)算機(jī)上傳給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

3 ?系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

3.1 ?電氣原理及架構(gòu)

本系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)硬件組成包含：PLC、CCD總成、測功機(jī)控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、上位機(jī)、交換機(jī)、氣缸電磁閥及傳感器、伺服電機(jī)及控制器和電缸及控制器等；采用PLC作為系統(tǒng)總控，與各系統(tǒng)進(jìn)行通信，控制測試流程及協(xié)調(diào)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作；采用機(jī)器視覺識別，依靠視覺算法精確找正電機(jī)聯(lián)軸器位置并自動(dòng)對中裝夾；利用LabVIEW開發(fā)了上位機(jī)程序，用于測試數(shù)據(jù)的采集和分析。測試系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如圖3所示。

電氣設(shè)計(jì)的基本原理及流程：因被測無刷電機(jī)安裝在托盤上，本測試裝置上設(shè)計(jì)有傳送帶，被測無刷電機(jī)隨托盤進(jìn)入測試工位，檢測傳感器檢測到來料，PLC控制擋停氣缸對托盤進(jìn)行阻擋，工站RFID進(jìn)行產(chǎn)品型號、編號等數(shù)據(jù)的讀取，根據(jù)產(chǎn)品型號判斷選擇配對哪組測功機(jī)進(jìn)行負(fù)載測試。擋停氣缸確認(rèn)正常后，PLC接受到觸發(fā)開始測試動(dòng)作，控制位移伺服機(jī)構(gòu)到相應(yīng)位置，在到達(dá)拍照位置時(shí)觸發(fā)光源和相機(jī)進(jìn)行拍照，拍照對象為隨行工裝上的電機(jī)聯(lián)軸器和負(fù)載端測功機(jī)輸出軸聯(lián)軸器。CCD總成中，圖像數(shù)據(jù)通過高速圖像傳輸線纜到圖像處理計(jì)算機(jī)，經(jīng)過圖像處理，上位機(jī)計(jì)算出電機(jī)聯(lián)軸器的位置和旋轉(zhuǎn)角度值。位置和旋轉(zhuǎn)角度值通過上位機(jī)將數(shù)據(jù)反饋給PLC，控制負(fù)載測試端的伺服機(jī)構(gòu)和電機(jī)聯(lián)軸器找正機(jī)構(gòu)動(dòng)作，伺服機(jī)構(gòu)對現(xiàn)在的負(fù)載端聯(lián)軸器的位置進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對找正機(jī)構(gòu)電機(jī)聯(lián)軸器的角度進(jìn)行調(diào)整，完全匹配完成后，PLC給出觸發(fā)信號，負(fù)載端位移機(jī)構(gòu)完成移動(dòng)對中咬合。負(fù)載測試工位的圖像處理用來輔助伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置及角度調(diào)整，完成對中的動(dòng)作。

3.2 ?PLC程序設(shè)計(jì)

基于PLC及機(jī)器視覺的無刷電機(jī)負(fù)載性能自動(dòng)測試系統(tǒng)中PLC擬采用匯川H5U型號，PLC程序采用模塊控制方式進(jìn)行梯形圖開發(fā)，考慮通信的便捷性及交互響應(yīng)速度，PLC不與相機(jī)控制器通信，采用上位機(jī)局部變量觸發(fā)的方式對相機(jī)觸發(fā)。PLC程序中Main函數(shù)主要負(fù)責(zé)調(diào)用程序塊，考慮設(shè)備初始化動(dòng)作過程較多，系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)專門的初始化程序塊。因此，整個(gè)PLC程序中程序塊包含設(shè)備系統(tǒng)模塊、程序塊初始化模塊、報(bào)警模塊、伺服控制模塊、電缸控制模塊、氣缸控制模塊、測功機(jī)控制模塊及上位機(jī)通信模塊。設(shè)備系統(tǒng)模塊主要對按鈕信號、產(chǎn)品型號選擇、設(shè)備測試效率和設(shè)備三色燈狀態(tài)信號等進(jìn)行處理，對設(shè)備手動(dòng)狀態(tài)、自動(dòng)狀態(tài)、初始化狀態(tài)等進(jìn)行編輯；程序塊初始化模塊主要是對伺服進(jìn)行原點(diǎn)搜索及初始化動(dòng)作進(jìn)行程序編輯；報(bào)警模塊將設(shè)備所有控制硬件出現(xiàn)的報(bào)警及系統(tǒng)故障信息進(jìn)行匯總上傳到上位機(jī)人機(jī)界面顯示；其他功能模塊則由系統(tǒng)自動(dòng)、手動(dòng)運(yùn)行的各模塊功能動(dòng)作編輯。

PLC程序開發(fā)的關(guān)鍵控制技術(shù)為制造標(biāo)準(zhǔn)器件功能調(diào)用塊，本系統(tǒng)中定義2個(gè)主要功能塊，分別為氣缸調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)功能塊和總線伺服調(diào)用基本功能塊，主要功能為使編程標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化，能夠快速組態(tài)程序，按照功能模型快速開發(fā)程序。

3.3 ?視覺程序開發(fā)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，擬設(shè)計(jì)有CCD總成，用于測試過程聯(lián)軸器的拍照。不同型號電機(jī)檢測的視覺流程及算法配置不同，系統(tǒng)以產(chǎn)品型號作為全局變量進(jìn)行各程序觸發(fā)調(diào)用，基于聯(lián)軸器的特征形態(tài)，視覺程序開發(fā)流程如下。

1）調(diào)用圖像源，相機(jī)管理中有2個(gè)相機(jī)用于拍照，分別為被測電機(jī)軸聯(lián)軸器和測功機(jī)輸出軸聯(lián)軸器，選擇相機(jī)圖像源用于不同聯(lián)軸器特征的識別。

2）進(jìn)行高精度匹配，對圖像源拍攝的聯(lián)軸器端部特征進(jìn)行邊緣提取，按照預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行空間像素的搜索，確定聯(lián)軸器的端部外形，找到每次拍攝的聯(lián)軸器對象目標(biāo)。利用高精度匹配算法，延拓閾值可進(jìn)行微調(diào)，聯(lián)軸器對中過程中的磨損等問題出現(xiàn)，拍照圖像的邊緣顯示不全，延拓閾值設(shè)置參數(shù)可以保證圖像被找到。

3）位置修正，對匹配的聯(lián)軸器對象進(jìn)行輔助定位、修正目標(biāo)運(yùn)動(dòng)偏移、輔助精準(zhǔn)定位。聯(lián)軸器圖像的高精度匹配結(jié)果中匹配點(diǎn)和匹配框隨著每次上料裝夾的位置不同或者裝夾電機(jī)的誤差等影響導(dǎo)致像素基準(zhǔn)偏移，位置修正算法可以建立位置偏移的基準(zhǔn)，然后再根據(jù)特征匹配結(jié)果中的運(yùn)行點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的相對位置偏移實(shí)現(xiàn)ROI檢測框的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)偏移，也就是讓ROI區(qū)域能夠跟上圖像角度和像素的變化。

4）聯(lián)軸器圓擬合，實(shí)現(xiàn)位置校準(zhǔn)后進(jìn)行聯(lián)軸器的大致圓的擬合，擬合一個(gè)以軸心為圓心的特征圓。

5）特征圓查找，將聯(lián)軸器擬合的圓進(jìn)行圖像中圓心查找和特征角度計(jì)算。

6）發(fā)送數(shù)據(jù)，將提取的角度計(jì)算值通過相機(jī)GIGE接口發(fā)送至上位機(jī)；上位機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)解析，確定為合格坐標(biāo)后，下發(fā)PLC；PLC控制機(jī)構(gòu)對聯(lián)軸器進(jìn)行角度調(diào)整，進(jìn)而使得電機(jī)軸聯(lián)軸器和測功機(jī)軸聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)對接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)負(fù)載的通電測試。

4 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無刷電機(jī)負(fù)載性能自動(dòng)測試軟件系統(tǒng)擬采用LabVIEW語言實(shí)現(xiàn)。LabVIEW是圖形化開發(fā)環(huán)境語言，又稱G語言。本系統(tǒng)中整體軟件框架由4部分組成，即測試主界面、參數(shù)配置界面、手動(dòng)調(diào)試界面和設(shè)備自檢界面。同時(shí)，本系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的功能主要有：根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)上電控制時(shí)序與數(shù)據(jù)采集；能夠自動(dòng)對電機(jī)的空載/帶載電流-時(shí)間、電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速-時(shí)間數(shù)據(jù)波形；能夠自動(dòng)測量記錄產(chǎn)品運(yùn)行過程中電流、轉(zhuǎn)速；能夠形成測試報(bào)表及測試結(jié)果合格判定分析；具備電流和轉(zhuǎn)速報(bào)警監(jiān)控等功能。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)界面如圖4所示。

其中，測試主界面包含無刷電機(jī)負(fù)載測試過程中的電壓、電流曲線顯示，測試轉(zhuǎn)速顯示，測試實(shí)時(shí)扭矩值顯示，PLC控制的報(bào)警信息等。手動(dòng)調(diào)試界面主要是作為人機(jī)交互界面，與PLC通信，對系統(tǒng)控制的伺服、氣缸等進(jìn)行手動(dòng)動(dòng)作。參數(shù)配置界面主要是對不同型號的無刷電機(jī)產(chǎn)品測試參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值、基準(zhǔn)值配置，形成配方列表，配方具備添加、刪除等功能。設(shè)備自檢界面是對各個(gè)通信接口和儀器進(jìn)行自檢，確保測試開始時(shí)通信正常。

5 ?結(jié)束語

通過PLC及機(jī)器視覺的無刷電機(jī)負(fù)載性能自動(dòng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠?yàn)闊o刷直流電機(jī)的測試提供一種可靠的自動(dòng)負(fù)載測試方法；基于視覺識別的電機(jī)聯(lián)軸器對中技術(shù)應(yīng)用于測試過程中，可提高無刷電機(jī)終檢環(huán)節(jié)的測試效率和測試質(zhì)量；依靠自動(dòng)測試，可替代人員裝夾、接線，避免測試過程中人員誤操作、誤判誤讀等問題。通過設(shè)計(jì)平臺的搭建及驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠作為終檢環(huán)節(jié)無刷電機(jī)負(fù)載性能試驗(yàn)的良好平臺并可提升無刷電機(jī)負(fù)載檢驗(yàn)效率、保證負(fù)載電氣性能測試數(shù)據(jù)的一致性及準(zhǔn)確性。

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