基于PLC及機器視覺的無刷電機負載性能自動測試系統(tǒng)設計

柴進 王燕 雷乾勇

摘 ?要：該文主要介紹一種基于H5U小型PLC控制及機器視覺自動識別電機裝夾位置的負載性能自動測試系統(tǒng)設計方法，可應用于無刷直流微特電機的終檢階段，通過上位機進行測試數(shù)據(jù)處理，評判電機負載性能的合格度。該系統(tǒng)設計無刷電機負載自動加載結構，并采用PLC進行精確動作、信號及試驗流程控制；基于機器視覺識別，精確找正電機聯(lián)軸器位置并自動對中裝夾；此外，該系統(tǒng)還利用LabVIEW開發(fā)上位機程序，用于測試數(shù)據(jù)的采集和分析。經(jīng)驗證，該自動測試系統(tǒng)及方法符合無刷電機測試技術要求。

關鍵詞：PLC；機器視覺；無刷電機；負載性能；自動測試

中圖分類號：TM33 ? ? ?文獻標志碼：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

無刷電機作為一種高效、節(jié)能的電機，其性能的測試一直受到廣泛關注。隨著無刷直流電動機產(chǎn)品的應用越來越廣泛，產(chǎn)能逐年提升，傳統(tǒng)的單一項目測試、人工手動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機的出廠檢測模式，利用自動化測試產(chǎn)線或者自動測試設備提高產(chǎn)品的檢測效率，降低人員勞動強度的同時保證按時完成產(chǎn)品的檢測，以滿足用戶配套需求。因此，設計一種自動、高效、簡便的無刷電機負載性能測試系統(tǒng)具有重要意義。

1 ?系統(tǒng)設計原理

本系統(tǒng)主要針對整體外形直徑小于70 mm的微特無刷直流電機進行負載性能測試系統(tǒng)設計，其機身外形為規(guī)則圓柱形，負載性能參數(shù)主要包含負載轉(zhuǎn)速、電壓、電流、負載扭矩、負載正反轉(zhuǎn)速差及轉(zhuǎn)速差率等。其主要測試原理為電機機身固定、輸出軸使用彈性聯(lián)軸節(jié)與測功機輸出軸進行連接，保證同軸抱緊不打滑，電機引出線按要求接線，給電機加額定電壓使電機空載運行平穩(wěn)后，使用測功機給電機加規(guī)定負載。本系統(tǒng)自動控制測量電機施加規(guī)定電壓和負載，設計可通信無刷電機通用控制器進行轉(zhuǎn)速、電壓、電流和轉(zhuǎn)向等參數(shù)的測試并記錄。同時，過程中監(jiān)測并記錄電機負載電流的變化情況。單臺電機可能測量多個電壓或多個負載力矩下的數(shù)據(jù)。測得的電機正向負載轉(zhuǎn)速減去反向負載轉(zhuǎn)速之差的絕對值即為電機的空載正反向轉(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)設計無刷直流電機自動對中的對托試驗平臺，負載端采用不同型號大小的測功機實現(xiàn)加載、卸載的切換，兼容不同型號電機測試；設計聯(lián)軸器外形尺寸可視覺識別特征，用于調(diào)整角度及位置，與測功機進行柔性化對接。無刷電機控制器的設計基本原理為根據(jù)電機霍爾信號反饋進行三相母線通斷調(diào)制，并能通過頻率信號計算轉(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行測試，測試數(shù)據(jù)實時上傳上位機進行處理分析。系統(tǒng)測試過程設計原理如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)三維模型設計

無刷電機負載性能測試系統(tǒng)的裝置硬件是系統(tǒng)方法實現(xiàn)的載體，采用Solidworks進行模型設計，依據(jù)無刷電機負載性能測試參數(shù)及功能需求，擬設計機構包含舉升定位機構、電機通電機構、負載及切換加載機構、托盤壓緊機構、測功機聯(lián)軸器拍照機構、電機聯(lián)軸器拍照機構和聯(lián)軸器定位機構。裝置硬件結構圖如圖2所示。

2.1 ?機構組成及功能

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

2.2 ?機構動作流程

本系統(tǒng)所述設計有7種主要機構，整個機構運行流程大致分為9步：①工裝通過輸送線傳送到負載工位；②舉升機構將工裝舉升定位，啟動壓緊機構將工裝壓緊；③CCD1檢測負載端聯(lián)軸器位置及角度；④CCD2檢測電機端聯(lián)軸器位置及角度；⑤電機端聯(lián)軸器找正機構帶動電機軸旋轉(zhuǎn)到對應角度；⑥XY伺服機構位移到對中位置將兩側聯(lián)軸器對中；⑦通電工裝控制探針將電機與控制器接通；⑧啟動電機，測試負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、工作電壓和電流等；⑨檢測結果通過測試計算機上傳給數(shù)據(jù)處理服務器。

3 ?系統(tǒng)電氣設計

3.1 ?電氣原理及架構

本系統(tǒng)電氣設計硬件組成包含：PLC、CCD總成、測功機控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、上位機、交換機、氣缸電磁閥及傳感器、伺服電機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)進行通信，控制測試流程及協(xié)調(diào)各機構動作；采用機器視覺識別，依靠視覺算法精確找正電機聯(lián)軸器位置并自動對中裝夾；利用LabVIEW開發(fā)了上位機程序，用于測試數(shù)據(jù)的采集和分析。測試系統(tǒng)電氣設計架構圖如圖3所示。

電氣設計的基本原理及流程：因被測無刷電機安裝在托盤上，本測試裝置上設計有傳送帶，被測無刷電機隨托盤進入測試工位，檢測傳感器檢測到來料，PLC控制擋停氣缸對托盤進行阻擋，工站RFID進行產(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進行負載測試。擋停氣缸確認正常后，PLC接受到觸發(fā)開始測試動作，控制位移伺服機構到相應位置，在到達拍照位置時觸發(fā)光源和相機進行拍照，拍照對象為隨行工裝上的電機聯(lián)軸器和負載端測功機輸出軸聯(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算機，經(jīng)過圖像處理，上位機計算出電機聯(lián)軸器的位置和旋轉(zhuǎn)角度值。位置和旋轉(zhuǎn)角度值通過上位機將數(shù)據(jù)反饋給PLC，控制負載測試端的伺服機構和電機聯(lián)軸器找正機構動作，伺服機構對現(xiàn)在的負載端聯(lián)軸器的位置進行調(diào)整，同時對找正機構電機聯(lián)軸器的角度進行調(diào)整，完全匹配完成后，PLC給出觸發(fā)信號，負載端位移機構完成移動對中咬合。負載測試工位的圖像處理用來輔助伺服機構進行位置及角度調(diào)整，完成對中的動作。

3.2 ?PLC程序設計

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

PLC程序開發(fā)的關鍵控制技術為制造標準器件功能調(diào)用塊，本系統(tǒng)中定義2個主要功能塊，分別為氣缸調(diào)用標準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準化、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)設計中，擬設計有CCD總成，用于測試過程聯(lián)軸器的拍照。不同型號電機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，相機管理中有2個相機用于拍照，分別為被測電機軸聯(lián)軸器和測功機輸出軸聯(lián)軸器，選擇相機圖像源用于不同聯(lián)軸器特征的識別。

2）進行高精度匹配，對圖像源拍攝的聯(lián)軸器端部特征進行邊緣提取，按照預設的參數(shù)進行空間像素的搜索，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。利用高精度匹配算法，延拓閾值可進行微調(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)軸器對象進行輔助定位、修正目標運動偏移、輔助精準定位。聯(lián)軸器圖像的高精度匹配結果中匹配點和匹配框隨著每次上料裝夾的位置不同或者裝夾電機的誤差等影響導致像素基準偏移，位置修正算法可以建立位置偏移的基準，然后再根據(jù)特征匹配結果中的運行點和基準點的相對位置偏移實現(xiàn)ROI檢測框的坐標旋轉(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，實現(xiàn)位置校準后進行聯(lián)軸器的大致圓的擬合，擬合一個以軸心為圓心的特征圓。

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

6）發(fā)送數(shù)據(jù)，將提取的角度計算值通過相機GIGE接口發(fā)送至上位機；上位機經(jīng)過數(shù)據(jù)解析，確定為合格坐標后，下發(fā)PLC；PLC控制機構對聯(lián)軸器進行角度調(diào)整，進而使得電機軸聯(lián)軸器和測功機軸聯(lián)軸器實現(xiàn)對接，進而實現(xiàn)電機負載的通電測試。

4 ?系統(tǒng)軟件設計

無刷電機負載性能自動測試軟件系統(tǒng)擬采用LabVIEW語言實現(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、手動調(diào)試界面和設備自檢界面。同時，本系統(tǒng)控制軟件的設計可實現(xiàn)的功能主要有：根據(jù)需要實現(xiàn)上電控制時序與數(shù)據(jù)采集；能夠自動對電機的空載/帶載電流-時間、電機運行轉(zhuǎn)速-時間數(shù)據(jù)波形；能夠自動測量記錄產(chǎn)品運行過程中電流、轉(zhuǎn)速；能夠形成測試報表及測試結果合格判定分析；具備電流和轉(zhuǎn)速報警監(jiān)控等功能。本系統(tǒng)的軟件設計界面如圖4所示。

其中，測試主界面包含無刷電機負載測試過程中的電壓、電流曲線顯示，測試轉(zhuǎn)速顯示，測試實時扭矩值顯示，PLC控制的報警信息等。手動調(diào)試界面主要是作為人機交互界面，與PLC通信，對系統(tǒng)控制的伺服、氣缸等進行手動動作。參數(shù)配置界面主要是對不同型號的無刷電機產(chǎn)品測試參數(shù)標準值、基準值配置，形成配方列表，配方具備添加、刪除等功能。設備自檢界面是對各個通信接口和儀器進行自檢，確保測試開始時通信正常。

5 ?結束語

通過PLC及機器視覺的無刷電機負載性能自動測試系統(tǒng)的設計，能夠為無刷直流電機的測試提供一種可靠的自動負載測試方法；基于視覺識別的電機聯(lián)軸器對中技術應用于測試過程中，可提高無刷電機終檢環(huán)節(jié)的測試效率和測試質(zhì)量；依靠自動測試，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。通過設計平臺的搭建及驗證，本設計系統(tǒng)能夠作為終檢環(huán)節(jié)無刷電機負載性能試驗的良好平臺并可提升無刷電機負載檢驗效率、保證負載電氣性能測試數(shù)據(jù)的一致性及準確性。

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