軸承在線自動檢測控制系統設計

蘇俊宏,栗波波,陳智利

摘 ?要： 工業視覺在線自動檢測設備主要應用于高精度、重復性的工業檢測環節中，以其非接觸性的優點，廣泛應用于軸承檢測領域。著重介紹軸承在線自動檢測裝置中硬件及PLC控制系統的設計與選取。包括圖像采集系統、PLC控制系統及工件傳送系統、圖像采集系統與工件傳送系統在PLC控制系統控制下完成對軸承的在線自動檢測。經實際測試，該系統能很好完成軸承檢測工作，有操作簡單、穩定性好、精確度高等優點。

關鍵詞： PLC； 機械手； 電氣控制； 自動檢測

中圖分類號： TN710?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）23?0126?03

Design of control system for bearing automatic detection

SU Jun?hong， ?LI Bo?bo， ?CHEN Zhi?li

（Xian Technological University， Xian 710021， China）

Abstract： The on?line auto detection equipment of industrial vision are mainly used in high?accuracy and high?repeatability industrial testing link. It is widely used in the field of bearing detection due to the advantages of non?contact. The design of hardware and PLC control system in the online automatic detection device is mainly introduced in this paper， including the image acquisition system， PLC control system and the work piece transfer system. The online automatic detection of bearings is completed by the image acquisition system and the work piece transfer system under control of PLC control system. The testing result indicates that the system can accomplish work piece detection well， and has advantages of simple operation， high stability and high accuracy.

Keywords： ?PLC； manipulator； ?electrical control； automatic detection

0 ?引 ?言

軸承在機械行業中應用非常廣泛，軸承質量的好壞直接影響到安全生產和機器的使用性能及壽命[1]。圖1為軸承在線自動檢測裝置示意圖，傳送帶光電開關檢測到軸承后，氣缸將軸承推至工位1，機械手將工位1上的軸承夾持至工位2，工位2上的傳感器檢測到軸承后，CCD1相機對軸承側面進行拍攝，CCD2對正面進行拍攝，并將圖像傳至圖像處理系統，若合格，機械手將軸承夾持至傳送帶[2]，不合格則夾持至廢料箱。軸承在線自動檢測系統是典型的機、電、氣一體化裝置，以其結構簡單、價格低廉、動作迅速、可靠性好、抗干擾性強和維修方便等優點廣泛運用于軸承檢測工業現場中。

1 ?軸承自動檢測系統介紹

機械手由機械系統、監測系統、氣動系統和電控系統組成。機械結構分為底座、支柱、手臂和氣爪四部分，可以控制旋轉氣缸、伸縮氣缸和氣爪三個部分，分別使用3個電磁閥驅動，在可編程控制器和觸摸屏的控制下，實現機身的上升、下降、旋轉和氣爪夾取。結構圖如圖2所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t1.tif>；

圖1 軸承在線自動檢測整體示意圖

1.1 ?控制系統組成

在本系統中，需要的輸入端口有12個，輸出端口需要11個，輸出為繼電器輸出。需要對機械手動作的位移、工位上軸承是否到位進行檢測，均為數字量輸入。考慮預留一定的I/O余量及對PLC硬件資源充分利用的要求，根據輸入/輸出控制要求的分析，本文選用OMRON公司生產的CPM1A?X40DT?D型的可編程控制器[3]。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t2.tif>；

圖2 機械手結構圖

1.2 ?圖像采集系統結構

圖像采集系統由可轉動載物平臺、光學照明系統（平面光源和環形光源）和CCD相機組成，如圖3所示。CCD2對工件的上表面進行拍攝，之后CCD1對工件側面進行拍攝，載物臺每轉動90°，CCD1對工件進行一次拍攝，總共拍攝四次[1]。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t3.tif>；

圖3 圖像采集平臺

2 ?PLC控制系統電路設計

該電氣控制系統有2個啟停信號控制按鈕、9個限位開關和2個光電開關。共13個開關量輸入信號，11個開關量輸出信號，共同控制著機械手的運行。

2.1 ?PLC電路設計

CPM1A?X40DT?D外部接線圖如圖4所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t4.tif>；

圖4 CPM1A?X40DT?D外部接線圖

2.2 ?PLC I/O口分配

PLC輸入/輸出端口分配如表1所示。

表1 PLC輸入/輸出端口分配

[輸入＼&；＼&；輸出＼&；＼&；0.00＼&；開始＼&；10.00＼&；機械手上行＼&；0.01＼&；停止＼&；10.01＼&；機械手下行＼&；0.02＼&；機械手上限為傳感器＼&；10.02＼&；機械手右行＼&；0.03＼&；機械手到位傳感器＼&；10.03＼&；機械手左行＼&；0.04＼&；機械手下限位傳感器＼&；10.04＼&；氣爪夾緊＼&；0.05＼&；機械手右限位傳感器＼&；10.05＼&；氣爪松開＼&；0.06＼&；機械手左限位傳感器＼&；10.06＼&；載物臺右旋＼&；0.07＼&；機械手中間限位傳感器＼&；10.07＼&；CCD1拍攝＼&；0.08＼&；氣爪壓力傳感器＼&；11.00＼&；CCD2拍攝＼&；0.09＼&；工位1工件檢測傳感器＼&；11.01＼&；報警＼&；1.00＼&；工位2工件檢測傳感器＼&；11.02＼&；緊急停止＼&；1.01＼&；工件合格信號＼&；＼&；＼&；1.02＼&；工件不合格信號＼&；＼&；＼&；1.03＼&；傳送帶光電傳感器1＼&；＼&；＼&；1.04＼&；傳送帶光電傳感器2＼&；＼&；＼&；]

3 ?PLC控制程序設計

可編程控制器編程語言中，梯形圖語言是應用最廣泛的一種編程語言，也是最能直觀表達電氣控制原理的編程語言[2]。本文使用OMRON的CX?Programs梯形圖編輯器建立PLC程序。當工位1檢測到工件后，機械手將工位1上的工件夾持至工位2.CCD相機對工位2上的工件拍攝檢測完成后，將合格與否的信號傳送至PLC，當工件合格時，機械手將工件夾持至傳送帶，不合格時，機械手將工件夾持至廢料箱。圖5和圖6為軸承由工位1傳送至工位2的運行流程圖及相應的PLC梯形圖。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t5.tif>；

圖5 工件由工位1傳送至工位2運行流程圖

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t6.tif>；

圖6 工件由工位1傳送至工位2的PLC梯形圖

圖7和圖8為軸承由工位2傳送至傳送帶或者廢料箱的運行流程圖及相應的PLC梯形圖。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t7.tif>；

圖7 工件由工位2傳送至皮帶或者廢料箱運行流程圖

4 ?結 ?語

經初步運行調試，軸承在線自動檢測系統可以滿足工業現場軸承檢測的基本需求。本文PLC梯形圖采用順序法編程，執行效率較低，需要深入學習編程經驗，簡化程序。PLC有較多的輸入輸出口余留，可增加各類型的位移傳感器，進一步增加控制精度。PLC控制系統以其良好的穩定性，可適用于各種生產環境，編程語言可根據現場環境和動作需求修改語言，適用各類生產線需求，實用性強。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t8.tif>；

圖8 工件由工位2傳送至傳送帶或者廢料箱的PLC梯形圖

參考文獻

[1] 劉勝利.基于工業視覺的軸承尺寸在線檢測技術[D].西安：西安工業大學，2014.

[2]李燦燦，黃星德.氣動機械手PLC控制部分設計[J].三峽大學學報，2010（4）：74?76.

[3] 孟雷.可編程序控制器（PLC）選用時的問題與對策[J].內江科技，2007（5）：100?101.

[4] 楊陽，蔣先剛.基于圖像分析的滾動軸承表面缺陷識別技術研究[J].華東交通大學報，2008，25（6）：41?46.

[5] 陳潔.現代PLC控制技術與發展[J].精密制造與自動化，2004（4）：48?49.

[6]朱梅.液壓與氣壓技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[7] 張曉明.基于CCD的小軸徑零件全自動測量系統研究[D].西安：西安理工大學，2011.

[8] 賈伯年.傳感器技術[M].南京：東南大學出版社，2007.

[9] 王冬青.可編程控制器及原理[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[10] 黃偉，胡青龍.機械手PLC控制系統設計[J].機電工程技術，2008（11）：91?95.

圖3 圖像采集平臺

2 ?PLC控制系統電路設計

該電氣控制系統有2個啟停信號控制按鈕、9個限位開關和2個光電開關。共13個開關量輸入信號，11個開關量輸出信號，共同控制著機械手的運行。

2.1 ?PLC電路設計

CPM1A?X40DT?D外部接線圖如圖4所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t4.tif>；

圖4 CPM1A?X40DT?D外部接線圖

2.2 ?PLC I/O口分配

PLC輸入/輸出端口分配如表1所示。

表1 PLC輸入/輸出端口分配

[輸入＼&；＼&；輸出＼&；＼&；0.00＼&；開始＼&；10.00＼&；機械手上行＼&；0.01＼&；停止＼&；10.01＼&；機械手下行＼&；0.02＼&；機械手上限為傳感器＼&；10.02＼&；機械手右行＼&；0.03＼&；機械手到位傳感器＼&；10.03＼&；機械手左行＼&；0.04＼&；機械手下限位傳感器＼&；10.04＼&；氣爪夾緊＼&；0.05＼&；機械手右限位傳感器＼&；10.05＼&；氣爪松開＼&；0.06＼&；機械手左限位傳感器＼&；10.06＼&；載物臺右旋＼&；0.07＼&；機械手中間限位傳感器＼&；10.07＼&；CCD1拍攝＼&；0.08＼&；氣爪壓力傳感器＼&；11.00＼&；CCD2拍攝＼&；0.09＼&；工位1工件檢測傳感器＼&；11.01＼&；報警＼&；1.00＼&；工位2工件檢測傳感器＼&；11.02＼&；緊急停止＼&；1.01＼&；工件合格信號＼&；＼&；＼&；1.02＼&；工件不合格信號＼&；＼&；＼&；1.03＼&；傳送帶光電傳感器1＼&；＼&；＼&；1.04＼&；傳送帶光電傳感器2＼&；＼&；＼&；]

3 ?PLC控制程序設計

可編程控制器編程語言中，梯形圖語言是應用最廣泛的一種編程語言，也是最能直觀表達電氣控制原理的編程語言[2]。本文使用OMRON的CX?Programs梯形圖編輯器建立PLC程序。當工位1檢測到工件后，機械手將工位1上的工件夾持至工位2.CCD相機對工位2上的工件拍攝檢測完成后，將合格與否的信號傳送至PLC，當工件合格時，機械手將工件夾持至傳送帶，不合格時，機械手將工件夾持至廢料箱。圖5和圖6為軸承由工位1傳送至工位2的運行流程圖及相應的PLC梯形圖。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t5.tif>；

圖5 工件由工位1傳送至工位2運行流程圖

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t6.tif>；

圖6 工件由工位1傳送至工位2的PLC梯形圖

圖7和圖8為軸承由工位2傳送至傳送帶或者廢料箱的運行流程圖及相應的PLC梯形圖。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t7.tif>；

圖7 工件由工位2傳送至皮帶或者廢料箱運行流程圖

4 ?結 ?語

經初步運行調試，軸承在線自動檢測系統可以滿足工業現場軸承檢測的基本需求。本文PLC梯形圖采用順序法編程，執行效率較低，需要深入學習編程經驗，簡化程序。PLC有較多的輸入輸出口余留，可增加各類型的位移傳感器，進一步增加控制精度。PLC控制系統以其良好的穩定性，可適用于各種生產環境，編程語言可根據現場環境和動作需求修改語言，適用各類生產線需求，實用性強。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t8.tif>；

圖8 工件由工位2傳送至傳送帶或者廢料箱的PLC梯形圖

參考文獻

[1] 劉勝利.基于工業視覺的軸承尺寸在線檢測技術[D].西安：西安工業大學，2014.

[2]李燦燦，黃星德.氣動機械手PLC控制部分設計[J].三峽大學學報，2010（4）：74?76.

[3] 孟雷.可編程序控制器（PLC）選用時的問題與對策[J].內江科技，2007（5）：100?101.

[4] 楊陽，蔣先剛.基于圖像分析的滾動軸承表面缺陷識別技術研究[J].華東交通大學報，2008，25（6）：41?46.

[5] 陳潔.現代PLC控制技術與發展[J].精密制造與自動化，2004（4）：48?49.

[6]朱梅.液壓與氣壓技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[7] 張曉明.基于CCD的小軸徑零件全自動測量系統研究[D].西安：西安理工大學，2011.

[8] 賈伯年.傳感器技術[M].南京：東南大學出版社，2007.

[9] 王冬青.可編程控制器及原理[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[10] 黃偉，胡青龍.機械手PLC控制系統設計[J].機電工程技術，2008（11）：91?95.

圖3 圖像采集平臺

2 ?PLC控制系統電路設計

該電氣控制系統有2個啟停信號控制按鈕、9個限位開關和2個光電開關。共13個開關量輸入信號，11個開關量輸出信號，共同控制著機械手的運行。

2.1 ?PLC電路設計

CPM1A?X40DT?D外部接線圖如圖4所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t4.tif>；

圖4 CPM1A?X40DT?D外部接線圖

2.2 ?PLC I/O口分配

PLC輸入/輸出端口分配如表1所示。

表1 PLC輸入/輸出端口分配

[輸入＼&；＼&；輸出＼&；＼&；0.00＼&；開始＼&；10.00＼&；機械手上行＼&；0.01＼&；停止＼&；10.01＼&；機械手下行＼&；0.02＼&；機械手上限為傳感器＼&；10.02＼&；機械手右行＼&；0.03＼&；機械手到位傳感器＼&；10.03＼&；機械手左行＼&；0.04＼&；機械手下限位傳感器＼&；10.04＼&；氣爪夾緊＼&；0.05＼&；機械手右限位傳感器＼&；10.05＼&；氣爪松開＼&；0.06＼&；機械手左限位傳感器＼&；10.06＼&；載物臺右旋＼&；0.07＼&；機械手中間限位傳感器＼&；10.07＼&；CCD1拍攝＼&；0.08＼&；氣爪壓力傳感器＼&；11.00＼&；CCD2拍攝＼&；0.09＼&；工位1工件檢測傳感器＼&；11.01＼&；報警＼&；1.00＼&；工位2工件檢測傳感器＼&；11.02＼&；緊急停止＼&；1.01＼&；工件合格信號＼&；＼&；＼&；1.02＼&；工件不合格信號＼&；＼&；＼&；1.03＼&；傳送帶光電傳感器1＼&；＼&；＼&；1.04＼&；傳送帶光電傳感器2＼&；＼&；＼&；]

3 ?PLC控制程序設計

可編程控制器編程語言中，梯形圖語言是應用最廣泛的一種編程語言，也是最能直觀表達電氣控制原理的編程語言[2]。本文使用OMRON的CX?Programs梯形圖編輯器建立PLC程序。當工位1檢測到工件后，機械手將工位1上的工件夾持至工位2.CCD相機對工位2上的工件拍攝檢測完成后，將合格與否的信號傳送至PLC，當工件合格時，機械手將工件夾持至傳送帶，不合格時，機械手將工件夾持至廢料箱。圖5和圖6為軸承由工位1傳送至工位2的運行流程圖及相應的PLC梯形圖。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t5.tif>；

圖5 工件由工位1傳送至工位2運行流程圖

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t6.tif>；

圖6 工件由工位1傳送至工位2的PLC梯形圖

圖7和圖8為軸承由工位2傳送至傳送帶或者廢料箱的運行流程圖及相應的PLC梯形圖。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t7.tif>；

圖7 工件由工位2傳送至皮帶或者廢料箱運行流程圖

4 ?結 ?語

經初步運行調試，軸承在線自動檢測系統可以滿足工業現場軸承檢測的基本需求。本文PLC梯形圖采用順序法編程，執行效率較低，需要深入學習編程經驗，簡化程序。PLC有較多的輸入輸出口余留，可增加各類型的位移傳感器，進一步增加控制精度。PLC控制系統以其良好的穩定性，可適用于各種生產環境，編程語言可根據現場環境和動作需求修改語言，適用各類生產線需求，實用性強。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼48t8.tif>；

圖8 工件由工位2傳送至傳送帶或者廢料箱的PLC梯形圖

參考文獻

[1] 劉勝利.基于工業視覺的軸承尺寸在線檢測技術[D].西安：西安工業大學，2014.

[2]李燦燦，黃星德.氣動機械手PLC控制部分設計[J].三峽大學學報，2010（4）：74?76.

[3] 孟雷.可編程序控制器（PLC）選用時的問題與對策[J].內江科技，2007（5）：100?101.

[4] 楊陽，蔣先剛.基于圖像分析的滾動軸承表面缺陷識別技術研究[J].華東交通大學報，2008，25（6）：41?46.

[5] 陳潔.現代PLC控制技術與發展[J].精密制造與自動化，2004（4）：48?49.

[6]朱梅.液壓與氣壓技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[7] 張曉明.基于CCD的小軸徑零件全自動測量系統研究[D].西安：西安理工大學，2011.

[8] 賈伯年.傳感器技術[M].南京：東南大學出版社，2007.

[9] 王冬青.可編程控制器及原理[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[10] 黃偉，胡青龍.機械手PLC控制系統設計[J].機電工程技術，2008（11）：91?95.