插接件視覺檢測中自動送料排序裝置設計

蘇晨 張楊 李萍 劉嬌嬌

摘要：針對插接件質輕、形體小、精密度高、形狀多樣等特點，為提高檢測工作的效率和可靠性，以 Micro-USB型插接件為例設計自動送料排序裝置，采用振動器配合排序機構實現對散料按指定面與方位有序排列。該裝置通過對螺旋料槽振動頻率和振幅、溝槽深度和角度以及其他部分的設計計算，多種手段并用，達到對原料篩選和定向排序的目的。

關鍵詞：送料排序；振動器；Micro-USB；視覺檢測

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）11-2749-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.050

Designs of Automatic Feeding and Sorting Device for Connectors in Visual Inspection

SU Chen， ZHANG Yang， LI Ping， LIU Jiao-jiao

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： Connectors are usually light weight，small body，high precision，shape diversity and so on，in order to improve the efficiency and reliability of the inspection work， the device of automatic feeding and sorting in the practice of Micro-USB adopts a vibrator and sorting mechanism to realize the orderly arrangement of the bulk material in the specified surface. The device is based on depth， angle，vibration frequency and amplitude of the spiral groove，and the use of various methods to achieve the purpose of screening and directed sequencing.

Key words： feeding and sorting； vibrator； Micro-USB； visual inspection

隨著科技的進步以及人工成本的不斷增加，傳統的人工質檢效率低下，早已不能滿足電子插接件行業的發展，因此需要利用機器視覺檢測來滿足電子插接件檢測上速度與精度的要求。由于插接件產品一般形體小、精密度高、制造速度快[1]，現有的自動送料裝置很難滿足電子插接件的送料排序要求。而送料的速度以及排序的準確率直接對整個機器視覺檢測系統的效率、精度和可靠性產生影響。

1 自動送料排序裝置設計原理

1.1 Micro-USB型插接件的結構及定向姿態

待定向零件的定向姿態是指零件經過整理后從料斗軌道輸出的零件姿態。通過設計適合的料斗定向元件，在上料過程中零件由自然姿態轉變為符合最終要求的定向姿態[2]。

Micro-USB型插接件的大小為13 mm×7 mm×3 mm，體積小、質量輕，其結構特點是整體較為規則，一端為階梯形（圖1）。為滿足后續視覺檢測的要求，自動送料排序裝置需使大量堆積的插接件全部按一個狀態和方向排序輸送。插接件在進入料斗時的自然姿態可分為立式和平式（正反面不同均可視為該姿態）兩種。由于插接件較扁平，送料時易于重疊，因此需要剔除重疊及立式的插接件。

根據插接件的結構特點以及振動原理，料斗中的散料在進入螺旋形溝槽時為列式前進（圖2），為了便于視覺檢測，插接件上的簧片需面向上，圖1的主視圖（下稱其為正面）為辨別是否是正面在上，需將列式前進變為橫式前進，再根據相應機構的設置辨別插接件的姿態，不符合要求的插接件均會被剔除回料斗重新排序，符合的將被輸送到下一步工序進行視覺檢測。

1.2 機構送料原理

振動式上料機是所有料斗式進料裝置中最適合于小型工程零件的上料機。為實現插接件定向排序，選用螺旋式振動送料機，其結構主要由料盤、板彈簧、電磁振動器、底座及減振支腳等構件組成。如圖3所示，振動送料機構中軌道為螺旋狀式，零件沿著淺圓柱漏斗狀和盤狀料斗內壁上升。料盤由三片或四片板彈簧支撐，板彈簧以一定的斜度緊固在基座上，料盤下固定著銜鐵。在電磁鐵鐵芯的線圈中，通入經過半波整流的單向脈動電流，電磁鐵便產生一次相應的脈沖電磁力。由于電磁力是一個周期變化的強迫作用力，因此電磁式振動送料機構是一個以電磁力為周期干擾力的強迫振動系統[3]。

當電磁式振動送料機構采用不同的運動參數時，工件就在料槽上出現不同的運動形式。從理論上來說，只有正向滑動和拋擲運動對工件的送料才有實際意義。但由于運動參數的一些限制，在實際工作中上述幾種運動形式可能有各種不同的組合形式。通過調節電磁鐵的供給電壓來改變料斗的振幅，從而使料斗以較高的送料率平穩送料。

2 振動送料機構參數的選擇和計算

2.1 運動學參數的選擇和計算

2.1.1 物料運動狀態的選擇 由于物料是不離開工作面向前滑動，那么物料與工作面并沒有沖擊，且噪音小，但工作面和物料接觸面磨損較大。所以要想獲得較高的輸送速度則必須采用較大的振幅，然而電振機的振幅大小受電磁鐵工作氣隙的限制，因此電振給料機幾乎不采用滑行運動這種方式。于是考慮采用拋擲運動[4]，而拋擲運動產生的條件：

D=■=Ksinβ （1）

D為拋擲指數；K為機械指數，代表機械振動強度。則產生拋擲運動的時間為：

ts=■arcos（-■） （2）

當D<1時，物料在整個振動周期中都在工作面上，不可能被拋起，只有相對滑動；當D=1時，物料的起點與落點重合；當D>1時，物料被連續拋擲，在槽體加速度垂直分量等于重力加速度負值的瞬間，物料開始被拋起，沿拋物線軌跡向前運動，經過一段時間此運動過程重復進行。通過物料的連續跳躍來實現物料連續向前運動。做拋擲運動時物料與槽體工作面接觸時間很短，大部分時間呈跳離狀態[5]，所以針對插接件的特性，電振機采用中速拋擲運動，拋擲指數選擇D=2.7。

2.1.2 機構機械指數、振動次數和振幅的選擇 機構機械指數K的選擇主要受機構材料強度及物體剛度限制，通常K取2～6，此處選擇K=2。振動次數i一般根據電振機激磁方式來決定，此處選擇半波整流電振機n=3 000次/min。槽體振幅a1是根據物料的運動狀態來決定的，其值可由式（3）[6]求出。

a1=■ （3）

在選擇振動次數i和振幅a1時應滿足許用機械指數[K]的要求，許用機械指數[K]一般取5～10。

2.1.3 機構振動方向角的選擇 振動方向角β的選擇有兩個基本原則，一是要盡量提高輸送速度，二是要考慮物料性質的要求。在振動幅與振動次數確定的情況下即K值一定時，物料輸送速度v隨振動方向角的變化而變化，那么對應于最大輸送速度的β角則稱為最佳振動方向角。當選擇拋擲運動工作狀態時，槽體在不同傾角α下對應于每個機械指數K就有一個最佳振動方向角βa。

2.2 主振彈簧參數選擇

振動料斗的彈簧上端固定在直徑為D的料斗圓周上，彈簧安裝角φ=α+β=54°。彈簧安裝方向應該向螺旋料槽升角的反方向傾斜，且彈簧的水平投影應切于料斗底部的固定點所在的圓。

主振彈簧通常采用板彈簧。板彈簧一般由65Mn材料制成的優質彈簧片疊裝而成，其片數可以增減以達到給定的頻率比。板彈簧經過淬火后，要求硬度HRC為40～42，熱處理后彈簧片不允許有扭曲、夾渣、裂紋等缺陷。板彈簧疊片兩端用螺栓壓緊，其中一端與底盤用螺栓連接，另一端與上座用螺栓連接。對于板彈簧可以按照兩端安全緊固的梁來計算截面，據此設計出板彈簧的有效長度為150 mm，寬度為35 mm，厚度為4 mm。

3 振動盤其他部分設計

3.1 上座的設計

上座是把激振力傳給料斗的主要部件，它與料斗剛性連接在一起。上座連接著振動體和料盤，即上座的表面連接著銜鐵，上表面通過螺栓與料斗連接在一起，因此上座是設計中很重要的一環。選用ZG275-485H為上座材料，此材料性能要強于ZG45鑄鋼件。在滿足機械強度和剛度的前提下，應盡可能減輕重量。如圖4所示，中間的通孔為M10螺栓孔，通過螺栓將其與料斗連接起來，上座的表面開4個M8螺紋通孔，位置與銜鐵上螺孔的位置相同，用于和銜鐵連接，加工時要保證加工精度，以保證安裝精度。在上座的4個側面分別有4個耳形連接耳，分別在4耳面上各開一個M8螺紋通孔，用于固定板彈簧。上座中開4個鏤空正方形，既保證了強度又節約材料，減輕質量。

3.2 底座的設計

底座是固定電磁鐵和板彈簧的基礎零件，采用與上座同樣的材料。其外徑一般比料斗外徑略大，這主要取決于板彈簧的固定方法及板彈簧在底座上的固定圓半徑等，其厚度主要根據對重量的要求和所用材料的比重[7]。如圖5所示，底盤的上表面有4個M8螺紋孔，位置與銜鐵上螺孔的位置相同，用于通過與電磁鐵連接的螺栓，側面有4個M8螺紋孔，用于通過與板彈簧連接的螺栓，底面有3個螺紋孔，用于連接減振橡膠墊。

3.3 橡膠減振腳墊的設計

在振動設備的設計中，橡膠或者橡膠金屬零件可用作減振器或者激振器的主彈簧。它與其他金屬彈簧相比有以下特點：可以塑模成所需的形狀與尺寸；可以根據設計要求隨意選擇三個方向的彈簧剛度；通過改變橡膠彈簧的內部構造，可以大幅度改變彈簧剛度；此外，由于橡膠具有較大的內摩擦，在共振或近共振工作時，其振幅不易出現浪涌現象。

4 小結

隨著社會生產自動化的不斷提高以及電子工業的發展，針對插接件視覺檢測的自動化成為重要研究課題。自動送料排序機構作為生產線上一個不可缺少的環節，其各項性能對整個視覺檢測的準確度影響越來越大。因此研究和推廣基于插接件機器視覺技術的自動送料排序機構是大勢所趨。參考國內外振動送料機構設計的最新研究成果，設計了一個基于Micro-USB型插接件視覺檢測的自動送料排序機構，可達到對原料篩選和定向排序的目的。

參考文獻：

[1] 趙大興，彭 煜，孫國棟，等.高精度視覺測量系統中檢測方法的研究[J].制造業自動化，2014，36（5）：25-27.

[2] 李 力.基于成組技術的振動上料系統計算機輔助設計的研究[D].江蘇無錫：江南大學，2006.

[3] 黃 鳳.電磁振動給料機振幅的自適應控制[D].南京：河海大學，2007.

[4] 阮文蘇.雙質體振動給料機動態設計研究[D].江蘇徐州：中國礦業大學，2013.

[5] 郭志成.彈性連桿式振動輸送機的動力學分析與優化設計[D].河北秦皇島：燕山大學，2013.

[6] 聞邦椿.振動機械的理論與動態設計方法[M].北京：機械工業出版社，2002.

[7] 丁曉東.振動料斗的結構設計[J].電子機械工程，2007，23（6）：43-46.