基于機(jī)器視覺(jué)的微動(dòng)開(kāi)關(guān)正反面外觀檢測(cè)與分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳龍燦

摘 要：微動(dòng)開(kāi)關(guān)是具有速動(dòng)機(jī)構(gòu)及微小觸點(diǎn)間隙的精密機(jī)械電氣開(kāi)關(guān)。微動(dòng)開(kāi)關(guān)在制造過(guò)程中因外殼注塑、引腳沖壓等異常，會(huì)出現(xiàn)部分外觀不合格產(chǎn)品。這些外觀不良品除影響銷(xiāo)售外，還會(huì)影響產(chǎn)品的正常使用和壽命，一旦流入市場(chǎng)，所造成的負(fù)面影響非常大。因此，微動(dòng)開(kāi)關(guān)的外觀檢測(cè)成為企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文就基于機(jī)器視覺(jué)的微動(dòng)開(kāi)關(guān)正反面外觀檢測(cè)與分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué);微動(dòng)開(kāi)關(guān);外觀檢測(cè)

引言

微動(dòng)開(kāi)關(guān)是一種施壓促動(dòng)的快速轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，因?yàn)槠溟_(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)間距比較小，故名微動(dòng)開(kāi)關(guān)。微動(dòng)開(kāi)關(guān)在需頻繁換接電路的設(shè)備中進(jìn)行自動(dòng)控制及安全保護(hù)等，廣泛應(yīng)用在電子設(shè)備、儀器儀表、礦山、電力系統(tǒng)、家用電器、電器設(shè)備，以及航天、航空、艦船、導(dǎo)彈、坦克等軍事領(lǐng)域。

1微動(dòng)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

（1）微動(dòng)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于Catia軟件建立了微動(dòng)開(kāi)關(guān)的三維數(shù)模，微動(dòng)開(kāi)關(guān)的剖視圖。該微動(dòng)開(kāi)關(guān)主要由彈片、預(yù)壓件、按鈕、常閉端觸點(diǎn)、常開(kāi)端觸點(diǎn)、上殼體和下殼體等結(jié)構(gòu)組成。在預(yù)壓件上設(shè)計(jì)有兩個(gè)V形槽結(jié)構(gòu)，彈片弓形結(jié)構(gòu)預(yù)緊安裝在V形槽內(nèi)，通過(guò)調(diào)整V形槽之間的間距，可以調(diào)整彈片的預(yù)壓量。在上殼體上設(shè)計(jì)有導(dǎo)向孔，按鈕裝配在導(dǎo)向孔內(nèi)，保證按鈕只能上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)向孔位置，可以調(diào)整按鈕下壓彈片的位置。彈片端部焊接有上下兩個(gè)觸點(diǎn)。（2）微動(dòng)開(kāi)關(guān)工作原理。彈片自由和安裝狀態(tài)時(shí)，通過(guò)預(yù)壓件的V形槽預(yù)壓彈簧，使彈片的上觸點(diǎn)和常閉端觸點(diǎn)之間保持一定的接觸力。當(dāng)在按鈕上施加力時(shí)，按鈕沿著導(dǎo)向孔向下運(yùn)動(dòng)下壓彈片，當(dāng)彈片變形到一定程度時(shí)，彈片上觸點(diǎn)和常閉端觸點(diǎn)斷開(kāi)，繼續(xù)下壓彈片，彈片下觸點(diǎn)和常開(kāi)端觸點(diǎn)接觸，微動(dòng)開(kāi)關(guān)另外一測(cè)功能接通。在下壓按鈕的過(guò)程中，施加在按鈕上的操作力是隨下壓量變化而變化的，反饋給操作者一定的手感。當(dāng)松開(kāi)按鈕時(shí)，彈片會(huì)自動(dòng)回彈，恢復(fù)到初始安裝狀態(tài)，彈片上觸點(diǎn)與常閉端觸點(diǎn)接通。通過(guò)這一系列的動(dòng)作，微動(dòng)開(kāi)關(guān)完成了一次上通→上斷→下通→下斷→上通的功能循環(huán)。可以看出，彈片預(yù)壓量和操作按鈕位置直接影響微動(dòng)開(kāi)關(guān)的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。

2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)主要由供料單元、2個(gè)輸送單元、2個(gè)視覺(jué)檢測(cè)單元、轉(zhuǎn)移單元、翻轉(zhuǎn)單元等構(gòu)成。系統(tǒng)工作過(guò)程：微動(dòng)開(kāi)關(guān)從供料單元出來(lái)后，以正面朝上的姿態(tài)進(jìn)入第1輸送線，經(jīng)第1視覺(jué)單元觸發(fā)拍照并檢測(cè)，不合格品立即被吹入第1不合格收集區(qū)，合格品繼續(xù)被往前輸送，由轉(zhuǎn)移單元送入翻轉(zhuǎn)單元，經(jīng)翻轉(zhuǎn)單元一邊輸送和一邊翻轉(zhuǎn)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)以反面朝上的姿態(tài)進(jìn)入第2輸送線，經(jīng)第2視覺(jué)單元觸發(fā)拍照并檢測(cè)，不合格品立即被吹入第2不合格收集區(qū)，合格品繼續(xù)被往前輸送，最終落入合格品收集區(qū)。按照上述設(shè)計(jì)思路，基于Solidworks三維建模工具，設(shè)計(jì)出檢測(cè)系統(tǒng)整體三維結(jié)構(gòu)。其中，采用振動(dòng)盤(pán)作為供料單元，采用平帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為輸送線，采用歐姆龍圖像檢測(cè)系統(tǒng)作為視覺(jué)單元，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)移單元和翻轉(zhuǎn)單元。翻轉(zhuǎn)單元采用直振送料器的推進(jìn)力和3D打印的曲面翻轉(zhuǎn)軌道的引導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)了邊輸送邊翻轉(zhuǎn)微動(dòng)開(kāi)關(guān)的目的，翻轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)需夾持或吸附微動(dòng)開(kāi)關(guān)，因而避免了二次夾傷微動(dòng)開(kāi)關(guān)或?qū)ξ?dòng)開(kāi)關(guān)表面造成其他影響的風(fēng)險(xiǎn)。選用PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的中央控制器，協(xié)調(diào)各個(gè)單元的動(dòng)作。

3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1PLC控制系統(tǒng)

微動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)篩選排序裝置的控制系統(tǒng)采用PLC控制器。PLC工作可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，使用、維護(hù)方便，使它在目前的流水線自動(dòng)分選系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用

3.2控制程序設(shè)計(jì)

由于輸送線上微動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)入相機(jī)視野的情況復(fù)雜多變，當(dāng)觸發(fā)傳感器感應(yīng)到微動(dòng)開(kāi)關(guān)到來(lái)時(shí)，可能圖像傳感器的控制器還處于上一個(gè)產(chǎn)品的檢測(cè)忙碌狀態(tài)，不能接收新的檢測(cè)命令;或者前一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)還處于吹氣觸發(fā)傳感器的位置，未離開(kāi)相機(jī)視野;另外，觸發(fā)傳感器有時(shí)候還會(huì)存在幾毫秒的信號(hào)抖動(dòng)等干擾。因此，不能簡(jiǎn)單地由觸發(fā)傳感器直接給圖像傳感器的控制器發(fā)送檢測(cè)命令。考慮到上述復(fù)雜情況，將拍照觸發(fā)傳感器信號(hào)接入PLC，由PLC給圖像傳感器控制發(fā)送檢測(cè)命令，并控制吹氣噴頭吹除不合格的微動(dòng)開(kāi)關(guān)。

3.3裝配和操作過(guò)程參數(shù)設(shè)置

在裝配過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)模擬計(jì)算時(shí)，設(shè)定較小的分析步，保證彈片上觸點(diǎn)和常閉端觸點(diǎn)之間的接觸計(jì)算能夠順利收斂。在裝配過(guò)程計(jì)算完成后，可以得到彈片上觸點(diǎn)和常閉端觸點(diǎn)之間的接觸力。當(dāng)模擬按鈕下壓過(guò)程時(shí)，在按鈕上施加1mm向下的位移，施加在按鈕上的操作力可以通過(guò)查看節(jié)點(diǎn)反力的方法推導(dǎo)，彈片下觸點(diǎn)和常開(kāi)端觸點(diǎn)之間的接觸力也可以以此方法推導(dǎo)。仿真計(jì)算中，通過(guò)調(diào)整V形槽的位置改變彈片預(yù)壓量，彈片預(yù)壓量，由Δ表示。以預(yù)壓件的左側(cè)V形槽為參考位置，以按鈕與參考位置的垂直距離D定義按鈕的位置。

3.4重量測(cè)試原理

微動(dòng)開(kāi)關(guān)體積小、重量輕，其重量測(cè)量精度要求比較高，采用測(cè)量精度為±0.01g的電子天平進(jìn)行測(cè)量。為提高微動(dòng)開(kāi)關(guān)測(cè)試效率，在完成微動(dòng)開(kāi)關(guān)的行程、力、回跳時(shí)間、接觸電阻測(cè)量后，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓取裝置將夾具中的微動(dòng)開(kāi)關(guān)抓取至稱重位置，以測(cè)量微動(dòng)開(kāi)關(guān)的重量。

3.5仿真及設(shè)計(jì)效果檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證此裝置的設(shè)計(jì)效果，以各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸為準(zhǔn)，制作樣機(jī)，底座采用塑料模具拼接而成。偏心電機(jī)提供振動(dòng)。利用樣機(jī)進(jìn)行排序效果檢驗(yàn)，其排序效果符合預(yù)定的設(shè)計(jì)，且行駛平穩(wěn)。自動(dòng)定向排序策略的選擇和裝置參數(shù)的優(yōu)化還有待于進(jìn)一步研究。

結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)制造型企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提升工程的不斷推廣，以及企業(yè)自身對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化水平和“機(jī)器換人”要求的不斷提升，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在產(chǎn)品外觀質(zhì)量檢測(cè)上的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。該文基于機(jī)器視覺(jué)、PLC電氣控制和機(jī)械等多學(xué)科交叉的技術(shù)，設(shè)計(jì)并研制出了一套微動(dòng)開(kāi)關(guān)正反面外觀檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)微動(dòng)開(kāi)關(guān)并檢測(cè)其外觀質(zhì)量，剔除不合格品，全過(guò)程無(wú)需人為干預(yù)，自動(dòng)化程度高。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，設(shè)備運(yùn)行流暢，不會(huì)卡料;檢測(cè)效率高，達(dá)到每分鐘70多個(gè);視覺(jué)檢測(cè)準(zhǔn)確率高，不存在誤判情況。該系統(tǒng)解決了原來(lái)人工檢測(cè)作業(yè)的諸多不足，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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