注塑齒輪自動化在線檢測裝備的設計*

南浩軒，林家春，周佳藝，岳會軍，石照耀

(北京工業大學 北京市精密測控技術與儀器工程技術研究中心，北京 100124)

0 引 言

注塑齒輪是近幾十年發展起來的具有質輕、底噪、價廉等優勢的新型非金屬齒輪[1]，其廣泛應用于儀器儀表、兒童玩具、小型家電等領域[2]。塑料齒輪在注塑成型的生產過程中，常常會因模具受損、注塑工藝不良、原材料含雜質等因素，導致成型齒輪出現黑點不良、齒上碰傷、齒上披鋒等外觀缺陷[3]，以及齒輪直徑、同軸度等不良的尺寸缺陷。這些缺陷會嚴重影響注塑齒輪的傳動性能、傳動效率以及它的服役壽命。

齒輪的傳統測量方法通常是利用三坐標測量機、齒輪測量中心、齒輪嚙合儀等精密測量儀器進行接觸式測量，基于接觸式測量的方法屬于“串聯測量[4]”，被測對象一般是剛度較高的中模數金屬齒輪。小模數或微小模數齒輪因其齒槽間隙較小，測頭難以進入齒槽進行測量，通常不能采用接觸式測量[5]。然而注塑齒輪多為小模數或微小模數齒輪，同時其剛度小、易變形，因此傳統的接觸式測量方法難以實現注塑齒輪的精確檢測。

目前，注塑齒輪的品質判定基本還停留在人工肉眼檢測或人工借助半自動化設備進行抽檢，這種檢測方法效率極低、精度極差、漏檢率極高[6]。隨著精密注塑行業的飛速發展，以及工業自動化程度的日益提高，注塑齒輪快速且精確的品質檢測及自動篩選成為亟待解決的問題。

近些年來，機器視覺檢測技術發展迅猛，其應用領域也越來越廣泛，作為一種高自動化、高精度的先進技術，有效克服了傳統的接觸式測量的缺點，真正實現非接觸、無損、快速的檢測[7-8]。目前，國內對注塑齒輪視覺測量的研究較多，但主要應用于齒輪的離線檢測與分析，并且研究重點集中在數字圖像處理的算法上，實際工程應用中的自動化在線檢測鮮有研究。

鑒于以上問題，筆者設計與機器視覺檢測系統實現信息交互的注塑齒輪自動化在線檢測裝備，可與注塑齒輪生產線深度融合，實現齒輪生產、快速檢測、自動分選的一體化，有效地提高注塑齒輪的檢測效率、檢測精度、以及注塑齒輪生產線的柔性和自動化程度。

1 檢測要求及需求分析

筆者所檢測的對象為某齒輪公司生產的用于掃地機器人的注塑雙聯齒輪，原材料為POM100ST的超強韌性聚甲醛樹脂。該產品的生產周期為8 s/模，一模4個產品，相鄰產品的中心距為70 mm。

注塑雙聯齒輪基本參數如表1所示。

表1 注塑雙聯齒輪基本參數

1.1 檢測要求

本著提高注塑產品檢測效率、減少人為檢驗的出錯率，以提高產品最終出廠合格率的目的，該裝備需與注塑齒輪生產線相融合，并且在一個生產周期內完成上一模全部產品的檢驗判定，實現良品和不良品自動區分的同時，統計良品和不良品的個數；當不良率或連續不合格數達到設定的閾值時，檢測裝備可自動報警，以便現場技術人員跟進改善模具或注塑生產工藝。

所需檢測項目分為注塑齒輪外觀不良(如：黑點不良、齒上碰傷、齒上氣泡、中孔披鋒)和尺寸不良(如：大齒直徑、小齒直徑、中孔直徑)；產品出廠不良率目標值：20 PPM(即100萬個產品中不合格產品小于等于20個)。

1.2 需求分析

具體的需求如下：

(1)因注塑齒輪的生產節拍為8 s/模，一模4個產品，因此檢測效率應保證在2 s/個以內，以避免產品堆積；

(2)為較全面的獲取齒輪品質信息，需對注塑齒輪上、下表面以及齒厚方向圖像進行采集；

(3)為達到無需人工干預而剔除不合格產品的目的，檢測裝備應具備注塑齒輪良、次品的自動分選功能；

(4)為避免因模具受損或注塑生產工藝不良等導致的無效生產，檢測裝備應具備數據統計及報警功能。

2 檢測裝備工作原理及構成

2.1 工作流程

檢測裝備工作原理如圖1所示。

圖1 檢測裝備工作原理

具體工作流程如下：

(1)檢測開始后，生產線機械手將注塑機模具中冷卻成型的塑料齒輪取出放置在傳送帶上，傳送帶將注塑齒輪通過導向桿輸送至檢測裝備玻璃轉盤上；(2)PLC控制伺服電機帶動玻璃轉盤逆時針勻速轉動，玻璃轉盤將待檢齒輪輸送至檢測裝備各工位；(3)待檢齒輪首先通過定位機構，此時完成待檢齒輪的徑向限位，使其能夠順利進入相機視場；(4)定位機構對待檢齒輪徑向位置完成約束后經過光纖傳感器，光纖傳感器發出觸發信號，此時PLC記錄待檢齒輪位置信息，實現待檢齒輪的位置捕捉；(5)之后PLC分別觸發視覺檢測工位的相機采集齒輪圖像；(6)上位機檢測軟件讀取相機緩存中的圖像進行處理分析，實現齒輪尺寸的測量和外觀缺陷的檢測；(7)之后上位機將注塑齒輪品質信息(OK/NG)的信號通過IO卡傳輸至PLC；PLC根據注塑齒輪檢測結果信號，通過控制電磁閥開關，進而控制吹氣裝置氣流通斷，從而實現注塑齒輪良、次品的分選工作。

此外，每接收到一個OK/NG的信號，對其進行統計，若連續不合格信號數或總的不合格率達到設定閾值，蜂鳴器報警。

檢測裝備工作循環圖如圖2所示。

圖2 檢測裝備工作循環圖上半部分—工作機構的循環圖；下半部分—控制元件的動作循環圖；T1，T2—良、次品在整個檢測過程所用時長

2.2 檢測裝備構成

筆者設計的注塑齒輪自動化在線檢測裝備集機械及控制系統于一體，用以配合上位機視覺檢測軟件，實現注塑齒輪的自動檢測及分選。

檢測系統工位組成如圖3所示。

圖3 檢測系統工位組成

由圖3可知：檢測系統工位主要包含上料機構、定位機構、檢測機構、分選機構等。

控制系統以PLC為主控單元，上位機檢測軟件與PLC控制系統通過IO卡進行通訊，檢測軟件與PLC共同組成精密測控系統。

精密機械結構保證了轉盤機構及注塑齒輪的運動精度，控制系統保證了被測齒輪圖像自動采集以及精確分選[9]。機械與控制系統協作為視覺檢測系統提供了測量基礎，有效保證了測量精度和檢測效率。檢測裝備主要技術指標如表2所示。

表2 主要技術指標

3 機械系統設計

為解決注塑齒輪檢測效率低、檢測精度低、自動化程度低等問題，筆者通過調研注塑齒輪生產線的現場情況，設計了自動化在線檢測裝備的整體機械結構。該機械結構考慮了注塑生產線的約束條件，分析了注塑齒輪檢測要求，在滿足注塑齒輪生產節拍的前提下，綜合了精度、壽命、可靠性、性價比等因素[10]，并與視覺檢測系統實現了交互。

該檢測裝備采用立式結構設計，主要由機架、定位機構、轉盤組件、檢測機構、下料機構、玻璃盤清洗機構以及電控柜組成。

檢測裝備主體結構如圖4所示。

圖4 檢測裝備主體結構

3.1 轉盤組件

如圖1所示，玻璃轉盤四周需分布上料工位、2個定位機構、傳感器工位、3個檢測工位、4個收料工位，分別約占玻璃轉盤弧長250 mm、200 mm、100 mm、600 mm、300 mm。玻璃轉盤周長應大于這幾段弧長總和，因此，得到公式為：

C=πd>L總=1 450 mm

(1)

式中：C—玻璃轉盤周長；d—轉盤直徑；L總—各工位所占弧長總和。

計算可得C=1 450 mm，C>L總，玻璃轉盤直徑大于461.5 mm，故將檢測裝備玻璃轉盤直徑定于500 mm。

假設待測齒輪進入玻璃轉盤后，位于玻璃轉盤上半徑為230 mm的圓上，兩個相鄰齒輪的直線距離為70 mm，可知相鄰兩齒輪之間弧長為:

L=2πr/180

(2)

式中：L—相鄰兩齒輪間弧長；r—齒輪所在圓的半徑。

根據生產節拍2 s/個，可得每分鐘需檢測30個產品，故玻璃轉盤上齒輪所在圓應轉弧長為:

L1=30L

(3)

式中：L—每分鐘齒輪所在圓應轉弧長。

因此轉盤轉速為:

n=L1/2πr

(4)

式中：n—玻璃轉盤轉速。

計算可得n=1.459 r/min。為適應生產節拍，保證檢測時產品不出現堆積，玻璃轉盤轉速應大于n，因此該裝備玻璃轉盤轉速設定為1.8 r/min。

檢測裝備內部關鍵結構如圖5所示。

圖5 檢測裝備內部關鍵結構

圖5中，轉盤組件由伺服電機、減速器、聯軸器、軸系、玻璃轉盤共同組成，其為檢測裝備運動的核心；上料工位、定位機構、檢測工位、分選工位以及玻璃盤清洗機構以轉盤組件為中心，分別分布于其四周。

采用轉盤機構的設計，可縮減檢測裝備整體占地面積，并且能夠有效縮短各工序之間轉換時間，提高自動化檢測的效率。伺服電機位于轉盤機構最底部，作為整個轉盤機構的動力輸出，可驅動轉盤勻速轉動；為保證轉盤低速、平穩轉動，電機輸出端與減速比為10:1的減速器相連；減速器輸出端與膜片式高扭矩聯軸器固定連接，該聯軸器具有零回轉空隙的特點，可確保精確捕捉注塑齒輪在玻璃轉盤上的位置；軸系采用成對角接觸球軸承“背對背”式安裝，可同時承受軸向和徑向載荷；透明玻璃轉盤材質為浮法玻璃，其具有透明度高、易切割、平面度好等特點[11]，可實現注塑齒輪無需翻面的情況下完成其上下表面圖像的采集工作。

3.2 檢測工位

視覺系統是注塑齒輪檢測的關鍵部分，而視覺系統的核心主要由工業相機、鏡頭以及光源組成[12]。相機最佳的工作距離和光源最合適的光照強度決定所采集待測工件圖像的質量，圖像質量越高，冗余信息越少，越便于上位機算法的判斷識別[13]。優良的安裝方式可為操作帶來便捷，有助于相機和光源的調節工作。

筆者所設計的檢測裝備視覺系統中，相機和光源固定于高精密的移動平臺上，其刻度精度為1 mm，完全滿足視覺系統的微調需求。

為盡可能全面地獲得齒輪信息，筆者所設計的檢測裝備共分布了3個檢測工位(如圖5所示)，分別用于獲取注塑齒輪下表面、上表面以及齒厚方向的品質信息。

4 控制系統設計

4.1 控制系統硬件

該檢測裝備所配套的控制系統硬件主要由PLC、伺服驅動器、伺服電機、光纖傳感器、電磁閥、IO卡、啟停按鈕、設備運行指示燈以及人機界面等組成。所選用PLC具有24個輸入接口和24個輸出接口，完全滿足本裝備控制系統接口需求。伺服驅動器具有速度波動小、可靠性好、調速范圍大等優勢，用于控制交流伺服電機帶動玻璃轉盤轉動。高靈敏度、低響應時間的對射式光纖傳感器，用于感應產品，實現產品的位置捕捉，并發出信號觸發后續工位動作。二位五通電磁閥用于控制氣流通斷，實現注塑齒輪良、次品的分選工作，同時可通過控制氣缸中氣流通斷實現玻璃盤清洗裝置在直線導軌上滑動進行清洗工作。

上位機視覺檢測軟件通過IO卡將注塑齒輪品質信息的信號發送至PLC，PLC根據該信號控制電磁閥開關，完成分選工作。

4.2 控制系統軟件

PLC編程軟件中，梯形圖具有直觀、易懂、實用等特點，在PLC編程開發中得到廣泛應用[14]。本文所設計的裝備的控制系統軟件以三菱GX Developer為開發平臺，涵蓋控制系統所有硬件端口信號，合理分配PLC輸入、輸出接口，巧妙運用邏輯關系和順序控制，編寫控制系統梯形圖程序，通過聯合調試與優化，最終實現注塑齒輪自動上料、精確定位、圖像自動采集、良次品自動分選等功能。

控制系統流程圖如圖6所示。

圖6 控制系統流程圖

由圖6中可以看出控制系統的大致流程為：

(1)檢測裝備打開后進行初始化；

(2)判斷是否有料，若長時間無料，蜂鳴器報警，若有料光纖傳感器捕捉齒輪位置信息；

(3)設置延時，觸發相機進行圖像采集；

(4)上位機檢測軟件讀取相機緩存中圖片，處理分析后，通過IO卡將注塑齒輪品質信息發送至PLC；

(5)控制系統根據齒輪OK/NG信號，控制電磁閥開關，實現注塑齒輪良、次品分選工作；

(6)對連續不合格數以及總體不合格率進行統計，若超出設定閾值，蜂鳴器報警，檢測結束。

5 測量實驗

在注塑齒輪生產線上，筆者將檢測裝備與視覺檢測系統進行聯合調試，并進行轉速對檢測結果影響實驗、玻璃轉盤端跳影響實驗、分選準確率實驗，以此驗證檢測裝備和系統功能是否滿足設計要求。

5.1 轉速影響實驗

當玻璃轉盤轉速大于7.2 r/min時，待測齒輪與圖3中的定位機構產生較大碰撞，定位精度較差，故本檢測裝備玻璃轉盤最大轉速為7.2 r/min。該實驗選擇在玻璃轉盤轉速為1.5 r/min～7.2 r/min內進行，在該轉速區間內，相機所采集圖像清晰、冗余信息少，視覺檢測算法可進行快速、有效地進行數據的處理與分析。

取一個尺寸正常的注塑齒輪，放置在檢測裝備玻璃轉盤上，改變玻璃轉盤轉動速度，其他條件均不變，然后進行實驗。

在每種轉速下，連續進行10次測量，取平均值，注塑齒輪上、下表面大齒輪齒頂圓直徑da在不同轉速下檢測結果如圖7所示。

圖7 不同轉速下檢測結果

由圖7中可知：在該轉速區間內，注塑齒輪大齒齒頂圓直徑檢測結果的極差為0.004 2 mm，尺寸檢測精度要求為0.03 mm。因此可知，在成像清晰的前提下，玻璃轉盤的轉速對檢測結果無影響。

5.2 端跳影響實驗

利用千分表測量得到透明玻璃轉盤端面跳動為0.066 mm，找出玻璃轉盤最高點和最低點，并將同一齒輪分別放置于這兩個位置，在其他條件均不改變的情況下進行檢測，尺寸檢測結果極差僅為0.002 mm。

因視覺檢測系統所選用的鏡頭為低畸變的雙遠心鏡頭，景深范圍6 mm，在其景深范圍內，圖像放大率不變，而玻璃轉盤端跳僅為0.066 mm，遠小于鏡頭景深范圍。因此可知，玻璃轉盤端面跳動對尺寸檢測結果無影響。

5.3 分選準確率實驗

在PLC程序中，增加對上位機所發送的OK/NG信號次數統計功能，之后取注塑齒輪200個，使用該裝備依次進行檢測；檢測結束后，提取PLC中統計結果，其中，OK信號數194個，NG信號數6個；檢查良品收料盒共194個產品，不良品收料盒共6個產品；之后利用人工對良、次品料盒中的產品進行復檢。

注塑齒輪檢測結果如表3所示。

表3 注塑齒輪檢測結果

由表3可知：該裝備根據視覺檢測結果能夠正確對良、次品進行分選，其準確率可達到100%。同時也可以證明，下料機構對已檢齒輪不會帶來二次碰傷等問題。

6 結束語

筆者通過分析注塑齒輪自動化檢測要求，在考慮與視覺檢測系統交互的基礎上，設計了注塑齒輪自動化在線檢測裝備。

該檢測裝備玻璃轉盤速度可調，在滿足生產節拍、不出現產品堆積的情況下，轉速可調整到成像最佳狀態，便于視覺檢測算法的處理；采用透明玻璃盤裝置，無需對產品進行翻面便可獲得其上下表面信息；該裝備對產品的定位精度可達1 mm，可有效確保相機采集完整的齒輪圖像信息；氣動分選裝置能夠準確無誤的對良、次品進行分選，可滿足工業生產中大批量產品的自動化在線檢測及分選。