農用發動機凸輪軸凸輪表面缺陷檢測系統設計

周康康　徐剛強　胡火明　曹毅　蔣文龍

摘 要：本研究設計了一個可行性強并且穩定的凸輪軸檢測系統，通過電機使凸輪軸旋轉一定角度后停下，使用攝像頭進行拍攝。凸輪軸圖片進行閾值二值化后，提取凸輪軸凸輪表面輪廓，得到凸輪軸凸輪表面區域。然后對凸輪軸凸輪表面區域進行缺陷輪廓提取，得到表面缺陷輪廓，通過對表面缺陷的大小和周長進行篩選，實現缺陷分類。本研究還對檢測所用的四自由度機器臂求出正、逆運動學解，通過圖像處理技術找出代表凸輪軸位姿的向量，并通過控制機械臂的方式實現凸輪軸在該系統中的自動安裝、拆卸和分類放置。

關鍵詞：缺陷檢測;缺陷分類;凸輪軸;機械臂

中圖分類號：TK413 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）29-0046-04

Design of Detection System for Camshaft Surface Defects

of Agricultural Engine

ZHOU Kangkang XU Gangqiang HU Huoming CAO Yi JIANG Wenlong

（Technology Center， Zhejiang Boxing Industry & Trade Co.， Ltd.， Jinhua Zhejiang 321016）

Abstract： In this study， a feasible and stable camshaft detection system is designed. The camshaft is rotated by the motor at a certain angle and stopped， and the camera is used for shooting. After the threshold binarization of camshaft image and the extraction of camshaft cam surface contour， the camshaft cam surface area is obtained. Then the surface defect contour is extracted from the camshaft surface area， and the surface defect contour is obtained. The defect classification is realized after screening the size and circumference of the surface defect. This study also obtains the forward and inverse kinematics solutions of the four degree of freedom manipulator used in the detection， finds out the vector representing the position and attitude of the camshaft through image processing technology， and realizes the automatic installation， disassembly and classified placement of the camshaft in the system by controlling the manipulator.

Keywords： defect detection;defect classification;camshaft;mechanical arm

作為活塞發動機的一個重要部件，凸輪軸是一根與氣缸組長度相近的圓柱形棒體，上面套有若干個凸輪。目前，凸輪軸被廣泛應用于汽車和船舶等對國民經濟和安全有重大影響的產業。凸輪軸在使用過程中需要承擔很大的負載轉矩和壓力。但凸輪軸的表面加工會受到凸輪鑄造時形成的氣泡影響，凸輪軸凸輪表面缺陷的缺陷率在5%左右。

凸輪軸能用于控制氣門的開啟和閉合動作，由于氣門規律是決定發動機工作特性的關鍵因素，所以凸輪軸表面對凸輪軸的質量、安全、壽命和發動機的性能有重大影響[1]。表面有缺陷的凸輪軸往往會導致發動機在工作中不能平穩運行甚至不能正常工作，因此凸輪軸表面缺陷檢測在生產檢測過程中占據十分重要的地位。

傳統缺陷檢測大致可分為兩類：生產中檢測法和生產后檢測法。生產中檢測法一般指由J.Kaiser提出的聲發射法[2]。聲發射檢測法能將缺陷處的聲發射信號轉化為電信號，實現動態檢測，但其主要用于檢測內裂紋，對凸輪軸凸輪表面缺陷的適用性不強。生產后檢測法可分為直接目視檢測法、渦流法、磁粉法和超聲波法[3]。直接目視檢測法在一定程度上依靠工人的經驗，容易受到工人狀態的影響，而且檢測精度和效率不高。渦流法很大程度上依賴于材料，而且當凸輪軸凸輪表面缺陷大于10%時，利用渦流法難以實現缺陷檢測[4]。在工業中使用磁粉法時，一般都是人工手動操作，效率低且退磁麻煩[5]。超聲波法難以檢測凸輪表面的細小裂紋，而且難以排除非凸輪軸凸輪表面的干擾[6]。

筆者參考國內視覺檢測的應用先例，設計了一個能在生產中對凸輪軸表面缺陷進行視覺檢測的系統。凸輪軸缺陷檢測的技術路線如圖1所示。

1 視覺檢測系統整體設計

1.1 檢測系統機械結構設計

所選取的主體是由鍛鋼鑄造而成，整體為白色的凸輪軸。凸輪表面經精加工處理后有較強的反光特性，非凸輪區域為黑色，在一定條件下具有發光特性。如圖2（a）所示，該凸輪軸長為140 mm，最大處直徑為80 mm，最小處直徑為20 mm，質量為0.78 kg。該凸輪軸一共套有4個表面呈銀白色的凸輪，單個凸輪的表面積為851 mm，整個凸輪軸的轉動慣量為14 044 kg·mm。

凸輪軸在右側靠近軸端處，有一個直徑為15 mm、厚為2 mm的圓環，該圓環上有一個寬為5 mm、深為2.55 mm的缺口。利用該缺口可以設計一個類似于套筒的結構，如圖2（b）所示。該套筒長為56 mm，外部圓環厚度為2.5 mm，深度為13 mm。在套筒的最左端有一個長為3 mm、寬為5 mm的圓環狀突起。該突起在凸輪軸固定和安裝時正好能和處于凸輪軸上的缺口吻合，從而完成凸輪軸右端的固定。凸輪軸左側是一個直徑為20 mm、長為11 mm的圓柱。為了方便拆卸和安裝，選用規格為100的三爪卡盤來固定軸的左端，三爪卡盤通過3個M8的螺栓安裝在如圖2（c）所示的法蘭盤上，該法蘭盤與主軸通過螺紋連接。凸輪軸、套筒、三爪看盤、法蘭盤和主軸形成了一個整體，通過型號為UCP-204和帶座球軸承UCP-208固定在高為900 mm的試驗臺上。

拍照裝置采用型號為BFLY-PGE-50A2C-CS的工業相機，其分辨率為2 592×1 944、幀率為13 FPS（可調）。光源布置在所檢測凸輪軸的軸向方向，這既可以避免光照太強出現光斑，又可以避免光照太暗無法識別缺陷。在完成光照方案設計后，選擇了價格便宜和性能優秀的LED燈作為光源。在試驗條件下，凸輪軸凸輪表面缺陷和背景對比度較強。

1.2 檢測系統的電控部件設計

采用三菱-fx3u型可編程控制器和步進電機驅動器來控制步進電機，步進電機與回轉體通過聯軸器相連，實現回轉體以15 r/min的轉速在轉動1/8圈后停頓1 s，攝像頭采集該狀態下的凸輪軸圖像，循環8次，從而完成對凸輪軸整個表面圖像的采集。

通過SolidWorks計算可得出，回轉體的轉動慣量為0.034 44 kg·m，回轉體的轉速為15 r/min，則回轉體的轉矩T=0.054?N·m。通過計算可知，系統中電動機子在正常工作時的負載轉矩T=0.056?N·m，系統中電動機在快速啟動時的最大加速轉矩T=0.56?N·m，取安全系數K=4，則步進電機最大靜轉矩T≥K?T=4×0.54=2.16?N·m。因此，本研究選用57BYG250D型永磁感應式步進電機，其最大靜轉矩為2.3 N·m，相電流為4.2 A，步距角為1.8°，輸出軸直徑為8 mm。梅花形聯軸器（LM-20）能抗沖擊和緩和振動，補償徑向、角向和軸向偏差，在與小型步進電機連接中表現較好，故其將步進電機與回轉體相連。

考慮到步進電機的相電流為4.2 A，選用DM542步進電機驅動器。DM542步進電機驅動器具有內置微細分技術，能在低細分的條件下達到高細分的標準，運行平穩，在電網不穩定時仍然能正常工作。57BYG250D型步進電機設定完后的電流為4.2 A，半流模式打開，每圈需要的脈沖數為6 400，步進電機驅動器與24 V直流電機相連。

由于步進電機驅動器設定轉一圈需要6 400個脈沖，而電機轉速為15 r/min，則可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）發出脈沖的頻率為每秒800個，一次發送800個脈沖，從Y000口發出。當脈沖發送完后，啟動定時器，延時1 s。1 s后，計數器計一次數。循環上述步驟，直到計數器計到8，退出循環。本系統如圖3所示。

2 機械臂對凸輪軸的定位

2.1 機械臂正逆運動學求解

圖4是檢測系統采用的機械臂參考坐標系線圖。本研究采用了一種四自由度機械臂的凸輪軸自動安裝和拆卸方案。

開始工作時，機械臂從生產線中拾取凸輪軸，并在系統中安裝凸輪軸。檢測結束后，通過機械臂取下凸輪軸并將不同缺陷率的凸輪軸分開放置，這些運動都建立在對機器臂正逆運動學求解的基礎上。

由機器人的正運動學，習慣用書寫Cθ表示cosθ，同理Sθ表示sinθ。θ表示繞Z軸的旋轉角;d表示關節偏移量;a表示連桿長度;α表示相鄰Z軸之間的扭角;n表示第n個關節。每個參考系變換定義為A，有如下變換矩陣計算公式[7]：

2.2 機械臂安裝與拆卸凸輪軸流程

在凸輪軸表面粘貼一個圓形的貼紙，通過對凸輪軸圖像的提取，可以得到凸輪軸的質心坐標，通過二值閾值化和霍夫圓檢測等操作可以得到圓形貼紙的質心。將兩個質心相連，就可以得到一個代表凸輪軸的位置的向量，從而就能計算該向量與基準坐標的夾角坐標，計算方法如下。

假定設凸輪軸質心坐標為X，Y，圓形貼紙坐標為N，O，那么根據三角函數得：

在轉換為角度制后，r=θ×（180π），然后再讀取該角度，機械臂在計算路徑后就可以取下原來在生產線上的凸輪軸，通過設定試驗臺上的凸輪軸位置為目標位置，使用氣泵擰緊三爪卡盤，從而實現凸輪軸的安裝。在凸輪軸系統完成檢測后，三爪卡盤放松，機械臂夾取凸輪軸。若是合格，放置于原來的生產線上，若是不合格，放置于其他處。這樣就完成了凸輪軸的自動安裝、拆卸和分揀。

3 結語

本研究設計了一種凸輪軸凸輪表面檢測系統，設計了系統中的光照系統，盡可能地避免了生產環境下光照條件的影響。同時，利用SolidWorks進行實物建模與仿真，驗證了該系統能實現凸輪軸靈活固定與拆卸。同時，選用了符合該凸輪軸檢測系統參數的硬件，編寫了電機的控制程序，實現了凸輪軸在系統中的平穩和精確轉動。本研究還對四自由度機器臂求出了正、逆運動學解，通過圖像處理技術找出了代表凸輪軸位姿的向量，并通過控制機械臂的方式實現凸輪軸在該系統中的自動安裝、拆卸和分類放置。

參考文獻：

[1]周康康，徐剛強.某通用汽油機凸輪軸早期磨損分析[J].內燃機與配件，2019（17）：55-56.

[2]王小朋.聲發射技術在壓力容器無損檢測中的應用[J].現代制造技術與裝備，2017（12）：164-165.

[3]梁巖，郭曉霞.渦流法無損檢測鋁合金管材可靠性的研究[J].輕鋁合金加工技術，2000（12）：28-30.

[4]唐汝鈞.機械工程材料測試手冊·物理金相卷[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1999：20.

[5]樊兆馥.機械安裝實用技術手冊[M].北京：冶金工業出版社，2008：30.

[6]張國棟.全國統一安裝工程預決算操作規范應用手冊：第五冊[M].北京：印刷工業出版社，2000：53.

[7]NIKU S.機器人學導論：分析、系統及應用[M].北京：電子工業出版社，2004：45.