基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置設(shè)計

張碭碭，胡劍虹，柯海森，梁明軒

（中國計量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州310018）

軸承作為一種重要的零部件，廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)設(shè)備，需求量巨大。軸承的種類、規(guī)格繁多，因應(yīng)用場合不同，其制造工藝也不同［1-4］，如608-Z、697-Z 及607-RS等型號的軸承，其一端為黑色橡膠密封圈，另一端為金屬防塵蓋。為了方便用戶使用，此類兩端面材質(zhì)不同的軸承在包裝前須進(jìn)行整理，即使材質(zhì)相同的端面朝同一方向后才進(jìn)行包裝。

以寧波市鎮(zhèn)海區(qū)的某軸承制造企業(yè)為例，該企業(yè)的工人每天須整理約25 000 個軸承并完成包裝。隨著軸承自動化生產(chǎn)的實現(xiàn)，該企業(yè)的軸承生產(chǎn)量逐年增加，但軸承的整理仍未實現(xiàn)自動化，這嚴(yán)重制約著企業(yè)產(chǎn)能的提高。為實現(xiàn)軸承整理的自動化及進(jìn)一步提高企業(yè)的產(chǎn)能，以608-Z 型軸承為對象，設(shè)計了一種基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置，旨在實現(xiàn)軸承端面的自動檢測，提高軸承的整理速度。

1 裝置的技術(shù)參數(shù)及功能分析

1.1 裝置的技術(shù)參數(shù)分析

所設(shè)計的基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置的技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足：1）檢測時間小于1 s；2）誤測率小于0.1%；3）每天無故障持續(xù)工作時間大于22 h。

1.2 裝置的功能分析

所設(shè)計的基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置應(yīng)實現(xiàn)以下功能：1）實現(xiàn)對軸承端面的檢測，能夠快速識別密封圈和防塵蓋；2）能夠?qū)z測完的軸承進(jìn)行整理，整理包括翻轉(zhuǎn)和排列兩部分，即通過程序設(shè)定需要翻轉(zhuǎn)的端面，裝置工作時若檢測到需要翻轉(zhuǎn)的端面，則先翻轉(zhuǎn)再排列，反之則直接排列。

2 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 軸承單個自動上料機(jī)構(gòu)設(shè)計

軸承單個自動上料機(jī)構(gòu)由電動轉(zhuǎn)盤（轉(zhuǎn)盤+電機(jī)）、支撐臺、光電傳感器和推料氣缸組成，如圖1所示。通過電機(jī)的持續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤內(nèi)的待檢測軸承被運送到進(jìn)料通道內(nèi)，當(dāng)光電傳感器檢測到軸承到達(dá)推料氣缸處時，推料氣缸將軸承推送到下一個機(jī)構(gòu)中，從而完成軸承的單個上料。該軸承單個自動上料機(jī)構(gòu)具有成本低、速度快及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，能夠較好地與后續(xù)整理工序銜接［5］。

圖1 軸承單個自動上料機(jī)構(gòu)Fig.1 Single bearing automatic feeding mechanism

2.2 軸承定位與端面檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計

為了在檢測時能夠固定軸承，防止因軸承振動而導(dǎo)致誤測，設(shè)計了一種簡單、可靠的軸承定位夾具。將定位夾具固定在進(jìn)料通道上，待檢測的軸承在推料氣缸的推動作用下擠壓定位夾具上的軸承，使得定位夾具沿導(dǎo)軌向后運動，從而擠壓彈簧。當(dāng)待檢測的軸承進(jìn)入位于定位夾具上的2個定位軸承之間后，在彈簧回復(fù)力的作用下待檢測軸承被壓緊固定在進(jìn)料通道上，從而實現(xiàn)定位。該定位夾具結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠［6］。對于完成定位的軸承，采用色標(biāo)傳感器進(jìn)行端面檢測。色標(biāo)傳感器是通過檢測色標(biāo)對光束的反射量或吸收量的不同來實現(xiàn)對不同顏色物體（即使顏色的差別細(xì)微）的檢測［7］。當(dāng)軸承兩端面材質(zhì)不同時，其兩端面的顏色不同，利用色標(biāo)傳感器可準(zhǔn)確識別軸承的正、反面［8-10］。色標(biāo)傳感器固定在定位夾具的對面，可更方便地識別待檢測軸承的端面。所設(shè)計的軸承定位與端面檢測機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軸承定位與端面檢測機(jī)構(gòu)Fig.2 Bearing positioning and end face detection mechanism

2.3 軸承翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計

為了使軸承正面（令金屬防塵蓋面為正面，橡膠密封圈面為反面）朝上，基于旋轉(zhuǎn)氣缸，設(shè)計了軸承翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。在完成顏色識別后，待檢測軸承在推料氣缸的推動作用下進(jìn)入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，設(shè)定當(dāng)軸承反面朝上時，旋轉(zhuǎn)氣缸帶動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，對軸承進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在進(jìn)料通道上，基于旋轉(zhuǎn)氣缸可旋轉(zhuǎn)180°的特性直接實現(xiàn)軸承的翻轉(zhuǎn)。使用旋轉(zhuǎn)氣缸控制軸承的翻轉(zhuǎn)非常方便，只須控制旋轉(zhuǎn)氣缸電磁閥的通斷即可［11］。

圖3 軸承翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.3 Bearing turnover mechanism

2.4 軸承排列機(jī)構(gòu)設(shè)計

為了快速又準(zhǔn)確地對軸承進(jìn)行排列，設(shè)計了軸承排列機(jī)構(gòu)，如圖4所示。軸承從進(jìn)料通道進(jìn)入，在重力作用下滾入排列機(jī)構(gòu)；當(dāng)光電傳感器檢測到軸承落下后，推進(jìn)氣缸向前推進(jìn)該軸承，為下一個軸承留下空間；當(dāng)最遠(yuǎn)端光電傳感器檢測到軸承時，表明當(dāng)前這一排軸承已經(jīng)排列完畢，由橫推氣缸推動該排軸承，為下一排軸承留下空間。該軸承排列機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

圖4 軸承排列機(jī)構(gòu)Fig.4 Bearing arrangement mechanism

2.5 裝置整體設(shè)計

通過對技術(shù)要求進(jìn)行分析之后，以608-Z型軸承為例，確定了基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置的整體結(jié)構(gòu)，主要包括基于電動轉(zhuǎn)盤與推桿氣缸的自動上料機(jī)構(gòu)、基于定位夾具和色標(biāo)傳感器的定位與端面檢測機(jī)構(gòu)、基于旋轉(zhuǎn)氣缸的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和基于光電傳感器的排列機(jī)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure of bearing end face detection and sorting device based on color recognition

3 裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計

軸承端面檢測及整理裝置的應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，要求其控制器具有高精度、高穩(wěn)定性以及極佳的抗干擾性，以適應(yīng)自動化和智能化的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。因此，采用PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）作為主控制器［12-13］，對軸承端面檢測及整理裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，其組成如圖6所示。

圖6 基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置的控制系統(tǒng)組成Fig.6 Composition of control system of bearing end face detection and sorting device based on color recognition

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置的控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)、氣缸、電磁閥、光電傳感器和色標(biāo)傳感器等組成。PLC接收來自軸承端面檢測及整理裝置中各傳感器的信號，并輸出相應(yīng)的信號來控制該裝置各機(jī)構(gòu)，以執(zhí)行相應(yīng)動作［14］。

3.2 軟件程序設(shè)計

由于608-Z型軸承較小，須基于PLC編寫精確的控制程序：通過合理調(diào)整氣缸壓力來實現(xiàn)軸承的翻轉(zhuǎn)和排列，通過調(diào)整傳感器的方位來實現(xiàn)精確的檢測，從而使軸承的檢測和整理都達(dá)到理想狀態(tài)。軸承經(jīng)電動轉(zhuǎn)盤進(jìn)入進(jìn)料通道，當(dāng)光電傳感器檢測到軸承后，端面檢測、翻轉(zhuǎn)和排列等工序開始運行［15-16］。基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置的簡化控制流程如圖7所示。

圖7 基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置的簡化控制流程Fig.7 Brief control flow of bearing end face detection and sorting device based on color recognition

4 裝置的性能測試與結(jié)果分析

4.1 性能測試

為了驗證基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置的穩(wěn)定性和精確性，對其性能進(jìn)行測試，分為軸承檢測時間測試和檢測合格率測試。對單個軸承檢測時間的測試分為2組：第1組，用秒表記錄單個軸承的檢測時間；第2組，用秒表記錄500個軸承的檢測時間，并通過計算得到單個軸承的檢測時間。對于裝置檢測合格率的測試，每次檢測500個軸承，統(tǒng)計誤檢個數(shù)，通過計算得到檢測合格率［17］。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 軸承檢測時間分析

第1組：對單個軸承的檢測時間進(jìn)行測試。一次性向基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置中送入15個軸承，依次進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖8所示。

圖8 單個軸承的檢測時間Fig.8 Detection time of single bearing

由圖8 可以看出，在測試中，除了第1 個軸承的檢測時間超過1 s 外，其余軸承的檢測時間皆小于1 s。第1個軸承的檢測時間較長是因為電動轉(zhuǎn)盤剛啟動，導(dǎo)致軸承上料較慢。由此可知，若要縮短單個軸承的檢測時間，則須在電動轉(zhuǎn)盤充分轉(zhuǎn)動后再上料。此外，圖8顯示單個軸承檢測時間的波動較大，這主要是由上料不及時所導(dǎo)致的。若上料及時，則軸承與軸承相互緊挨，檢測速度加快；若上料不及時，則軸承和軸承之間出現(xiàn)間隙，檢測速度減慢。由此可知，若要提高檢測速度，則須保證上料及時［18］。

第2 組：對500 個軸承的檢測時間進(jìn)行測試，共進(jìn)行15次，并求出每次測試對應(yīng)的軸承平均檢測時間，結(jié)果如圖9所示。

圖9 軸承的平均檢測時間Fig.9 Average detection time of bearing

由圖9可知，軸承的平均檢測時間均小于1 s，平均檢測時間的最大波動為0.18 s。綜合分析可知，由于是人工上料，若上料稍慢，則會導(dǎo)致軸承的平均檢測時間出現(xiàn)較大波動。因此，若要使平均檢測時間縮短，則須保證上料及時且上料速度一致。

綜上可知，通過測試得到的單個的軸承檢測時間均小于1 s，說明基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置的檢測速度符合要求［19］。

4.2.2 檢測合格率分析

對上述第2組測試中誤檢的軸承個數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，并計算檢測合格率，結(jié)果如圖10所示。

圖10 軸承端面的檢測合格率Fig.10 Detection pass rate of bearing end face

由圖10可知，15次測試對應(yīng)的軸承端面的檢測合格率分別為100%，100%，99.8%，100%，99.6%，99.8%，99.6%，99.4%，99.2%，99.2%，100%，100%，99.6%，99.8%和100%。其中，第8，9，10次的檢率合格率小于99.5%，主要原因在于：為了提高檢測速度，在第7 次檢測結(jié)束后調(diào)快了整個軸承端面檢測及整理裝置的速度，使得各機(jī)構(gòu)的運行速度加快，從而導(dǎo)致裝置不穩(wěn)定而出現(xiàn)誤測；而在第10次檢測結(jié)束后，又將整個裝置調(diào)回至原始狀態(tài)，檢測合格率高于99.5%，說明此時整個裝置的性能較佳［20］。

5 結(jié)論

根據(jù)軸承的實際生產(chǎn)要求，設(shè)計了一種基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置，可實現(xiàn)軸承端面的自動識別和軸承的自動化排列。該裝置的性能測試結(jié)果表明：基于顏色識別的軸承端面檢測及整理裝置能夠明顯加快軸承端面的檢測速度和軸承的整理速度，節(jié)省了勞動力，且整體檢測合格率達(dá)到了生產(chǎn)要求。在裝置完全啟動且上料及時的情況下，軸承的檢測時間較為平穩(wěn)且裝置無故障。測試結(jié)果驗證了裝置各個機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性，表明該裝置適合在軸承的工業(yè)化生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。