馮自立，成洪川，夏長(zhǎng)鵬，趙 娟

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)工程部，青島 266111；2.青島理工大學(xué)，青島 266033）

0 引言

在某車型轉(zhuǎn)向架中，牽引電動(dòng)機(jī)主軸與齒輪箱小齒輪軸之間采用某公司生產(chǎn)的鼓形齒式聯(lián)軸節(jié)實(shí)現(xiàn)無鍵過盈連接[1]，聯(lián)軸節(jié)實(shí)物如圖1所示。

圖1 聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

為確保電機(jī)主軸和齒輪箱小齒輪軸與聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔可靠貼合，在裝配前需對(duì)聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔進(jìn)行貼合率檢測(cè)。目前的檢驗(yàn)方法是對(duì)涂有紅丹粉涂料的孔壁進(jìn)行人工目測(cè)，來判斷聯(lián)軸節(jié)的貼合率。人工檢測(cè)容易受到主觀因素影響，檢測(cè)結(jié)果不能量化，對(duì)聯(lián)軸節(jié)加工及裝配工藝的評(píng)估、優(yōu)化形成制約，因此研發(fā)新型的聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測(cè)方法，提高聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測(cè)的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)共享，對(duì)聯(lián)軸節(jié)生產(chǎn)及裝配的質(zhì)量控制具有重要意義[2,3]。

通過對(duì)南車四方股份有限公司聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測(cè)工藝的深入調(diào)研，結(jié)合目前檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，我們提出了基于C Sharp和PLC的自動(dòng)化聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括了采用C Sharp計(jì)算機(jī)編程語言編寫的人機(jī)界面、PLC、步進(jìn)和伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、傳感器、指示燈、CCD線陣相機(jī)、檢測(cè)探頭、圖像采集卡等。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)軸節(jié)貼合率自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

其中人機(jī)界面具有控制及監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行、儲(chǔ)存及查看檢測(cè)結(jié)果和圖像的功能；PLC采集傳感信號(hào)、與人機(jī)界面實(shí)時(shí)交互通訊并驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及提供設(shè)備狀態(tài)指示；傳感器主要是指位置傳感器，用來實(shí)時(shí)檢測(cè)取像相機(jī)的位置；CCD線陣相機(jī)與檢測(cè)探頭組合為取像系統(tǒng)，用來提取聯(lián)軸節(jié)內(nèi)壁的圖像；伺服電機(jī)可為聯(lián)軸節(jié)提供精準(zhǔn)、可調(diào)并與CCD線陣相機(jī)的掃描行頻相匹配的轉(zhuǎn)速；步進(jìn)電機(jī)控制取像系統(tǒng)的檢測(cè)位置。

根據(jù)現(xiàn)有貼合率檢測(cè)工藝，結(jié)合自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，自動(dòng)檢測(cè)操作分為以下三步：

1）設(shè)備開機(jī)預(yù)熱，啟動(dòng)人機(jī)界面，復(fù)位指示燈亮，安裝好待測(cè)聯(lián)軸節(jié)，打開照明光源。

2）點(diǎn)擊人機(jī)界面中的“開始”按鈕，啟動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)。

3）檢測(cè)完成，填寫“工號(hào)”、“工件號(hào)”等相關(guān)信息，保存檢測(cè)結(jié)果和所取圖像。

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動(dòng)檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 聯(lián)軸節(jié)貼合率自動(dòng)檢測(cè)流程

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采用了機(jī)器視覺技術(shù)充分發(fā)揮了PLC在自動(dòng)控制方面和C Sharp編程語言在操作界面編寫方面的優(yōu)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)了350km/h動(dòng)車組聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測(cè)的自動(dòng)化進(jìn)行，有效地解決了現(xiàn)有貼合率檢測(cè)工藝存在的檢測(cè)效率不高、檢測(cè)結(jié)果具有主觀性和缺乏量化評(píng)價(jià)等難題。

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)報(bào)警并顯示設(shè)備故障，可通過人機(jī)交互界面查詢當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)。

貼合率自動(dòng)檢測(cè)過程為30s～40s，量化結(jié)果及原始圖像會(huì)在每次檢測(cè)完后顯示在人機(jī)界面中，操作人員可根據(jù)實(shí)際要求選擇是否保存。

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的控制完全通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)檢測(cè)軟件分為PLC程序軟件和C Sharp編寫的人機(jī)界面兩部分。PLC程序的主要功能是獲取輸入點(diǎn)的傳感器信號(hào)，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果通過輸出點(diǎn)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和指示燈指示；人機(jī)界面一方面通過RS232數(shù)據(jù)線與PLC之間進(jìn)行實(shí)時(shí)交互通訊，通過讀取和修改PLC內(nèi)部寄存器的數(shù)值獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的功能；另一方面通過PCI-E插槽獲取圖像采集卡的圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算，輸出和查看檢測(cè)結(jié)果及圖像。

2.2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

本方案采用的是三菱公司的FX3u-16M型號(hào)PLC，其具有8進(jìn)8出共16個(gè)觸點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)兩軸高速脈沖輸出[4,5]，在編程之前首先根據(jù)具體功能的需要進(jìn)行I/O觸點(diǎn)分配。

1）觸點(diǎn)分配

針對(duì)具體的功能要求，進(jìn)行I/O輸入輸出觸點(diǎn)分配。如表1所示。

表1 PLC I/O觸點(diǎn)分配

其中X003沒有使用，可作為后續(xù)的功能擴(kuò)充；電源指示燈直接接入供電電路中，不涉及邏輯控制，所以未分配觸點(diǎn)。

復(fù)位位置是設(shè)備的坐標(biāo)原點(diǎn)，為使開機(jī)復(fù)位更加精確，設(shè)置了步進(jìn)減速X000和步進(jìn)停止X005兩個(gè)限位開關(guān)，快速復(fù)位的步進(jìn)電機(jī)在接近原點(diǎn)位置處受到X000限制而降低速度，最終以較為緩慢的速度停止在原點(diǎn)X005處。

當(dāng)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行后，考慮到部分傳感器會(huì)有失效的情況發(fā)生，這里設(shè)置了上超程X006和下超程X007兩個(gè)限位開關(guān)，當(dāng)X005失效時(shí)，步進(jìn)電機(jī)復(fù)位動(dòng)作會(huì)無法停止而繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直至X006接通；同樣當(dāng)步進(jìn)電機(jī)向另一個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)而無法停止時(shí)會(huì)使X007接通。這時(shí)相應(yīng)的超程報(bào)警燈Y005和Y006就會(huì)閃爍，可采用強(qiáng)制開關(guān)X001和X002將步進(jìn)電機(jī)調(diào)整到合理的工作范圍內(nèi)再進(jìn)行維護(hù)。上下超程報(bào)警指示燈的閃爍頻率為1秒鐘一次。

復(fù)位指示燈Y003和檢測(cè)指示燈Y004在程序上使用互鎖設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)同時(shí)指示。

2）程序編寫

（1）開機(jī)復(fù)位

使用原點(diǎn)回歸指令設(shè)置開機(jī)復(fù)位功能。指令如圖4所示。

圖4 原點(diǎn)回歸指令

S1表示高速脈沖頻率，S2表示低速脈沖頻率，S3表示減速點(diǎn)信號(hào)輸入端口，D表示脈沖信號(hào)輸出端。如圖5所示，表示在執(zhí)行原點(diǎn)回歸時(shí)的脈沖頻率是20000Hz，在近點(diǎn)信號(hào)X000接入后便以7000Hz的頻率輸出脈沖，由于相對(duì)于X000接入之前速度較慢，也稱之為爬行速度，以這樣較慢的速度接近并尋找原點(diǎn)的定位精度較高。在X005接通后，Y000脈沖輸出口關(guān)閉。原點(diǎn)回歸結(jié)束，

圖5 開機(jī)復(fù)位程序段

（2）指示燈

如圖6所示，當(dāng)X005接通時(shí)，說明步進(jìn)電機(jī)已復(fù)位，此時(shí)復(fù)位指示燈Y003常亮，檢測(cè)指示燈Y004熄滅；當(dāng)X005斷開時(shí)，說明步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)離開原點(diǎn)位置，正在進(jìn)行檢測(cè)，此時(shí)復(fù)位指示燈Y003熄滅，檢測(cè)指示燈Y004常亮。

圖6 指示燈控制程序段

特殊輔助寄存器M8013具有頻率為1Hz通斷功能[6]，當(dāng)上超程限位開關(guān)X006接通時(shí)，上超程警報(bào)燈Y005在M8013的作用下會(huì)以1Hz的頻率閃爍報(bào)警。下極限情況同理。

2.2.2 人機(jī)界面功能設(shè)計(jì)

人機(jī)界面編寫中使用了C Sharp窗體及其相關(guān)控件，極大的簡(jiǎn)化了開發(fā)過程[7]。界面采用Windows風(fēng)格，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約，容易操作。如圖7所示為聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測(cè)專用軟件界面，其包括指令欄與圖像顯示區(qū)兩部分，指令欄的指令主要有：開始檢測(cè)指令、檢測(cè)調(diào)試指令、圖像保存指令、圖像查看與另存為指令及檢測(cè)結(jié)果顯示功能。貼合率的計(jì)算則在后臺(tái)進(jìn)行。

1）檢測(cè)操作

檢測(cè)操作分為開始檢測(cè)指令、檢測(cè)調(diào)試指令兩種，如圖7所示。

為便于操作，提高貼合率檢測(cè)的效率，在實(shí)際的聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測(cè)時(shí)，只需點(diǎn)擊界面中的“開始”按鈕便可依次完成程序內(nèi)設(shè)定好的檢測(cè)流程，輸出檢測(cè)結(jié)果和原始圖像。

圖7 聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測(cè)專用軟件界面

為便于設(shè)備調(diào)試，設(shè)置了檢測(cè)調(diào)試指令，點(diǎn)擊指令欄中的“命令”按鈕，從其下拉選項(xiàng)中選擇指定檢測(cè)位置，可實(shí)時(shí)觀察到對(duì)應(yīng)位置的聯(lián)軸節(jié)內(nèi)壁圖像，點(diǎn)擊“拍攝”按鈕，可自動(dòng)獲取到圖像。

2）貼合率計(jì)算

在獲取到聯(lián)軸節(jié)內(nèi)壁完整的圖像后，進(jìn)行貼合率的后臺(tái)計(jì)算，首先對(duì)圖像進(jìn)行濾波、銳化、灰度化等前期處理，最后根據(jù)計(jì)算到的閾值將圖像二值化[8]，計(jì)算涂料區(qū)域像素點(diǎn)占整個(gè)圖像區(qū)域的面積比。

3）檢測(cè)結(jié)果的保存及查看

檢測(cè)結(jié)束后可通過圖像顯示區(qū)查看原始圖像，并在檢測(cè)結(jié)果顯示區(qū)域查看貼合率檢測(cè)量化結(jié)果，當(dāng)結(jié)果高于85%時(shí)，指令欄成綠色表示合格通過；當(dāng)結(jié)果低于85%時(shí)，指令欄成紅色表示不合格須剔除。點(diǎn)擊“保存”按鈕，在跳出的對(duì)話框中輸入“工號(hào)”和“工件號(hào)”便可將檢測(cè)結(jié)果保存。

通過“文件”下拉選項(xiàng)中的打開圖片命令可查看已保存的檢測(cè)結(jié)果，并可將相應(yīng)圖片通過另存為選項(xiàng)保存到其他路徑。

3 結(jié)論

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)了聯(lián)軸節(jié)貼合率的自動(dòng)化檢測(cè)，且檢測(cè)效率高，檢測(cè)結(jié)果可量化可存儲(chǔ)，性能穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單，打破了目前檢測(cè)工藝嚴(yán)重依賴技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀，能更好的適應(yīng)信息化生產(chǎn)和管理的要求。

[1]鈕海彥.國(guó)內(nèi)外軌道車輛鼓形齒式聯(lián)軸節(jié)對(duì)比分析[J].機(jī)車車輛工藝,2009(2): 32-34.

[2]夏長(zhǎng)鵬.基于機(jī)器視覺的350km/h動(dòng)車組聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測(cè)技術(shù)研究[D].青島理工大學(xué),2014.

[3]徐建,孟廣耀,趙娟,劉松年.基于觸摸屏和PLC的動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架聯(lián)軸節(jié)自動(dòng)裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(3):144-147.

[4]三菱電機(jī)FX3U系列PLC[J].現(xiàn)代制造,2006,06:10.

[5]汪曉平.PLC可編程控制器系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M].北京:人民郵電出版社.2005.

[6]史國(guó)生.電氣控制與可編程控制器技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2007.

[7]張良德.C/C++編程風(fēng)格的輔助指導(dǎo)研究[D].內(nèi)蒙古師范大學(xué),2010.

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