激光在轴承检测与分选系统中的应用
发布时间：2015-06-16黄志刚
（华东交通大学机电工程学院，江西南昌 330013）
摘 要：为保障机械产品的质量，测量工序是必不可少的，在常规测量过程中，大多数都需要手工进行零件的安装和拆卸，大大影响了效率。介绍一套自动化程度较高的检测与分选系统，主要内容包括测量原理、整体布局和自动上下料机构的实现，系统的工作过程和控制流程等。
关键词：激光；传感器；检测；分选；编程控制器
1 引言
轴承是一种具有高度互换性的标准部件，它具有摩擦力小，易启动，润滑简单，便于更换等优点，在机械系统中几乎是不可缺少的部件。作为重要的机械基础件，轴承更是各种机械中传递运动和承受载荷的重要支撑零件。在以往轴承零部件的检测中，需要人工将被测零件安放在测试平台或转轴上，定好位夹紧后，再进行测量，这样既影响测量的效率，又增加测试人员的劳动强度。为检测设备性能有明显改进，设计了一套高效率、自动化程度高、非接触几何参数测量与分选系统。
2 测量原理（见图1）
在本系统中采用激光三角法进行尺寸测量，即用一束激光以直角聚焦在被测物体表面上，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD或PSD光电探测器测出光斑像的位置，就可计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移/尺寸[3，4]。
式中：α（即＜BOO'）为透镜主光轴入射激光的夹角，β（即<A'O'O）为探测器像面和透镜主光轴的夹角；d0（即OL）为透镜光轴上的物距，d1（即LO'）为透镜光轴上的像距；Z为物面纵向位置变化；x为像面成像点位置的变化，单位都为mm。待测面上移时取“+”，下移取“-”号。2个激光传感器在直径方向上对称布置，这样可用来测量直径D，如图2所示。直径D的数学模型如下。
式中：D0为标准件的直径，在校对/标定系统时使用。X1为在一个传感器测量时得到的轴承径向位移。A1为与上一个传感器对称的传感器测得的径向位移。这里采用相对测量法。
若要同时测量圆柱度，可将激光传感器安装在导轨上，在轴向方向上测2~3个截面，利用已经建立的圆柱度计算模型，就可实现。
3 测试系统机械部分的组成及功能
（1）整体布局
系统的整体布局见图3，左侧是送料机构，由2个气缸控制，其动作正好相反，即一个进气而另一个排气。工件在重力作用下从一定倾角的料槽中滚动，在挡料板的作用下，逐个落到传送带上的U/V型托盘中，为保证工件表面不被损伤，托盘应该采用较软的材料制作，料槽与托盘的位置关系见图4。传送带（同步带）由步进电机控制，托盘安装在带上面，可做相对于传送带的移动，也可以和带一起间歇运动。分选滚道在传送带的正下方，便于完成测量的工件进入各自所属的料仓。
（2）工件的输送和定位
传送带是经特殊设计而制作的，在带的周长上均布若干个托盘，每个盘安装在一定间隔的2条导轨上。在测试台的底部也布置有2条导轨，在带处在停止阶段时，导轨正好两两对接。托盘在推杆的作用下可在导轨上来回运动。当传送带把工件送到空心主轴前面时，推杆在推进气缸的作用下，把托盘向前推进，直到轴承外圈的端面与主轴上的挡片接触，推杆停止运动，这一状态可用压力传感器来探测。此时工件位于主轴轴向方向的固定位置，但主轴与工件内孔壁不接触，主轴的轴线与工件的轴线有一个偏心距e=5mm左右，见图5。
当主轴中拉杆缓缓移动时，支撑杆撑开使弹片与物体内表面逐渐接触，内表面是一个锥面，随着拉杆继续运动，使工件开始向上运动，当支承杆接近到达垂直位置时将工件牢牢地紧贴在主轴上，使其与主轴的轴线重合，这是一种自动定心及张紧装置，受力比较均匀，功能有些类似于车床上的三爪卡盘，但更象雨伞中使用的撑开机构，属于摇杆滑块机构的范畴。由于外圈的内孔是圆锥形的，在测量时外圈的内孔大尺寸朝外，小尺寸朝内，张紧力会产生一个向右的作用力，使外圈紧贴在挡片上，其位置在测量过程中不会变化，从而使轴承外圈的定位得到保证，对测量精度非常有利。另外，在将工件送入检测工位及退出期间，传送带不能移动，当托盘返回到传送带上之后，传送带运动，这样新的零件到达测量位置前，已经测量的零件到达分选位置，所以在带上间隔一定距离安排3个托盘，使得整个测量过程非常紧凑；推杆和拉杆在输送带的两侧，在时序上是有一定要求的，必须配合起来工作。
（3）工作过程
工件定位完成后，主轴开始旋转，激光传感器通电，进行检测，按照形状和位置误差测量方法的理论，在同一圆周上，采样点越多，测量结果越接近被测轮廓的真实情况。实际检测时，只能在主轴旋转一周时，采集一定数量的点，为此在主轴上安装光电编码器，在转过特定角度时采集一次数据。将检测得到的信号经A/D转换器变成数字信号送入处理单元或计算机进行数据处理，得到所需参数。检测结束后，拉杆复位，主轴的自动定心张紧装置复位将外圈松开，工件重新回到托盘上，而托盘两边有挡片，其高度约为5mm，当推杆慢慢退缩时，与托盘相连的拉伸弹簧在恢复力的作用下，将托盘拉回到原来的位置，而托盘挡片使工件随同托盘一起运动，回到输送带上，为下一步的分选操作做好准备。
4 控制处理部分设计
整个系统的控制核心是可编程控制器，由PLC发出的控制信号送给三块功能电路卡，一部分通过电磁阀来控制各个气缸的动作，气缸动作用来分料和送料；一部分通过步进电机控制电路控制步进电机带动传送带，使待测零件在各工位间切换；另一部分通过固态继电器来控制电磁铁的通和断，进而开启相应的料斗仓门[1]。在此选用日本三菱公司的FX2-48MR型PLC。FX2系列是三菱公司近年来推出的高性能小型机，利用扩展模块，可只增加输入端子点数，或输出端子点数，从而灵活地改变输入、输出点数的比例。FX2-48MR共有24个输入端子和24个输出端子，继电器输出类型，完全可满足本控制系统20个输入点、9个输出端子的要求，并有一定的余量，以备改变测量工艺时使用[2]。其程序控制流程图如图6所示。
（3）工作过程
工件定位完成后，主轴开始旋转，激光传感器通电，进行检测，按照形状和位置误差测量方法的理论，在同一圆周上，采样点越多，测量结果越接近被测轮廓的真实情况。实际检测时，只能在主轴旋转一周时，采集一定数量的点，为此在主轴上安装光电编码器，在转过特定角度时采集一次数据。将检测得到的信号经A/D转换器变成数字信号送入处理单元或计算机进行数据处理，得到所需参数。检测结束后，拉杆复位，主轴的自动定心张紧装置复位将外圈松开，工件重新回到托盘上，而托盘两边有挡片，其高度约为5mm，当推杆慢慢退缩时，与托盘相连的拉伸弹簧在恢复力的作用下，将托盘拉回到原来的位置，而托盘挡片使工件随同托盘一起运动，回到输送带上，为下一步的分选操作做好准备。
4 控制处理部分设计
整个系统的控制核心是可编程控制器，由PLC发出的控制信号送给三块功能电路卡，一部分通过电磁阀来控制各个气缸的动作，气缸动作用来分料和送料；一部分通过步进电机控制电路控制步进电机带动传送带，使待测零件在各工位间切换；另一部分通过固态继电器来控制电磁铁的通和断，进而开启相应的料斗仓门[1]。在此选用日本三菱公司的FX2-48MR型PLC。FX2系列是三菱公司近年来推出的高性能小型机，利用扩展模块，可只增加输入端子点数，或输出端子点数，从而灵活地改变输入、输出点数的比例。FX2-48MR共有24个输入端子和24个输出端子，继电器输出类型，完全可满足本控制系统20个输入点、9个输出端子的要求，并有一定的余量，以备改变测量工艺时使用[2]。其程序控制流程图如图6所示。
5 结束语
本自动化检测与分选系统由于避免手工上下料，自动化程度较高；参数的获取是利用激光传感器进行非接触测量而得到的，对零件的损伤较小；测量范围宽，分辨率高，随着测量范围从1mm到几cm，测量分辨率可从零点几m到几十m，测量频率高，可达几千Hz，因而能很好地满足在线测量的需要，此外，还有重复性好，抗干扰能力强，体积小，安装方便等优点。同时控制系统采用PLC来搭建，抗干扰能力强，功能扩充容易，产品设计开发周期大大缩短。所以本系统应用前景非常好。
参考文献：
[1]钱晓耀，周铭，单越康.轴瓦厚度自动检测分选系统的PLC控制[J].组合机床与自动化加工技术，2005（5）：65-66.
[2]董继良.PLC在轴承滚动体分选机改造中的应用[J].制造技术与机床，1998（3）：38-39.
[3]张国宏，章钦.玻璃管激光分选机[J].机电产品开发与创新，2004，17（3）：28-29.
[4]迟桂纯，周肇飞，周卫东.激光在计量测试技术中的应用[M].成都：成都科技大学出版社，1993.
本自动化检测与分选系统由于避免手工上下料，自动化程度较高；参数的获取是利用激光传感器进行非接触测量而得到的，对零件的损伤较小；测量范围宽，分辨率高，随着测量范围从1mm到几cm，测量分辨率可从零点几m到几十m，测量频率高，可达几千Hz，因而能很好地满足在线测量的需要，此外，还有重复性好，抗干扰能力强，体积小，安装方便等优点。同时控制系统采用PLC来搭建，抗干扰能力强，功能扩充容易，产品设计开发周期大大缩短。所以本系统应用前景非常好。
参考文献：
[1]钱晓耀，周铭，单越康.轴瓦厚度自动检测分选系统的PLC控制[J].组合机床与自动化加工技术，2005（5）：65-66.
[2]董继良.PLC在轴承滚动体分选机改造中的应用[J].制造技术与机床，1998（3）：38-39.
[3]张国宏，章钦.玻璃管激光分选机[J].机电产品开发与创新，2004，17（3）：28-29.
[4]迟桂纯，周肇飞，周卫东.激光在计量测试技术中的应用[M].成都：成都科技大学出版社，1993.
来源：《机械研究与应用》第19卷第3期 2006年6月