基于色标检测器和嵌入式数控装置的整流子下刻机测控系统设计

基于色标检测器和嵌入式数控装置的整流子下刻机测控系统设计

1故障排除及处理牵引电机（直流电器）是一种将能量消耗转变为机器的设备。它是电气机车和电动汽车的重要部件。整流子是牵引电机中的重要部件，用以改变电流方向，使电枢不断旋转，其表面铜排与电刷之间应有良好接触，一旦接触不良电机运行便发生故障。然而，运行时电机受冲击和振动的动力影响，起停、过载、高速运行时受磁场削弱，这些都会损坏整流子；同时，它悬挂于车体下面，很容易受潮、受污而造成整流子磨损的加快。为了保证电机正常运行，确保行车安全，对整流子就必须进行经常的维修。其维修的一项重要内容就是对表面铜排间的云母槽进行刻削。但是，由于工艺原因，牵引电机整流子的云母槽数量多、硬度高、宽度不均，不能采用均匀分度方式找槽加工。传统的方法是采用人工刮削或改造的牛头刨床进行机械加工，效率低，质量不好；近年研制的基于CCD图像处理的下刻机也容易出现丢槽和下刻精度低的情况。针对以上情况，文章提出一种基于色标检测器检测云母槽、由嵌入式数控装置控制的下刻机测控系统。2整流子旋转下刻下刻机测控系统采用华中数控股份有限公司的“世纪星”HNC-21数控硬件系统，开发实时测控、数据处理以及加工程序；控制交流伺服电机经传动系统带动牛头刨床上装夹的整流子旋转，采用德国施克（SICK）光电公司的高效能色标检测器，准确识别云母槽和铜排的边界，输入数控系统；数据处理，得出每个云母槽的中心线位置；控制整流子旋转，使云母槽中心线与刀具中心线在同一垂直面，启动刨床进行下刻；利用刨床刀具回退的时间以及判断行程开关的状态，控制整流子旋转到下一个位置，刨床不停地下刻，直到全部加工完成。其原理见图1。3色标检测系统的工作过程(1）数控装置“世纪星”HNC-21系列数控装置采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC机、高性能32位中央处理器，配置7.5″彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。用于下刻机的研发，完全符合设计要求。(2）伺服系统数控装置发命令给伺服驱动，由其驱动伺服电机运行，通过联轴器带动蜗杆、蜗轮转动，蜗轮与工件旋转轴同轴相连，这样就可控制工件的旋转。由于传动中存在间隙，为了减少误差，我们采用单方向的转动方式。下刻精度是下刻机系统的重要指标之一。为确保下刻精度，伺服电机尾部编码器选用2500线增量式光电轴角编码器，电机转动时，将轴角位移转换成2500P/r的A、B两相数字脉冲，当顺时针方向旋转时，A信号超前于B信号90°，同时还输出一路零脉冲信号，作为零位标记，该系统只检测电机的转角，故Z相的信号可不用。伺服驱动通过光电隔离正交定时计数，实时检测出转角位移。数控装置只负责通知伺服驱动电机要走的脉冲数，并从伺服驱动读取电机的转动位置，记录在专门的位置寄存器，具体的控制完全由伺服驱动来完成。伺服驱动和伺服电机之间采用PID调节，确保控制的精度。(3）测量系统通过多次试验，我们发现用接触式测量来检测云母槽和铜排的边界以确定云母槽的中心线位置的方法效果不好，形成的波形抖动严重，误差较大。所以，我们决定采用非接触式测量。测量系统由德国施克（SICK）光电公司的高效能色标检测器和基本电气逻辑器件与电路组成。(1)色标检测器的原理色标检测器的原理和漫反射式光电开关类似，在固定的检测距离内检测器可区分由黑到白的30级灰度，这种特性适用于检测色标，例如印刷用的色条。稳定地阅读标记的关键因素是色标和背景的对比度差别。被检测的物体表面可以是粗糙的、光滑的或有光泽的，其材料可以是纸、塑料或金属。由于云母槽和铜排的颜色和反射率差异大，我们设定一个介于两者中间的一个值作为色标，这样用色标检测器检测时，检测器加24V电压发出激光，光射在铜排和云母槽上形成不同强度的反射光，色标检测器同时接受反射光，并与标定的色标比较，输出高低两种不同的电平信号，其中低电平代表云母槽。(2)测量系统的工作过程将色标检测器、刨床刀具以及工件中心线置于同一垂直平面，这样色标检测器检测到的云母槽中线也即是刀具直接的加工路线。当工件转动时，色标检测器检测输出连续交替的高低电平到数控装置，数控装置判别两种信号的跳变点，也即是云母槽和铜排的交界，一旦有信号的跳变就记录下编码器的值，这样工件转一圈后就记录下了每个交界处的编码器值，经计算就可以得到每一个云母槽中心线的位置；加工时转动工件使云母槽中心线与色标检测器、刨床刀具于同一垂直平面，启动刨床移动刀具下刻；利用行程开关，数控装置判断刨床刀具的位置，利用刀具回退的时间转动工件使下一个云母槽加工点到加工位置，这样循环加工直到结束。(4）保护机构由于检测以及数据处理带来的误差，可能会在加工时错误地加工铜排。因此，专门设计了一个凸轮机构，在每一槽下刻前都仍用色标检测器检测是云母槽还是铜排；如果是铜排则转动凸轮机构抬起刀具，不加工此处；如果连续几次都是铜排，则提示错误，退出加工，从而保证不会刻坏整流子。4生成温度d的计算下刻机的软件层次如图3所示，由于检测时读编码器位置的实时性要求，以及操作界面的要求不高，我们采用DOS平台开发软件，软件包括用户操作层、机床输入输出及控制层和操作系统层。DOS程序中，界面的开发技术已经很成熟，驱动程序、逻辑控制以及中断定时程序也都容易编写，关键是云母槽中心线的提取、误差的处理以及加工时电机的控制。软件流程如图4所示：(1）云母槽中心线的提取测量时通过数控装置记录下了铜排和云母槽交界处的编码器值。加工的精度要求检测具有实时性，不能有漏测或延迟反映，所以我们检测时除了记录下色标检测器信号跳变时编码器值以外，不做其它与检测无关的事，这样可以保证有很好的精度，等到检测完成再处理保存下来的数据。同时为简化数据处理，从铜排转到云母槽的交界处才开始记下第一个编码器值，也作为起点。数控装置在位置寄存器记录下的编码器值是16位二进制数，0到65535循环计数，则可以计算出每个铜排和云母槽的宽度（以编码器脉冲数为单位）：当Vn+1>Vn时D=Vn+1-Vn当Vn+1<Vn时D=Vn+1-Vn+65536其中，V是铜排和云母槽交界处的编码器值，D为铜排或云母槽的宽度。这样就得出了连续交替的云母槽和铜排的宽度（第一个D值为槽的宽度），从而可以计算出每个云母槽中心线到起点的距离，也就是理论上的加工位置。(2）误差的处理由于客观原因，铜排上可能粘有黑色物质使得色标检测器检测到的连续高电平中出现了微小的低电平脉冲而误认为是云母槽；相反，还会有云母槽中有别的物质而错误地出现高电平，从而产生误差。但是整流子的价格昂贵，不允许刻坏，与铁道部下属多个科研机构交流后，我们将误差的处理定位在宁可不刻也不能刻坏。为此，我们可以将计算得到的铜排和云母槽的宽度D求平均值：其中，n为铜排和云母槽的总个数，为偶数。然后，将每个D与其对应的平均值比较，步骤为：(1)将云母槽的Dn与比较，如果小于的30%，则认为是铜排上有小的黑色物质，将（Dn-1+Dn+Dn+1）合并成一个铜排的宽度，当然也可能是内嵌杂质的云母槽，这样就将云母槽处理成铜排了，这个将在后面处理掉；(2)将铜排的（Dn+Dn+2）与比较，如果小于的90%，则认为中间的云母槽Dn+1是铜排上大的黑色物质所致，（Dn+Dn+1+Dn+2）合并成一个铜排的宽度；(3)将铜排的Dn与比较，如果大于的2倍，则认为Dn中有一个槽，将Dn分成连续的三部分：铜排、云母槽和铜排。这样，经过三个步骤的误差处理，已经基本没有问题了，现场的实际加工也证实了误差处理的有效性。(3）电机的控制加工时要准确控制电机的转动，使每个云母槽中心线都停于刀具垂直面。虽然电机与伺服驱动之间有内部的PID调节，能很好地控制电机的位置，但整流子的旋转惯性大，容易过冲，这就要求我们在控制数控装置发脉冲给伺服时运用简单的算法达到不错的精度要求。我们采用先加速、后减速的方法来控制电机的运行，使其平稳地停止到要求的位置。利用数控装置中的中断控制器8254，编写中断控制程序，将发脉冲的周期定为4ms，每4ms发一次脉冲，发的脉冲数先递增，再递减，这样就能达到不错的效果。5测控系统及设备组成系统利用色标检测器很方便而简洁地得到了云母槽中心线的位置，避免了接触式测量的误差大以