自动化检测控制系统结构设计

概述随着现代科技和社会的发展进步，现有的科技水平在不断的快速发展，以至于人们的生活水平在需求上也得到了很大的提升。人们开始在生活中注意到，平常的生产制造业的快速发展已经是现代社会发展的一个主要的趋势，而在制造技术的加工、制造技术的生产、选材、生产方式以及生产工艺还有一些生产制造技术的设备上，都应要求符合制造技术生产产品的自动化、多功能、全面化的制造技术要求。在以前的传统滑片生产制造技术需要很多的劳动力，这样的生产方式对于快速的制造技术的生产不仅无法保证，而且还在生产上增大了很大的工作需求，浪费了大量工人劳动量。在滑片制造技术的生产上，浪费了很多不必要的成本。本次设计的滑片生产的制造技术上的一个先进化设计，在不断对制造技术生产的需求，保证生产安全的基础上，不断的进行全面的改进和生产。使得滑片制造技术的生产加工的过程中，解放了更多不需要的劳动力，实现大量劳动力由设计的自动化机器代替，从而在生产过程中节省大量工人，降低生产的成本，而且还可以保证滑片制造技术。在加工的过程中，也可以实现人们对卫生条件可靠性的要求。1.1国内发展状况虽然我国生产制造文化的发展比较早，但是由于我国科学技术不发达，对于滑片自动检测系统，在设计和研制上起步比较晚，所以滑片自动检测机的研究整体水平仍然落后于一些发达国家和地区，成品较少。直到90年代后期，才先后不断的生产了几种滑片自动检测系统的机型。在北京现在有以中频的伺服电机为主要的动力，实现双动往复运动的检测式滑片自动检测系统。部分滑片自动检测系统工具厂也同样的生产了以电动形式的旋式来进行剔除不合格滑片的滑片自动检测系统，它主要的使用检测是通过红外线扫描来检测，设计的定检测可以对滑片起到一个支承力的作用，使得动检测运动的旋转，从而进行对滑片的不良剔除。目前的发展中，我国有大量的生产制造检测基地，以至于出现了大量的滑片自动检测系统。这些滑片自动检测系统普遍采用的原理，大都是以自动化为主的滑片自动检测系统。但是国内这些厂家的线设备或自动化生产上的滑片自动检测机很大一部分来自美国、日本等制造业发达的国家和地区，我国生产的滑片自动检测机较少且设计不够成熟。1.2国外的发展状况在滑片自动检测系统在国外的发展中，对于滑片自动检测系统的设计发展是比较早的，有很高的研制成果。其中日本和美国最具代表性，尤其是日本，对滑片自动检测机的理论、设计与计算的研究较为深入，使人们能够很清晰地发现产品的缺陷。对于滑片自动检测机，日本现在已经开发出三种：第一种结构是摄像头质感感应，利用摄像头的投影原理，反馈信号给PC机来进行检测。第二种结构是双摄像头检测系统。第三种是CMD视觉系统，此系统作为一个集成化程度高，检测准确的系统，越来越受到人们的欢迎。在目前的发展中，发达国家对滑片的轻重检测分选这样的机械的研制，相应的应用是非常成熟的。并在不断的应用中进入大量的推广时期。1.3设计目的在本次的设计中，主要的设计目的是实现对现有的滑片自动检测系统的改善和优化，达到设计的以下目的：1.结构简单，安装与维护更加方便；2.应用摄像头为检测元件，结构简单，检测质量完善，准确，便于加工制作；3.改变驱动信号中的幅值、脉宽及频率其中的任意一个，都可以来调节检测率，控制参数多，可控性也较好；4.不会产生干扰电磁场，也不受电磁干扰信号的影响；5.在低频率段或超声段工作，噪音小；6.在共振或无共振状态下工作，因此能量消耗少。1.4设计内容在本次的设计中，为了达到滑片自动检测系统设计的要求，对现有的滑片自动检测系统的进行再现设计，主要设计内容包括:1.摄像头的选用2.剔除装置的设计3.伺服电机的计算选用及校核4.同步传送机构的设计计算5.滑片自动检测机的三维模型的设计

2滑片自动检测系统的整体方案设计2.1结构分析根据设计任务，本次设计一种滑片自动检测系统，检测系统可以通过输送线输送滑片到摄像头处，再利用摄像头的投影成像原理把摄像头自身拍到的图像回传给计算机系统，最后经过计算机系统的分析与处理，人们就可以很容易分辨出被检测物体的外形形状和差异，这种滑片自动检测系统用在检测领域最合适不过。其结构图如下所示：图2.1滑片自动检测系统结构图2.2总体方案和工作原理本次设计的要求是，能够实现自动化、半自动化在经济各行业的普及深入，自动滑片检测机已经成为生产线一个不可缺少的环节，对自动滑片检测机的结构、噪音、工作原理、输送精度及检测程度等方面提出了更高的要求，传统的滑片自动检测机已不能满足现状要求。本次要设计的滑片自动检测控制系统，是针对油泵、压缩机组装厂里生产加工的滑片，由于滑片连接器的种类繁多，规格差异很大，如果单纯地依靠人力来对所生产的产品进行一个个的检测，那样将会非常的消耗时间，并且没有工作效率，摄像头检测系统的诞生，恰恰弥补了这一缺陷。本次设计采用的方案为：为了实现滑片的检测和剔除，其主要组成部分有传送带结构的设计，整体框架的设计，检测装置的设计、动力结构的选型和计算、摄像头的选型、剔除装置的设计、气缸的选型和计算等。在设计上整合相互之间的关系，完善和改进设计上的不足，能够实现滑片在输送中的检测过程，分选出合格和不合格的滑片，对不合格的滑片达到剔除的作用效果。滑片自动检测机的工作原理：人工将滑片放在检测的输送线上面，通过输送线输送滑片品到摄像头处，然后光电传感器和摄像机开始对滑片的各个部位进行相位采集，进而反馈给计算机系统进行图像处理与比较，这样就能够很轻易地分辨出产品的差异，辨别出哪些是合格品，然后再将分选出的不合格的滑片进行剔除，从而达到了检测的目的。2.3摄像头的选用2.3.1摄像头的工作原理利用单片机的输入捕捉功能来设计一种视频信号采集系统。在该视频信号采集系统中，对CMOS相机的输出信号进行二值化处理，利用单片机的输入捕捉功可以对信号进行实时采样和处理，提取出黑色引线的形状特征。实验表明：该系统具有实时性好、测量精度高、硬件和软件成本低等特点。2.3.2摄像头的类型目前，电脑市场上的相机主要是数字摄像头，而数字摄像头则主要以带新型数据传输接口的USB数字摄像头为主，大部分都可以在市场上见到。随着人们审美要求的提高，发现采用液晶悬挂式及高杆式的摄像头看起来使图像更加美观。因此，目前市场上主流是液晶悬挂式和高杆式摄像头。液晶悬挂式最早是由罗技提出，随后沃乐、WELLEC、微软等公司相继推出。这盏灯能够弥补摄像头在低照度下的光线不足。根据摄像机是否需要安装驱动程序，可分为驱动型摄像机和非驱动型摄像头。非驱动型摄像头由于使用的方便而成为主流。当摄像头出现黑屏，屏幕带点，摄像头插上电脑没有反应，摄像头影像模糊，屏幕有暗角，外观刮伤有伤痕，外壳松动，外壳生诱，有斑点，装配松动，灯不亮，麦没有声音，麦盖麦帽松动，线材没有束带外露等现象时，会影响摄像头的检测效率，以及影响检测的精度。可以考虑以下因素，进行完善，以达到较好的检测精度。1.出现黑屏：模组问题或者线材有问题。2.出现屏幕带点：模组有问题，镜头或芯片没有察干净。3.出现摄像头插上，电脑没有反应：模组问题，线材问题，延长线是否用得太久。4.摄像头出现影像模糊：镜头，芯片没有擦干净。5.屏幕出现暗角：镜头与模组不搭配。6.外观刮伤有伤痕：组装过程有可能产生磨损。7.外壳出现松动：螺丝没有锁紧，或螺丝不配。8.外壳出现生诱，有斑点：外壳是否有很多油渍，金属的外壳需要用干布擦拭干净。9.装配出现松动：外壳各部分需要拧紧。10.灯出现不亮：可能是焊接错误。11.麦发现没有声音：麦线或麦头没有焊接好，或者可能是焊接错误。12.麦盖出现麦帽松动：需要用502胶水固定好，但麦盖最好不用胶水粘接。13.线材没有束带，出现外露：没有扎好束带结构组件。从摄像头的工作原理我们就可以列出摄像头的主要结构和组件：1.感光芯片：应用在摄影摄像方面的高端技术元件。2.主控芯片：应用于较低影像品质的产品中。。3.电源：电源是将其它形式的能转换成电能的装置。4.光学镜头：镜头在影视中指电影摄影机、放映机用以生成影像的光学部件。2.3.3摄像头的设计优势（1）、本次的设计的滑片检测系统的结构针对在传统手工工作上不不足，可以代替了手工工作不便的过程，增加了工作的效率，在滑片检测生产上的重要作用是减少劳动力，在工作上提升工作的效率，实现便捷的好处。减少工序的复杂性、使得效率有所增强、使得本次设计的系统在大大的减轻滑片系统的工人的劳动工作的强度，提高了生产检测和剔除系统滑片的生产效率。（2）、针对一些传统手工滑片，使得滑片检测不安全的等缺陷的问题，本次设计的系统在滑片上具有结构上的紧凑、更好的时下封闭的检测、避免了在检测系统上的人为及其他的一些安全工作的品质，这种结构的设计是现代的一般工作点对于 滑片检测的好帮手。（3）、这种产品在对于实现自身价值的情况下适应现今工作店，安全性要求等的需求,更能很好的实现适应现有的市场的需求。（4）、设计的产品要结合功耗低，工作的噪声小的特点，更好的适应现代的居家生活中的滑片系统的需求。在现有的生活中，随着工作水平不断的提高，在市场上出现比较多的是支撑等设备，还有新的机械设备的出现。系统的研制和发展以及滑片等的生产发展在形状上各异，可以实现的设备的种类繁多，剔除设备的生产和检测机械的研发，基本都是在大多为系统设备生产加检测的机械设备被使用，在剔除的检测系统的机械设备并不是很多，而且滑片的功能比较的单一。随着现代人们对各种设备的要求和各方设备的设计的要求在不断的提高，在剔除液压系统的设计上的发展和需求开始受到很多工作人士的厚爱，在对在全国滑片设备的广大市场需求，使得滑片的系统的发展在不断的扩大，实现的经济性前景比较好。小结本章节通过对检测系统的结构的分析和方案的确定，进行每个部分的布局分析，针对重要的结构部分进行设计选型，选择合适于本次设计摄像头：TPLINK摄像头。并对摄像头的安装位置，图像的清晰度进行等，使用电压等参数的表达。

3.滑片自动检测系统的设计计算3.1剔除装置的设计在本次的设计中，剔除装置指的是在摄像头进行检测后，分选出来的不合格滑片被气缸工作后进行剔除的装置。这样的剔除结构在机械上不常见，但是在流水线的生产和加工上精车用到，在滑片检测系统的设计上，为了更好的达到剔除的效果，选择使用气缸作为动力元件的剔除机构。3.1.1气缸的工作原理及作用单作用气缸只有一个腔可以输入压缩空气，实现一个方向的运动。单作用气缸的活塞杆只能借助外力推回；通常是借助重力，膜片张力，弹簧力等力的作用。气缸的作用体现在一下两点：（1）气缸是引导活塞在缸内进行直线往复运动道的圆筒形金属机件。空气在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；内气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。

（2）涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。气缸的应用领域：印刷容（张力控制）、半导体（点焊机、芯片研磨）、自动化控制、机器人等等。单作用气缸的特点是：1.只有一端进（排）气，耗气量小，结构简单。2.用膜片力或者弹簧力等进行复位，，利用部分压缩空气能量克服弹簧力或膜片张力，从而降低活塞杆的传递力。3.气缸内装有弹簧、膜片等零件，一般行程较短；与同等体积的双作用气缸相比，单作用气缸有效行程较小。4.气缸复位弹簧和膜片的张力均随随变形而变化，因此活塞杆的输出力在运动过程中也会发生变化。由于上述特点，单作用活塞气缸一般多用于短行程。其推力和运动速度均要求较低，如气吊，定位夹紧装置等。单作用柱塞缸则不然，它可用于高载荷、长行程的场合。3.1.2气缸的设计计算直径的设计和计算应根据气缸负载大小、运行的速度和系统工作压力来确定。首先，根据气缸的实际工况和驱动载荷，对气缸的轴向实际载荷F进行分析计算，然后根据气缸的平均运行速度来选择气缸的负载率q，初步确定气缸的工作压力，如下图所示表1-1气缸有关参数图（气缸工作压力一般为～）再由，可以计算出气缸理论上输出的力，最后计算出缸径和杆径，并按照标准圆整得到实际所需的杆径和缸径。气缸通过推动滑片来实现滑片零件的分离。已知工件等运动部件质量为，工件与输送带之间的摩擦系数气缸行程，经过1.5s后滑片移动到指定的区域，系统工作压力，试确定气缸直径。气缸实际的轴向负载（1-1）气缸平均速度（1-2）选定负载率则气缸理论输出力（1-3）按标准选定气缸缸径为25mm。由计算得出的的气缸缸径进行选型。可以选择台湾的MAL2530的型号，该型号气缸缸径为25mm，行程，也可以满足的负载率。价格便宜，性价比高,可以很好的满足本次设计的需要。具体三维图像如下：图1.1气缸1 3.2滑片检测机传动机构的设计计算3.2.1伺服电机的计算校核图1.2伺服电机经查阅相关论文和资料[4]，我们知道只要传送带的转矩满足，通常一般的动力都可以完成剔除，为了保证剔除后滑片的质量，初步选取转速，选取转矩，则有：（2-1）（2-2）3.负载转矩（2-3）上式中：TL为伺服电机的额定转矩；PB为伺服电机的机械效率;为摩擦系数;4.负载惯量左右水平运动（2-4）伺服电机负载惯量为：（2-5）总惯量为：（2-6）5.电机转矩启动转矩（2-7）电机转矩（2-8）S为安全系数，这里取2。根据以上计算我们得出数据，我们选用的交流伺服电机为92BL-A型号，采用交流电源进行驱动，根据电机的特性曲线以及参数表如下：图1.3电机的特性曲线表1-2电机有关参数表根据计算结果和特性曲线以及电机的基本参数表，我们选用的交流伺服电机的具体型号为B，电机额定功率为，额定转矩为，最大转矩为，额定转速为。电机图如下：图1.4伺服电机型号外形尺寸为92mmX92mmX86mm，电机的输出轴径为。3.2.2同步带传送的设计计算名义传动功率主动轮转速，从动轮(3)中心距(4)工作情况，24小时运转设计功率=0.3×2=0.6Kw（3-1）式中Ko为载荷修正系数由设计功率和，查阅参考文献，查得带的型号为XL型，对应节距（1）选择小带轮齿数由小带轮转速，L型带，查表得小带轮最小许用齿数，则大带轮齿数，（3-2）其中（3-3）×12=51取标准带轮齿敦=50；（2）确定带轮节圆直径=19.414mm(3-4)=80.9mm(3-5)（3）确定同步带的节线长度L，(3-6)式中：ψ==0．218(3-7)12.6(以代入)则L=54.54；选择最接近计算值的标准节线长L=55.20mm.（4）计算同步带齿数z=55.20/5.08=11(3-8)图1.5传送带结构（5）传动中心距n的计算(3-9)用逐步逼近法计算，θ(弧度)代入上式得出a=102.45与精确计算结果相似。最后测量装置同步带选用XL型同步带；带轮节圆直径ZB=11，L=5520ramb=9.5mm；同步带轮：Z1=11，Z2=50，=19.4146mm=80.9mm。小结本章通过对滑片检测系统的剔除装置的设计，实现伺服电机的选择和使用的计算，对选择的伺服电机进行校核，满足本次滑片检测系统设计的要求。在本次的滑片检测系统中，输送结构的设计尤为重要，在设计上选择使用传送带的方式来设计，通过对传送带的计算和设计，选择合适的皮带。计算齿轮传动的参数，完成设计中传动装置的结构设计。3.2.3非重要零件的尺寸设计除了上述重要零件的设计部分。还有一些非重要零件需要进行尺寸设计，例如垫板、主动滚筒、主动固定支座等。其中垫板的作用就是与机架相接触承受载荷并将载荷传递到机架.垫板形状各异，材料不同，一般用铸铁制作。为了配合整体设计，他的尺寸为500mmX160mmX20mm。具体见下图图1.6垫板结构主动滚筒是带式输送机传递动力的主要部件，其驱动带式输送机的方式有单滚筒、双滚筒及多滚筒之分。单滚筒多用于功率不太大的输送机上，如煤矿地面运输及选煤厂等处。井下带式输送机一般均采用双滚筒，以使输送机结构紧凑。为了配合整体设计，他的尺寸为222mmX120mmX120mm。具体见下图图1.7主动滚筒结构主动固定支座是既能阻止构件支撑端产生竖向移动和左右移动，又能阻止构件产生转动的支座。为了配合整体设计，他的尺寸为360mmX100mmX30mm。具体见下图图1.8固定支座结构4.各主要零部件强度的校核4.1轴承强度的校核与计算在滑片检测系统剔除部分的设计中，固定滑片检测系统轴只承受径向力，故滑片检测系统选择圆锥滚子轴承来实现，参照滑片检测系统前面所计算的滑片检测系统最小轴径，初步选择滑片检测系统轴承代号30205，具体的参数设计见表3-2。表3-2滑片检测系统轴承主要尺寸滑片检测系统轴承代号滑片检测系统基本尺寸/mm滑片检测系统安装尺寸/mm滑片检测系统极限转速（r/min）dDBminminminmax脂润滑有润滑302052547120．630420.613000170004.2传动轴强度的计算与校核在滑片检测系统剔除装置的设计过程中可以以一个滑片作为设计研究对象，假一个工作中的基本质量为m，滑片检测系统剔除装置工作时滑片从入料口掉在传送带上会被滑片检测系统剔除装置毛刷带动一起转动，滑片检测系统剔除装置转动时候的受力可分解为竖直向上和滑片检测系统剔除装置水平向右的两个分力方向，滑片的运动速度为v,滑片检测系统剔除装置出料口与滑片检测系统剔除装置传送带的切线方向角度为α，那么滑片的速度就可以分解为竖直向上的力，以及水平向右的分速度来进行计算。设圆盘的转速为ω。故有（m/s）设圆盘的半径为R（单位为米）则（m/s）当滑片运动传递到滑片检测系统剔除装置出料口时，滑片竖直方向上的力的计算为：在滑片检测系统剔除装置设计的实验中可以知道，只有滑片检测系统剔除装置滑片抛起来的高度比滑片检测系统剔除装置滑片自身厚度高时，才能使每个滑片检测系统剔除装置滑片与传送带和滑片检测系统剔除装置毛刷接触摩擦，因此在传送带上的滑片数量设置的不能太多，不然滑片检测系统剔除装置无法使滑片抛起一定的高度达到h，通过滑片检测系统剔除装置设计中的动力学知道，在滑片检测系统剔除装置滑片抛起后，滑片检测系统剔除装置的动能是和滑片检测系统剔除装置的基本是势能相等的，它的势能为mgh,因为所以α的角度一般是25度到30度下面进行滑片检测系统剔除装置离心力的计算，要将滑片检测系统剔除装置滑片带动与滑片检测系统剔除装置传送带摩擦，设滑片检测系统剔除装置离心力为C（N）由于滑片检测系统剔除装置传送带上附着滑片检测系统剔除装置橡胶，所以在滑片检测系统剔除装置毛刷转动时，滑片检测系统剔除装置滑片与滑片检测系统剔除装置传送带有一定的摩擦力，使得滑片检测系统剔除装置滑片所受传送带的力一定要大于摩擦力才能保证滑片检测系统剔除装置删的滑片被带动（N）滑片检测系统剔除装置离心力C滑片检测系统剔除装置大于摩擦力T，则有（）设滑片检测系统剔除装置滑片落入传送带后，滑片检测系统剔除装置整体厚度为δ（mm）滑片检测系统剔除装置摩擦系数f为1.0～1.4，设计滑片检测系统剔除装置摩擦系数f取1.2则有（）（）根据滑片检测系统剔除装置计算得出两个转速，那么为了满足之前的要求，肯定就要选取n1n2中较大的一个值，所以可以知道n=268（）设计完成后，得到下图：图1.9传动轴小结本次主要设计的是零部件的设计和计算，对本次设计的结构中选用的轴承进行选型和校核，分析轴承的强度和传动结构上和轴承向配合的轴的设计，计算和校核轴的强度，选择合适的设计参数。5.三维建模功能滑片检测系统机架的工作能力取决于主要部件的刚度，就是反映了机架的刚度要求。机架的强度设计是丰富多彩的，我们应该根据功能滑片检测系统机器在实际的运行过程中，可能出现的最大载荷。此外，我们还应校核功能滑片检测系统机架的整体框架的疲劳强度是否符合设计要求，从静态和动态两个方面考虑功能滑道检测系统框架的设计强度和刚度。如果考虑的不够全面，这会使得功能滑片检测系统的机架在实际工作中受压结构，受压弯结构，都会存在一些不稳定性。有一些设计的零件，在制造过程中是薄壁的，因此也存在一些局部的不稳定性。所有的功能滑片检测系统的机架稳定性，是保证其是否能够进行正常工作的基本条件。为了达到功能滑片检测系统能够进行稳定工作和检测的效率要求，本次的功能滑片检测系统上设计的过程中，应完成以下几点重要的设计要求：1.在满足功能滑片检测系统刚度及功能滑片检测系统强度的前提下降低制造成本。2.噪声较小。3.抗振性好。4.功能滑片检测系统的使用在不同的温度场合设计要合理，使得实际工作中的热变形对检测的精度的影响较小。5.功能滑片检测系统的结构设计要符合要求，设计的工艺性要合理，便于零件的铸造生产、机架等焊接件的连接和机械上的工艺加工。6.结构要方便安装、调整及修理。7.功能滑片检测系统需要的导轨面的受力要合理、且系统自身的耐磨性要求良好。8.功能滑片检测系统整体的造型要美观，具有美感。5.1整体结构的装配由于整个系统在设计上是采用通过输送线来完成的，在实际的工作中将滑片输送到检测的摄像头位置的时候，利用摄像头对不合格的滑片进行检测的过程。设计中我们我们必须采用三相的配速电机，来实现配备的无极调速装置的工作需求，使输送带的速度可以灵活调节，即检测速度可以调节。图1.10整体结构的建模滑片自动检测系统细节结构主要是：剔除装置、摄像头、气缸、电机、同步带齿轮，挡板，垫板等在设计过程中，完成上面所谈到的剔除结构的设计以后，可根据已经设计好的零件来确定其他的结构形式。上述结构设计和内容确定后，即可确定设计机架的结构形式和尺寸要求，在整个设计过程中，机架的结构不要过于复杂，否则无法减轻自身重量。在设计过程中，主要设计内容可以包括以下几个方面：对机架的结构设计进行测量，实现滑片自动检测系统机框和设备头部的合理设计，加上上面设计的传送带和滑片检测系统轴的尺寸设计过程。所选的机框是用于放置内部结构、传动齿轮和滑片自动检测系统的曲柄滑块。根据上述的设计内容，基于滑片自动检测系统结构设计参数和计算，进行综合分析和考虑，就可以依据所要设计的滑片自动检测系统来设计出机架的整体轮廓的结构，通过计