本文是一篇工程碩士論文，本文設計的控制系統可實現對凸輪軸表面缺陷檢測裝備的全流程控制，并獲取凸輪軸全尺寸高清圖像。為大尺寸復雜異形結構工件的缺陷檢測提供了全尺寸圖像采集的控制方案。
第1章 緒論
1.1 課題研究背景和意義
產品表面缺陷在線檢測是實現機械零部件智能制造質量閉環的關鍵環節。機器視覺技術因其非接觸、高效率的獨特優勢，在產品質量檢測中得到高度重視[1]。本文以凸輪軸行業龍頭骨干企業生產的發動機凸輪軸表面缺陷檢測為研究對象，開展凸輪軸表面缺陷視覺檢測裝備控制系統關鍵技術的研究。凸輪軸一般以球墨鑄鐵、合金鑄鐵為原料，通過鐵水低壓鑄造成型，再進行機械加工而成。因鑄造工藝、機加工、運轉磕碰等原因，可能產生砂眼、劃痕、孔洞、麻點、結疤等表面瑕疵[2]如圖 1.1所示，缺陷類型多樣且位置隨機，并且凸輪軸由多個桃形面、鵝頸面等復雜曲面組成，屬于一類大尺寸復雜異形結構件?，F階段，企業實施多人目檢方案把控凸輪軸外觀品質，但因工件尺寸大、缺陷位置隨機、主觀性評判等因素易造成誤檢，同時企業日檢需求高達上萬只，致使傳統的人工檢測方案無法實現凸輪軸表面缺陷的準確、高效檢測。
工程碩士論文怎么寫
機器視覺因其獨特優勢被應用于凸輪軸表面缺陷檢測，而市面上尚無針對大尺寸復雜異形結構件的全尺寸圖像采集而開發的控制系統，無法穩定得到良好的圖像數據基礎用于視覺診斷評價。
................................
1.2 國內外研究現狀
基于視覺的工件在線檢測應用中，控制系統主要承擔待檢測工件在多工位間自動流轉及檢測圖像準確獲取的任務，因此，視覺檢測裝備控制系統開發重點在于，不同檢測對象具有不同的控制需求，需設計合理的控制方案，以實現圖像采集裝置與運動裝置的協同配合及自動控制與機器視覺高度集成化。此外，對于一些異形結構檢測對象或動態檢測場景，需要通過相機精確觸發以完成檢測圖像的采集。國內外學者針對以上兩點，開展了大量研究，開發出了大量實用的視覺檢測裝備控制系統，也提出了具有前瞻性的相機觸發控制方法。
1.2.1 視覺檢測裝備控制系統國內外研究現狀
在視覺檢測裝備控制系統開發過程中，PLC因使用簡單、穩定性好等獨特優勢[3]，被作為主控制器的首要選擇。近年來，國內外學者通過機器視覺技術與PLC技術集成，開發出大量視覺檢測裝備控制系統，具體如下：
Koodtalang W[4]設計了一種圓管和方管尺寸自動檢測系統，利用立體視覺技術，實時檢測零件形狀及外觀尺寸，發送檢測結果至S7-1200，實現零件的分類及不合格工件的拒收。Qu等人[5]采用霍夫變換定位偏心灌裝桶口的坐標位置，指導S7-1200控制噴槍移動完成醇醚灌裝。Chun等人[6]通過局部閾值分割、邊緣檢測和支持向量機識別等方法獲取樣品位姿參數并傳至PLC，引導機器人完成分揀，解決了工業機器人分揀過程中定位不準確問題。Wang等人[7]通過圖像處理技術與PLC技術結合，實現了手機生產信息的在線檢測。Zhou等人[8]利用視覺模塊獲取甘蔗根莖段位置信息，并發送至PLC進行根莖段切割，效率高達2400芽/小時。
...........................
第2章 凸輪軸表面缺陷視覺檢測裝備總體方案
2.2 凸輪軸結構及其缺陷特點
凸輪軸由凸輪面、負曲面、齒輪面、鑄砂面等組成，2個凸輪面呈偏心分布，是一類復雜異形結構件。從視覺圖像檢測的角度考慮，將凸輪軸劃分成10個檢測區域，如圖2.1所示，包含：端面1、凸輪面1、凸輪面2、鑄砂面1、齒側面1、齒面、鑄砂面2、齒側面2、端面2、鍵槽側面，作為發動機的核心關鍵部件，這10個區域的表面質量將直接影響發動機的運行安全性和可靠性。
工程碩士論文參考
...........................
2.3 表面缺陷視覺檢測裝備總體方案
為實現凸輪軸10個關鍵區域圖像的全自動采集，本文提出了多工位相機輔以多品類可控光源，結合工件自轉及公轉協同的控制方案。本節設計了凸輪軸表面缺陷檢測裝備的總體方案，包括機械結構方案、視覺系統方案及控制系統方案。
2.3.1 機械結構方案
為滿足凸輪軸表面缺陷自動化檢測需求，設計了凸輪軸表面缺陷檢測裝備機械結構，如圖 2.6所示，鋁型材組成的框架上，設計有支撐平臺及大轉盤。支撐平臺上設計了4個檢測工位，上料工位1、檢測工位2，翻轉工位3及檢測工位4，四個工位均勻分布，如圖 2.7(a)所示。工位2和工位4用于10個檢測面的圖像獲取。
針對凸輪面等檢測面需要360度動態檢測的需求，在檢測工位2和檢測工位4分別設計了由步進電機驅動的自轉機構，可帶動凸輪軸繞中心自轉，如圖 2.7(b)所示。
大轉盤上均勻設置4個料盤，用于放置凸輪軸，通過大轉盤的轉動，將料盤上的凸輪軸按順序依次輸送到四個工位進行檢測。在工位2和工位4分別設計了頂升自轉機構，如圖 2.8(a)所示，當凸輪軸隨著料盤和大轉盤輸送至對應的檢測工位2或4時，頂升自轉機構伸出，錐形對接頭與料盤下端可靠對接，料盤托著凸輪軸隨升降氣缸升起，到位后步進電機開始工作帶動料盤和凸輪軸自轉。
工位3設計了頂升翻轉機構。凸輪軸在工位2檢測完后，隨托盤輸送到工位3，升降機構頂起托盤，氣動夾爪夾緊凸輪軸齒輪部位后翻轉，如圖 2.8(b)所示，凸輪軸翻轉后，在工位4進行另一面的檢測。
............................
第3章 凸輪軸表面缺陷視覺檢測裝備控制系統開發 ........................ 18
3.1 引言 ......................................... 18
3.2 主控制器設計 ........................... 18
第4章 基于視覺反饋的相機觸發控制方法 ........................... 33
4.1 引言 ...................................... 33
4.2 視覺系統方案及控制流程 .......................... 33
第5章 凸輪軸表面缺陷視覺檢測裝備控制系統性能試驗 ........................... 57
5.1 引言 ..................................... 57
5.2 試驗裝置簡介 .............................. 57
第5章 凸輪軸表面缺陷視覺檢測裝備控制系統性能試驗
5.2 試驗裝置簡介
基于凸輪軸表面缺陷視覺檢測總體方案搭建的凸輪軸表面缺陷視覺檢測裝備試驗平臺如圖 5.1所示。
工程碩士論文參考
其中工位1如圖 5.1(b)所示，用于工件上下料，并在料盤正下方置有漫反射傳感器，通過PLC監測其數據變化，判斷工件上下料是否正常。工位2如圖 5.1(e)所示，主要包括凸輪軸正面形貌圖像采集裝置及工件自轉機構，相機1，相機2與對應光源均位于工位2上方，用于端面1、鑄砂面1、齒側面1的檢測，并且相機1還作為凸輪面圖像采集時的輔助相機采集反饋圖像；相機3，相機4及條形光源對稱分布在工位2的左右兩側，用于凸輪面1、凸輪面2的檢測；工件自轉機構位于工位2下方，通過氣缸頂升與電機自轉并配合相應圖像采集裝置完成圖像動態采集。工位3如圖 5.1(d)所示，主要由升降氣缸、回轉氣缸、手爪氣缸組成，通過PLC順序控制實現工件翻轉。工位4如圖 5.1(c)所示，主要包括凸輪軸反面形貌圖像采集裝置及工件自轉機構，相機7與三色穹頂光源置于工位4上方，用于端面2、鑄砂面2、齒側面2的檢測；相機6置于工位4左側，用于鍵槽側面檢測；相機5與條形光源置于工位4右側，用于齒面檢測。
.............................
第6章 結論與展望
6.1 結論
本文以凸輪軸全尺寸圖像完整、高效獲取為目標，以西門子S7-1200 PLC為主控制器，通過機械結構、視覺系統及控制系統的綜合設計，實現了凸輪軸表面缺陷視覺檢測裝備控制系統的開發。重點針對多工位圖像采集裝置與運動控制協同、相機觸發時序自適應調節等重難點問題開展深入研究。主要工作總結如下：
（1） 設計了凸輪軸多工位動態高清圖像獲取控制方案。以S7-1200為主控制器開發了凸輪軸表面缺陷視覺檢測裝備控制系統，設計了多工位相機輔以多品類可控光源及凸輪軸本體自轉與公轉運動協同的缺陷檢測裝備控制方案。試驗表明，本文設計的控制系統可實現對凸輪軸表面缺陷檢測裝備的全流程控制，并獲取凸輪軸全尺寸高清圖像。為大尺寸復雜異形結構工件的缺陷檢測提供了全尺寸圖像采集的控制方案。
（2） 開發了基于視覺圖像解析的凸輪軸位置檢測方法并應用于凸輪軸異形面的動態采集相機觸發控制。缺陷檢測過程中，主相機連續拍攝獲取圖像，但每一幀圖像的拍攝均由輔助相機獲取的凸輪軸角度位置反饋來觸發，以確保圖像獲取的完整性。通過灰度共生矩陣對輔助相機圖像進行自適應圖像增強，并通過Steger改進算法提取凸輪邊界以確定凸輪軸實時角度位置，實現了凸輪邊界位置的高精度檢測。該技術可作為變曲率變結構表面圖像動態采集的參考方案。
參考文獻（略）