枪弹外观缺陷智能检选系统中机械伺服子系统设计

刘红宁，刘 佳

（石家庄学院 机电学院，河北 石家庄 050035）

0 引言

枪弹外观检验是枪弹生产的最后一道工序，是枪弹验收的重要项目.长期以来，国内外枪弹生产企业的枪弹外观检验工作主要依靠人工检验的方法，即目视检查.由于枪弹的尺寸小，检查数量多，检查时间长，对枪弹的各种缺陷需要在强光下用肉眼判定，不仅容易造成检验人员视觉疲劳，导致检验工作效率较低，甚至出现错检、漏检，而且还会由于人为判定标准和判断经验的差异，导致枪弹外观质量一致性差[1].

基于计算机视觉识别技术，以GJB5227—2004《枪弹外观缺陷图谱》为依据，搭建相应的硬件环境，设计相应的枪弹外观缺陷识别软件和机械伺服机构，替代目前的人工检选，从而杜绝人为因素对枪弹外观缺陷检验工作的影响，确保枪弹外观检查质量的一致性，提高枪弹的检验效率，同时为将来枪弹的自动化检选奠定基础.

枪弹外观缺陷智能检选技术的应用将对枪弹外观缺陷检验工作带来突破性进展.对于提高枪弹生产的自动化和智能化水平，改善工人的劳动环境，提高枪弹生产效率，具有广泛的示范意义和较高的实用价值.该技术投入使用后，无论全数检查还是抽样检查，都可以大量节省人力，提高检验水平.若应用到半成品如弹壳、弹头、底火的外观检查上，可以从源头提高半成品的外观质量，减少检验成本，从而获得更为可观的经济效益.

1 系统构成

1.1 总体方案

“枪弹外观缺陷智能检选系统”是以计算机视觉识别技术为核心的机-电-计算机一体化的综合系统，由机械伺服子系统、弹体表面缺陷检测子系统、弹底表面缺陷检测子系统、缺陷弹剔除子系统等组成.在中控计算机的统一控制下，完成枪弹外观缺陷的检选工作.系统构成如图1所示.

机械伺服子系统包括振动供弹装置和链式连续输送伺服机构.振动供弹装置主要解决枪弹由无序状态到有序排列的问题.振动供弹装置要求运行可靠，故障率低，供弹效率高，供弹速度达到每分钟120发以上.链式连续输送伺服机构主要完成枪弹定位、移动和转动等动作，满足计算机视觉缺陷识别的要求.链式连续输送伺服机构要求连续输送，枪弹在直线运动的同时同步转动，并通过光耦控制图像采集卡同步采集枪弹表面图像.

图1 枪弹外观缺陷检选系统构成

计算机视觉识别子系统包括弹体缺陷检测和弹底缺陷检测两部分，实现用计算机视觉识别技术替代人工肉眼外观检选工作，是整个系统的核心.要求完成枪弹周向缺陷识别和弹底缺陷识别，将符合GJB5227—2004规定的产品缺陷的识别结果，上传至中控子系统[2].

缺陷弹剔除子系统是枪弹外观缺陷智能检选系统的执行机构.根据中控子系统发出的指令，完成缺陷弹的剔除动作.系统的工作流程如图2所示.

系统开机后，在中控子系统的控制下，首先由振动料斗完成枪弹首尾相接的顺序排列，并沿供弹槽以每分钟120发的速度输送到输弹槽，在拨弹轮的控制下，枪弹均匀地布放在机械伺服机构的输送链上；输送链带动枪弹，在直线运动的同时绕枪弹纵向轴线做旋转运动.枪弹每前移一个位置，转动约60°，同时通过光耦触发图像采集卡进行一次枪弹表面原始图像的采集，有效采集范围约70°.获取的图像被传送到计算机进行一系列图像处理，完成弹体缺陷的检测.枪弹每移动6个位置，进行一次弹底表面原始图像的采集，采集的弹底图像通过识别软件识别，判定是否存在缺陷.枪弹弹体和弹底缺陷情况记录在数组中，上传至中控子系统.中控子系统记录缺陷情况并向剔除子系统发出动作指令，完成缺陷弹的剔除动作.至此，系统完成一个枪弹表面缺陷识别的循环[3].

枪弹外观缺陷智能检选系统的整体结构遵循模块化设计思想，各子系统具有相对的独立性，便于制造、安装和日常维护，以及将来的升级换代，并满足防震、防磁、防尘等有关规定及标准要求.

图2 枪弹外观缺陷检选系统工作流程图

1.2 机械伺服子系统

1.2.1 振动供弹机构

在电磁振动器作用下，料斗作扭转式上下振动，使枪弹沿着螺旋轨道由低到高移动，并自动排列定向，直至上部出料口而进入输料槽，然后由送料机构送至相应工位，原理如图3所示.

供弹机构的工作过程是通过电磁铁的吸引和支承弹簧的反向复位作用，使料槽产生高速、高频（50～100 次/s）、微幅（0.5～1 mm）振动，使枪弹逐步向高处移动.电流值i=0时，料槽在支承弹簧作用下向右上方复位，枪弹依靠与轨道的摩擦而随轨道向右上方运动，并逐渐被加速.i＞0时，料槽在电磁铁的吸引下向左下方运动，枪弹由于受惯性作用而脱离轨道，继续向右上方运动（滑移或跳跃）.下一循环，周而复始地实现枪弹在轨道上作由低到高的运动.

图3 振动供弹原理

1.2.2 枪弹输送及图像采集控制伺服机构

伺服机构需要完成枪弹的传送、绕轴线旋转、定位图像采集等功能，考虑到传送效率、工作可靠等因素，伺服机构设计方案如下：

1）枪弹输送方式.枪弹输送效率是决定缺陷检验效率的重要因素，要提高输送效率，就要减少输送过程的运动转换环节.因此，采用链式传送方式输送枪弹，在输送链的连续运动过程中完成图像采集、图像识别、缺陷弹剔除等工作，同时，由于输送方式简单，也提高了系统运行的可靠性和操作简单化.

2）输送链的供弹匹配.枪弹经供弹机构排序后，需要按照输送链的运动速度准确地在每两个链轴之间放置一颗弹.为达到输送链运动速度与枪弹放置节奏自动同步，在输送链的起始部位安装拨弹机构，利用拨弹轮控制枪弹的放置，合理设计拨弹轮与输送链链轮的转动传动比，可实现链轮每运动一个链接，拨弹轮向输送链放置一颗枪弹，并且在不同转速下可自动匹配.

3）枪弹旋转的驱动方式.在枪弹的输送过程中，需要使枪弹绕轴线旋转，以满足枪弹外观整周检测的要求.由于枪弹输送方式是连续运动，难以采用定轴转动方式，就利用输送链直线运动的主运动，采用摩擦驱动方式，利用输送链链轴的滚动驱动枪弹绕轴线旋转，具体方式如图4所示.

4）枪弹的图像采集定位.为准确控制相机拍摄时刻，在链轮挡环上均匀安装触发柱，通过光耦开关控制相机的图像采集触发，输送链每平移一个链节的距离，光耦开关触发一次.

1.3 计算机视觉识别子系统

计算机视觉识别子系统分为硬件部分和软件部分.硬件部分为枪弹机械控制部分、相机和镜头、光源、图像采集卡等组成的整个平台；软件部分主要是程序的编写，包括枪弹缺陷图像处理算法的研究、验证和实现，软件界面、图像采集平台的搭建等.

计算机作为控制中心主要负责该检测系统的数据处理，光耦开关控制图像采集卡实现枪弹表面原始图像的采集，获取的图像被传送到计算机进行一系列图像处理，完成缺陷的检测.设计的检测系统工作原理如图5所示[4].

2 机械伺服子系统关键技术

2.1 振动式排序供弹装置

振动式排序供弹装置的关键技术是异位弹剔除和弹体排序.异位弹是指沿料槽上行供弹过程中，未沿运动方向排列的枪弹.由于料斗内枪弹数量较多，在上行的初始阶段，枪弹排列杂乱无章，存在大量异位弹，为解决这一问题，在料槽初始段设计了限位导板，用以剔除上下重叠的异位弹；在料槽分路段，设计了漏槽，以实现枪弹单列排序；在料槽后段，设计了排序槽，利用枪弹轴向型心与质心不重合的特点，实现枪弹前后排列的一致性，如图6所示.

2.2 枪弹输送及图像采集控制伺服机构

2.2.1 链式连续输送伺服机构

链式连续输送伺服机构可实现枪弹的连续输送，输送过程不涉及枪弹位置及姿态的转换，工作方式简单可靠，易于控制.为满足相机图像采集视野、一次图像采集处理枪弹数量、输送链运动平稳等方面的要求，需要对链式连续输送伺服机构的结构、尺寸、加工工艺及精度等方面进行针对性设计.

图4 枪弹输送及旋转驱动方式

图5 检测系统工作原理框图

1）输送链及链轮

输送链由一系列通过链节连接在一起的链轴组成.每个链轴两端各通过两个链节与相邻链轴相连，如图7所示，链节与链轴、钢套与链轴之间均安装有自润滑滑动轴承（高力黄铜镶嵌石墨），并且链轴、链节、钢套、弹性挡圈之间在轴向均利用黄铜垫圈隔开，以降低相互之间的摩擦.

图6 振动式排序供弹装置

图7 链轴及其连接形式

输送链如图8所示，枪弹放置于相邻链轴形成的凹槽，随着输送链一起运动.

输送链通过链轮驱动，4个链轮成对安装，每根链轴两端的钢套与链轮配合，链轮外侧安装链轮挡环，对输送链进行轴向限位，如图9所示.

链式输送机构平稳可靠运行的关键是链轮、链轴、链节的加工精度及安装精度.链轮相邻两齿与链节两孔的中心距要精确，且一致性要好，为达到这一要求，链轮与链节均通过线切割方式进行加工，并且4个链轮一次切割成型.链轮与链轮轴之间采用键连接，为保证同一链轮轴上安装的两个链轮的齿对正，在链轮轴上开一长键槽，如图10所示，在键槽两端安装键与链轮连接.链轮在轴向通过弹性挡圈定位.

链轮轴通过链轮轴支撑板、支撑板连接板进行固定和支撑，如图11所示.链轮轴支撑板做成分体，一方面是为了便于输送链的安装，另一方面是为了能够根据需要调整链轮轴之间的轴距，以此调整输送链的张紧程度[5].

2）链式输送机构的支撑

由于输送链较长，两个链轮之间的输送链较重，在此情况下，张紧输送链后会造成链轴和链节之间的相互作用力较大，导致链轴转动不灵活，无法通过摩擦方式驱动链轴转动.为此，在输送链支撑板上分别安装上、下托板，将输送链的上、下部分分别进行支撑，如图12所示，使得在调整好两个链轮轴的中心距后，输送链的链轴、链节基本属于自然连接状态，以确保链轴转动灵活.

3）输送链的驱动

输送链利用步进电机通过同步带传动进行驱动.为减小输送链的链轴与链节之间的作用力，使上侧输送链由左向右运动，如图13所示，输送链运动过程中，下侧输送链承受拉力，而上侧输送链处于相对放松状态.

2.2.2 拨弹机构

图8 输送链

图9 链轮及输送链

图10 链轮轴

图11 链轮轴支撑方式

图12 输送链的支撑

图13 输送链的驱动

拨弹机构用于控制从供弹机构传过来的枪弹向输送链的放置节奏，输送链每向前运动一个链节，拨弹机构向输送链放置一颗枪弹，而且恰好放置于相邻两个链轴的沟槽内.为实现拨弹速度与输送链运动速度的实时自动匹配，将拨弹轮轴的转动与链轮轴的转动通过带传动和尺寸传动进行匹配，使得链轮每转过一个齿，拨弹轮也转过一个齿.拨弹机构如图14所示，链轮的齿数是拨弹轮齿数的2倍，为实现上述动作要求，所设计的带传动的传动比为1:1，齿轮传动的传动比为2:1，输弹槽的位置和倾斜角度均可调[6].

上述链式输送伺服系统整体结构如图15所示.

2.2.3 枪弹旋转驱动及图像采集控制

1）枪弹摩擦旋转驱动

枪弹外观缺陷识别分为弹体和弹底两大部分，对于弹体缺陷检测，需要对弹体整周图像采集并进行图像识别.由于输送链为连续运动，就必须在枪弹的匀速输送过程中完成枪弹的旋转驱动.

为实现上述功能，在输送链的下方安装摩擦条安装板，如图16所示，在摩擦条安装板上固定弹性摩擦条，并调整摩擦条在竖直方向的高度，使得链轴与摩擦条接触时二者之间有适当的摩擦力，从而在输送链运动过程中，当链轴与摩擦条接触后，在摩擦力作用下链轴转动，并带动链轴支撑的枪弹进行旋转.经大量实验证明，当支撑同一发枪弹的链轴同步滚动时，枪弹能够可靠旋转.

为防止摩擦条与链轴摩擦期间造成输送链竖直方向的振动，在摩擦区域的输送链上方设置压板，限制输送链的跳动，提高了输送链的运动及枪弹旋转的稳定性，如图16所示.

图14 拨弹机构

图15 链式输送伺服系统

图16 枪弹的摩擦驱动

图17 摩擦板结构

摩擦安装板的结构如图17所示，根据相机的视野大小和光源的光照效果，枪弹弹体的整周外观需要图像采集6次，因此，在摩擦安装板的沟槽内均匀安装7条摩擦条，摩擦条的宽度即枪弹支撑位置弹体周长的1/6.经反复测量，枪弹重心位置的弹体直径约9.9 mm，计算可得摩擦条宽度约为5.2 mm.虽然枪弹在相邻两个链轴的支撑长度和位置不可准确测量，存在一定的误差，但经计算发现误差大小在5°以内.在上述设计和计算下，枪弹每次摩擦旋转约60°，而枪弹在光源照射下，相机每次拍摄的图像约覆盖70°圆心角范围的弹体，足够满足弹体整周拍摄的要求.

采用上述摩擦方式驱动枪弹旋转，可在输送链的匀速输送过程中完成，没有其余位置和动作转换，减少了系统的复杂度，提高了可靠性和效率.另外，链轴的摩擦为间歇式，在两次摩擦之间进行拍摄，枪弹仅有水平移动运动而没有转动，一方面枪弹运动方式单一，另一方面枪弹的传送运动稳定，有利于提高相机拍摄质量，从而提高缺陷识别的可靠性.

2）相机拍摄时机控制

为准确控制相机拍摄时机，在链轮挡环上均匀安装触发柱，通过光耦开关控制相机的图像采集触发，如图18所示，链轮转过相邻两个触发柱之间的转角对应输送链水平输送一个链节，即输送链每向前移动一个链节的距离，相机触发一次.挡环上触发柱的安装孔在数控上加工完成，保证足够的精度.

图18 光耦安装方式

3 结论

“枪弹外观缺陷智能检选系统”实现了以计算机视觉识别技术为核心的弹体表面缺陷和弹底表面缺陷自动检测和缺陷弹自动剔除的功能.本研究主要解决了机械伺服子系统中的以下问题：

1）解决了供弹料斗的可靠性问题.采用高效的振动排序输送供料方式，供弹速度可调，最高可达每分钟160发.利用电磁振动作为枪弹移动的动力源，供弹系统结构简单紧凑，动作安全可靠，有效地消除了传统供弹料斗的卡弹问题.利用子弹轴向型心与重心不重合的特点，设计了翻转式排序结构，巧妙地解决了枪弹头尾方向一致性的问题.

2）解决了伺服机构与视觉识别系统的匹配问题.由于采样镜头的视角和照明系统的限制，在枪弹外观识别过程中，每次拍摄有效视场约70°左右，要想可靠地实现360°识别，每发枪弹表面需要采集6次.为了确保枪弹表面采集区域分布的均匀性和每次采集的图像之间的连续性，必须对伺服机构的运动进行精确控制，并且必须和图像采集相机的快门同步.经过虚拟仿真和模拟样机比对，最终选择了链轴式伺服传动方案，采用连续直动和可调谐间歇转动的组合运动方式，实现了与视觉识别系统的匹配.

3）解决了连续视觉识别问题.采用分度式采样方式，通过数组循环传递的方法，实现了连续视觉识别.由数组记录枪弹表面缺陷情况，剔除装置根据数组传递的信息，做出剔弹动作.自主开发的枪弹外观缺陷识别软件可以识别弹体和弹底的外观缺陷，判断标准符合GJB5227—2004的相关要求.