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西南交通大学机械工程学院 四川成都 611756
摘要：利用CCD图像处理技术，来采集图像信息，将采集到的信息进行灰度处理，从而辨别电机上的云母和铜片，控制牛头刨实现自动切削，切削深度以及切削误差由霍尔传感器进行检测
关键词：牵引电机；自动下刻；CCD图像处理
引言
牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动；大、小齿轮啮合不良时电枢上会产生强烈的扭转振动；在恶劣环境中运用，雨、雪、灰沙容易侵入等。电刷与电机上的铜片长时间接触后会造成铜片的磨损，使电机在使用过程中产生严重的电火花。所以牵引电机需要经常性的维修，其维修的一项重要内容就是对换向器云母槽进行刻削。由于牵引电机云母槽数量多、硬度高、宽度不均，不能采用均匀分度方式找槽加工。因此，云母槽刻削经历从人工找槽人工锯削，但由于人工找槽效率低，精度低，且浪费材料，降低了电机的使用寿命，故设计自动下刻机解决上述问题。
1自动下刻机所应用器件的基本原理
（1）牛头刨
滑枕带着刨刀，作直线住复运动的刨床，因滑枕前端的刀架形似牛头而得名。牛头刨床主要用于单件小批生产中刨削中小型工件上的平面、成形面和沟槽。中小型牛头刨床的主运动（见机床）大多采用曲柄摇杆机构（见曲柄滑块机构）传动，故滑枕的移动速度是不均匀的。大型牛头刨床多采用液压传动，滑枕基本上是匀速运动。滑枕的返回行程速度大于工作行程速度。由于采用单刃刨刀加工，且在滑枕回程时不切削，牛头刨床的生产率较低。
（2）霍尔传感器
原理简述如下：激励电流 I 从 a、b 端流入，磁场 B 由正上方作用于薄片，这时电子 e 的运动方向与电流方向相反，将受到洛仑兹力 FL 的作用，向内侧偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片的 c、d 方向产生电场 E。电子积累得越多，FE 也越大，在半导体薄片 c、d 方向的端面之间建立的电动势 EH 就是霍尔电势。
（3）光电传感器
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义
（4）CCD图像传感器
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成.CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少.取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中.移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端.将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理.由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高.
2.自动下刻机设计思路以及解决方法
（1）牛头刨如何找槽
由于牵引电机云母槽数量多、硬度高、宽度不均，不能采用均匀分度方式找槽加工，所以必须找到一种装置自动识别云母片与铜片的位置。由于云母片与铜片的颜色不同，反射光的波长也不同，故可利用光电传感器接受反射光，通过分析光强的差别从而区分云母片与铜片。将采集的信号传入到工控机中从而控制牛头刨进行切削。
（2）如何控制下刻深度
可以用步进电机带动牛头刨进行下刻，每一个槽仅使用一次下刻会使牛头刨的刨刀承受的切削力过大，造成台床的震动，以及会影响刨刀的使用寿命。所以采用每一槽下刻三次，从而减小切削力。在刨床上安装一个霍尔传感器，检测牛头刨什么时候回刀，检测到后进行下次下刻，直到满足要求。再次将刻刀提起，进行下一次找槽。
（3）如何解决下刻深度不同的问题
由于步进电机存在丢步越步的问题，带动牛头刨下刻的过程中难以保证下刻精度，所以需要安装一个光电传感器，牛头刨第一次下刻后，由光电传感器检测下刻深度，第一次的下刻误差由第二次下刻进行补偿，再进行第三次的下刻误差就很小了，下课精度高达0.04mm。
（4）如何解决油污影响光电传感器精度问题
由于电机经常被油污污染，使光电传感器无法准确区别云母片与铜片，造成切削的误差。故可采用CCD图像处理传感器拍摄电机表面的图像，经过灰度处理，使铜片与云母片的区别更大，从而辨别出云母片与铜片，减小切削误差。但如果拍摄的面积很大，图像处理的时间将很长。由于云母片与铜片是成条排列的，故可只拍摄一小部分，区别出一小部分的云母和铜片就可以区别出要切削部分的云母与铜片。这样可以减小像素处理时间，提高速度。
3缺点及改进
（1）由于光电传感器对光线有要求，而自然光的强度随着时间而变化，有时当光线改变时，自动下刻机甚至不工作，所以需要在机器上安装一个台灯，保证光线的充足。（2）自动下刻机下刻云母时，由于下刻速度很快，造成云母粉末到处飞扬，而云母对人的身体有害，所以要在机器上安装一个吸尘器，保证工人师傅的身体健康。
4总结
该自动下刻机测控系统引入CCD图像，可实现对云母片与铜片的精确辨别，利用步进电机带动牛头刨进行下刻。同时利用霍尔传感器检测回刀位置，利用光電传感器检测下刻深度，产生的误差有第二次进行补偿，从而实现精确自动下刻，解决了人工下刻机效率低，难度大，精度不高等问题，使生产效率极度提高。
参考文献：
[1]陈春俊，伍川辉，宁静；电机云母槽自动下刻机测控系统设计；计算机测量与控制；2004/08
[2]刘乐平，钟名东；电机云母槽自动下刻机双探针接触式检测系统设计；机床与液压；2010/14
[3]喻凌宇，朱衡君，景文军；基于面阵CCD的云母自动下刻机检测定位系统；仪器仪表学报；2000/06
摘要：利用CCD图像处理技术，来采集图像信息，将采集到的信息进行灰度处理，从而辨别电机上的云母和铜片，控制牛头刨实现自动切削，切削深度以及切削误差由霍尔传感器进行检测
关键词：牵引电机；自动下刻；CCD图像处理
引言
牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动；大、小齿轮啮合不良时电枢上会产生强烈的扭转振动；在恶劣环境中运用，雨、雪、灰沙容易侵入等。电刷与电机上的铜片长时间接触后会造成铜片的磨损，使电机在使用过程中产生严重的电火花。所以牵引电机需要经常性的维修，其维修的一项重要内容就是对换向器云母槽进行刻削。由于牵引电机云母槽数量多、硬度高、宽度不均，不能采用均匀分度方式找槽加工。因此，云母槽刻削经历从人工找槽人工锯削，但由于人工找槽效率低，精度低，且浪费材料，降低了电机的使用寿命，故设计自动下刻机解决上述问题。
1自动下刻机所应用器件的基本原理
（1）牛头刨
滑枕带着刨刀，作直线住复运动的刨床，因滑枕前端的刀架形似牛头而得名。牛头刨床主要用于单件小批生产中刨削中小型工件上的平面、成形面和沟槽。中小型牛头刨床的主运动（见机床）大多采用曲柄摇杆机构（见曲柄滑块机构）传动，故滑枕的移动速度是不均匀的。大型牛头刨床多采用液压传动，滑枕基本上是匀速运动。滑枕的返回行程速度大于工作行程速度。由于采用单刃刨刀加工，且在滑枕回程时不切削，牛头刨床的生产率较低。
（2）霍尔传感器
原理简述如下：激励电流 I 从 a、b 端流入，磁场 B 由正上方作用于薄片，这时电子 e 的运动方向与电流方向相反，将受到洛仑兹力 FL 的作用，向内侧偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片的 c、d 方向产生电场 E。电子积累得越多，FE 也越大，在半导体薄片 c、d 方向的端面之间建立的电动势 EH 就是霍尔电势。
（3）光电传感器
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义
（4）CCD图像传感器
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成.CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少.取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中.移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端.将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理.由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高.
2.自动下刻机设计思路以及解决方法
（1）牛头刨如何找槽
由于牵引电机云母槽数量多、硬度高、宽度不均，不能采用均匀分度方式找槽加工，所以必须找到一种装置自动识别云母片与铜片的位置。由于云母片与铜片的颜色不同，反射光的波长也不同，故可利用光电传感器接受反射光，通过分析光强的差别从而区分云母片与铜片。将采集的信号传入到工控机中从而控制牛头刨进行切削。
（2）如何控制下刻深度
可以用步进电机带动牛头刨进行下刻，每一个槽仅使用一次下刻会使牛头刨的刨刀承受的切削力过大，造成台床的震动，以及会影响刨刀的使用寿命。所以采用每一槽下刻三次，从而减小切削力。在刨床上安装一个霍尔传感器，检测牛头刨什么时候回刀，检测到后进行下次下刻，直到满足要求。再次将刻刀提起，进行下一次找槽。
（3）如何解决下刻深度不同的问题
由于步进电机存在丢步越步的问题，带动牛头刨下刻的过程中难以保证下刻精度，所以需要安装一个光电传感器，牛头刨第一次下刻后，由光电传感器检测下刻深度，第一次的下刻误差由第二次下刻进行补偿，再进行第三次的下刻误差就很小了，下课精度高达0.04mm。
（4）如何解决油污影响光电传感器精度问题
由于电机经常被油污污染，使光电传感器无法准确区别云母片与铜片，造成切削的误差。故可采用CCD图像处理传感器拍摄电机表面的图像，经过灰度处理，使铜片与云母片的区别更大，从而辨别出云母片与铜片，减小切削误差。但如果拍摄的面积很大，图像处理的时间将很长。由于云母片与铜片是成条排列的，故可只拍摄一小部分，区别出一小部分的云母和铜片就可以区别出要切削部分的云母与铜片。这样可以减小像素处理时间，提高速度。
3缺点及改进
（1）由于光电传感器对光线有要求，而自然光的强度随着时间而变化，有时当光线改变时，自动下刻机甚至不工作，所以需要在机器上安装一个台灯，保证光线的充足。（2）自动下刻机下刻云母时，由于下刻速度很快，造成云母粉末到处飞扬，而云母对人的身体有害，所以要在机器上安装一个吸尘器，保证工人师傅的身体健康。
4总结
该自动下刻机测控系统引入CCD图像，可实现对云母片与铜片的精确辨别，利用步进电机带动牛头刨进行下刻。同时利用霍尔传感器检测回刀位置，利用光電传感器检测下刻深度，产生的误差有第二次进行补偿，从而实现精确自动下刻，解决了人工下刻机效率低，难度大，精度不高等问题，使生产效率极度提高。
参考文献：
[1]陈春俊，伍川辉，宁静；电机云母槽自动下刻机测控系统设计；计算机测量与控制；2004/08
[2]刘乐平，钟名东；电机云母槽自动下刻机双探针接触式检测系统设计；机床与液压；2010/14
[3]喻凌宇，朱衡君，景文军；基于面阵CCD的云母自动下刻机检测定位系统；仪器仪表学报；2000/06