CN112976433B - 一种硫化胶囊自动更换系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硫化胶囊自动更换系统及其控制方法，包括用于夹取更换目标物的气压抓手单元、用于移动气压抓手单元的位移单元、用于获取硫化胶囊位置的工业相机单元以及控制单元，所述工业相机单元及气压抓手单元均固定于位移单元上，所述控制单元分别与位移单元、工业相机单元及气压抓手单元控制连接。通过气压抓手单元、位移单元、工业相机单元以及控制单元的相互配合，实现硫化胶囊、上下卡盘以及上下锁紧盘的抓取、提升和安装的自动化，避免出现人工行车吊装时的部件晃动和大口径胶囊安装的效率低等问题。

Description

一种硫化胶囊自动更换系统及其控制方法

技术领域

本发明属于轮胎企业生产设备领域，具体地说涉及一种硫化胶囊自动更换系统及其控制方法。

背景技术

针对轮胎企业，硫化阶段是保证合格轮胎生产的关键工序。工序中使用到一种最关键的辅料硫化胶囊，起到轮胎胎里定型和胎里硫化的作用。工人通常使用胶囊剩余次数表征其寿命，胶囊剩余次数为零，就必须更换新胶囊。根据不同厂家的胶囊，质量好的能使用100多次、质量差一点的能用70多次，随着轮胎产量的增加，硫化胶囊更换频次也显著增加。

目前了解到硫化胶囊更换是全人工，效率低并且劳动强度大。使用行吊挂钩穿绳方式吊取的硫化胶囊上下锁紧环无固定支架，安装胶囊过程中经常晃动，导致安装效率低且存在砸伤工人的安全隐患；大型轮胎使用的硫化胶囊本身就大，其开口直径能达到1m，一个人无法完成安装，需要三个工人协同合作，如果一旦出现协同问题，就安装不上；随着硫化车间的自动化改造，硫化胶囊的自动化改造必然是一个趋势。

福建省三明双轮化工机械有限公司张正罗等公开了一种B型轮胎硫化机快速夹胶囊中心机构(专利号：99256668.1)，该实用新型专利中上卡盘通过齿轮旋转和螺纹连接，实现上下运动，完成对胶囊加紧和放松，下卡盘由中心机构上下运动带动，此方案加快了一定的更换胶囊速率但是更换胶囊时需把中心机构一起吊装或者操作工人进入蒸锅模具内更换，模具温度高且上锁紧环移动距离很小，工作难度大。

华澳轮胎设备科技(苏州)有限公司张正罗等公开了一种轮胎硫化机中心机构的胶囊夹持装置(专利号：201120355562.X)，该专利通过卡环齿、环座齿以及卡环齿的限位机构和防转销完成了胶囊下卡盘的固定，提高了胶囊下卡盘的锁紧速度，一定程度上提高了安装效率。

福建省海安橡胶有限公司蔡文山等公开了一种硫化胶囊更换器(专利号：201320148817.4)，该专利中油缸为动作部件，通过油管与液压站连着实现运动，活塞端与导向杆相连，导向杆在导正套内上下运动，完成圆形卡盘的上升和下降，本实用新型专利较好的实现了胶囊的对中，有效解决了胶囊因定位出现的返工费事问题。但本专利支架结构大，其效果不如机械手吊取方式更加的方便快捷。

双钱集团(江苏)轮胎有限公司陆明璧等公开了一种工程胎胶囊更换装置(专利号：201520651561.8)，该专利通过丝杠、滑轨、夹头等装置，解决了胶囊安装需要多人协同工作的情况，提高了一定的效率，但是上下卡环以及锁紧环的放置、以及锁紧，仍需要工人进行，劳动强度大，且根据专利描述本装置适应的胶囊范围有限，不能实现胶囊更换的自动化。

现有的一些技术针对胶囊锁紧环在中心机构上的安装方式有所改进，节约了一定的胶囊更换时间，但是胶囊与其上下卡环以及锁紧环的固定和安装占时间巨大，目前仍未实现自动化，依然存在行车吊取胶囊卡环摇摆不定影响安装精度、较大胶囊更换时操作人员需求量大等问题。因此需要设计一种胶囊与上下卡盘和锁紧环固定、准确安装的自动化机构，应实现胶囊卡盘固定牢固且角度可调，胶囊机器抓取替代人工，螺栓安装自动拧紧，图像技术处理准确实现自动定位安装，从而在保证安装精度的同时，进一步提高安装效率。

因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种硫化胶囊自动更换系统及其控制方法。本发明提供如下技术方案：

一种硫化胶囊自动更换系统，包括用于夹取更换目标物的气压抓手单元、用于移动气压抓手单元的位移单元、用于获取硫化胶囊位置的工业相机单元以及控制单元，所述工业相机单元及气压抓手单元均固定于位移单元上，所述控制单元分别与位移单元、工业相机单元及气压抓手单元控制连接。

进一步的，所述位移单元包括水平位移组件和竖直位移组件，所述竖直位移组件固定于所述水平位移组件下方。

进一步的，所述水平位移组件包括安装架基座、用于固定竖直位移组件的水平滑块以及用于将水平滑块滑动固定于安装架基座上的水平滑动组件。

进一步的，所述竖直位移组件包括固定于水平滑块下方的油缸基座以及铰接固定于油缸基座上的伸缩油缸。

进一步的，所述伸缩油缸包括外伸缩油缸和内伸缩油缸，所述外伸缩油缸的固定端与油缸基座铰接，伸缩端与气压抓手单元固定连接，所述内伸缩油缸的固定端与油缸基座铰接，伸缩端与外伸缩油缸外壁铰接。

进一步的，所述气压抓手单元包括用于抓取目标物的气压抓手、用于驱动气压抓手转动的旋转电机以及用于固定连接气压抓手与旋转电机输出端的连接组件。

进一步的，所述工业相机单元包括用于拍摄硫化胶囊照片的工业相机、用于固定工业相机位置的相机滑块以及用于调整相机焦距的相机滑动组件，所述工业相机固定于相机滑块上，所述相机滑块滑动连接于相机滑动组件上。

一种硫化胶囊自动更换系统的控制方法，包括：

S100、利用位移单元将工业相机单元移动至图像获取区域并获取目标图像；

S200、基于获取的目标图像进行图像处理，得到图像边缘位置信息；

S300、基于图像边缘位置信息控制位移单元和气压抓手单元对目标物进行准确抓取和移动。

进一步的，S200中图像处理方法包括：

基于工业相机单元获取的彩色图像利用加权平均值法转化为灰度图像；

基于转化的灰度图像进行滤波降噪，并通过线性灰度增强提取清晰的灰度图；

基于灰度图利用最大类方差阈值分割法和多级边缘检测算法提取图像边缘。

进一步的，所述目标物包括卡盘、胶囊、锁紧盘以及锁紧螺栓中的至少一种。

有益效果：

1.通过气压抓手单元、位移单元、工业相机单元以及控制单元的相互配合，实现硫化胶囊、上下卡盘以及上下锁紧盘的抓取、提升和安装的自动化，避免出现人工行车吊装时的部件晃动和大口径胶囊安装的效率低等问题；

2.通过相机滑块固定工业相机在相机滑动组件上上下滑动，带动工业相机的上下移动，完成拍照前的对焦过程，同时实现了多规格硫化胶囊部件的拍摄；

3.通过工业相机单元获取目标物图像，经控制单元处理后实现对位移单元和气压抓手单元的精确控制；

4.通过伺服电机、气缸及液压油缸等一系列自动化驱动系统代替传统的人工用脚踹、用手按的安装形式，降低劳动强度，提高安装效率；

5.整体设备构造简单，响应灵敏，便于操控，控制精度高，能够保证硫化胶囊自动更换过程，降低企业成本。

附图说明

图1是本发明具体实施例中一种硫化胶囊自动更换系统结构框架示意图；

图2是本发明具体实施例中一种硫化胶囊自动更换系统水平位移组件部分剖视结构示意图；

图3是本发明具体实施例中一种硫化胶囊自动更换系统竖直位移组件部分剖视结构示意图；

图4是本发明具体实施例中一种硫化胶囊自动更换系统工业相机单元部分剖视结构示意图；

图5是本发明具体实施例中一种硫化胶囊自动更换系统气压抓手单元部分剖视结构示意图；

图6是本发明具体实施例中一种硫化胶囊自动更换系统气压抓手结构示意图；

图7是本发明具体实施例中硫化胶囊安装组件部分剖视结构示意图；

图8是本发明具体实施例中加权平均值法处理后的橡胶圈灰度图像；

图9是本发明具体实施例中滤波降噪处理后的橡胶圈灰度图像；

图10是本发明具体实施例中线性灰度增强处理后的橡胶圈灰度图；

图11是本发明具体实施例中QTSU法处理后的橡胶圈图像；

图12是本发明具体实施例中Canny算子处理后的橡胶圈图像。

附图中：100、气压抓手单元；110、气压抓手；120、旋转电机；131、旋转电机连接板；132、联轴器；133、气压抓手夹持板；200、工业相机单元；210、工业相机；220、相机滑块；231、相机滑轨；232、相机丝杠组件；233、相机伺服电机；300、水平位移组件；310、安装架基座；320、水平滑块；331、水平滑轨；332、水平丝杠组件；333、水平伺服电机；400、竖直位移组件；410、油缸基座；420、外伸缩油缸；430、内伸缩油缸；510、上锁紧盘；520、上锁紧盘螺栓；530、上卡盘；540、胶囊；550、下卡盘；560、下锁紧盘；570、下锁紧盘螺栓。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

如图1-6所示，一种硫化胶囊自动更换系统，包括用于夹取更换目标物的气压抓手单元100、用于移动气压抓手单元100的位移单元、用于获取硫化胶囊540位置的工业相机单元200以及控制单元，所述工业相机单元200及气压抓手单元100均固定于位移单元上，所述控制单元分别与位移单元、工业相机单元200及气压抓手单元100控制连接。通过气压抓手单元100、位移单元、工业相机单元200以及控制单元的相互配合，实现硫化胶囊540、上下卡盘以及上下锁紧盘的抓取、提升和安装的自动化，避免出现人工行车吊装时的部件晃动和大口径胶囊540安装的效率低等问题。

进一步的，所述位移单元包括水平位移组件300和竖直位移组件400，所述竖直位移组件400固定于所述水平位移组件300下方。通过设置水平位移组件300和竖直位移组件400，实现固定于位移组件上的工业相机单元200及气压抓手单元100的位置自动化调整，从而实现程序控制，避免人为控制带来的距离偏差。

进一步的，所述水平位移组件300包括安装架基座310、用于固定竖直位移组件400的水平滑块320以及用于将水平滑块320滑动固定于安装架基座310上的水平滑动组件。水平滑动组件包括固定于安装架基座310两侧的两条水平滑轨331，两条水平滑轨331之间通过水平滑块320滑动连接，水平滑块320上固定连接有水平丝杠组件332，水平丝杠组件332的端部通过旋转轴固定于安装架基座310上，水平丝杠组件332的一端连接有用于控制水平滑块320滑动位置的水平伺服电机333，水平伺服电机333与控制单元信号连接，从而实现控制单元对水平位移组件300的水平位移控制。

进一步的，所述竖直位移组件400包括固定于水平滑块320下方的油缸基座410以及铰接固定于油缸基座410上的伸缩油缸。伸缩油缸包括四个，四个伸缩油缸分别通过铰链铰接于油缸基座410上。伸缩油缸上设置有进油口和出油口，完成油缸的伸缩，实现气压抓手单元100对抓取部件的提升和下降。

进一步的，所述伸缩油缸包括外伸缩油缸420和内伸缩油缸430，所述外伸缩油缸420的固定端与油缸基座410铰接，伸缩端与气压抓手单元100固定连接，所述内伸缩油缸430的固定端与油缸基座410铰接，伸缩端与外伸缩油缸420外壁铰接。内伸缩油缸430的固定端与油缸基座410中靠近工业相机单元200的固定端铰接。在外伸缩油缸420端部固定有旋转电机连接板131，通过螺栓与气压抓手单元100中的旋转电机120固定连接。

进一步的，所述气压抓手单元100包括用于抓取目标物的气压抓手110、用于驱动气压抓手110转动的旋转电机120以及用于固定连接气压抓手110与旋转电机120输出端的连接组件。连接组件包括联轴器132和气压抓手夹持板133，气压抓手110通过锁固螺钉固定在气压抓手夹持板133的一端，气压抓手夹持板133的另一端与旋转电机120的输出轴通过联轴器132固定连接。气压抓手110通过进气口与出气口实现张口和闭合，完成硫化胶囊540各部件的夹取。

进一步的，所述工业相机单元200包括用于拍摄硫化胶囊540照片的工业相机210、用于固定工业相机210位置的相机滑块220以及用于调整相机焦距的相机滑动组件，所述工业相机210固定于相机滑块220上，所述相机滑块220滑动连接于相机滑动组件上。工业相机210通过多个螺钉固定在相机连接板上，相机连接板通过固定螺栓固定在相机支架上，相机支架通过锁固螺栓固定在相机滑块220上，并且保持工业相机210的镜头竖直朝下固定。相机滑块220在相机滑动组件上滑动，带动工业相机210移动，完成拍照前的对焦过程，同时实现了多规格硫化胶囊540部件的拍摄。相机滑动组件包括固定于安装架基座310两侧的两条相机滑轨231，两条相机滑轨231之间通过相机滑块220滑动连接，相机滑块220上固定连接有相机丝杠组件232，相机丝杠组件232的端部通过旋转轴固定于安装架基座310上，相机丝杠组件232的一端连接有用于控制相机滑块220滑动位置的相机伺服电机233，相机伺服电机233与控制单元信号连接。相机丝杠组件232的上端通过支撑轴承固定，下端通过角接触球轴承固定，从而实现相机丝杠组件232的轴向定位，防止轴向窜动。

硫化胶囊540组件如图7所示，包括上锁紧盘510、上锁紧盘螺栓520、上卡盘530、胶囊540、下卡盘550、下锁紧盘560以及下锁紧盘螺栓570。安装时，气压抓手110先横向抓取上卡盘530，放到安装台上，待确定卡盘位置后，气压抓手110再夹取胶囊540上边缘放入上卡盘530的槽中，然后气压抓手110再抓取上锁紧盘510放到胶囊540边缘处，拧紧上锁紧盘螺栓520完成上半部分的安装，下半部分与上半部分安装方式对称。

一种硫化胶囊自动更换系统的控制方法，包括：

S100、利用位移单元将工业相机单元移动至图像获取区域并获取目标图像；

S200、基于获取的目标图像进行图像处理，得到图像边缘位置信息；

S300、基于图像边缘位置信息控制位移单元和气压抓手单元对目标物进行准确抓取和移动。

进一步的，S200中图像处理方法包括：

基于工业相机单元获取的彩色图像利用加权平均值法转化为灰度图像；

基于转化的灰度图像进行滤波降噪，并通过线性灰度增强提取清晰的灰度图；

基于灰度图利用最大类方差阈值分割法和多级边缘检测算法提取图像边缘。

以胶囊的橡胶圈为例：

为将彩色图像转化为数据量小的灰度图像，提升边缘清晰度，此处采用加权平均值法：

f(i,j)＝0.2989*R(i,j)+0.5870*G(i,j)+0.1140*B(i,j)

其中：f(i,j)为转换后的灰度图像像素值，R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)分别为彩色图像像素的三个分量像素值，处理后的图像如图8所示。

为降低丝杠运行过程中震动、环境噪声等的影响，对图像进行滤波，此处采用中值滤波，以实现降噪同时不会引起图像模糊的结果，具体如下：

g(x,y)＝Med{f(x-k,y-l),(k,l∈W)}

即选定一个领域区间W，取两个像素灰度值取代原像素点f(x,y)的灰度值，输出灰度值g(x,y)，处理后的图像如图9所示。

为使图像的边缘更加的清晰，此处采用图像增强技术，主要采用线性灰度增强。具体如下：

其中，f(x,y)通过线性关系转换成g(x,y)，且区间从[a,b]转换到[c,d]，按照一定的线性关系扩展，处理后的结果如图10所示，最终可实现图像对比度的增加，边缘更加的清晰。

为将卡盘边缘提取出来，预采用最大类方差阈值分割法(QTSU法)，这种阈值方法不需要人为设定参数，是一种自动选择阈值的方法，处理后的结果如图11所示，经过图像分割技术，增强了边缘与背景的对比度，更好的进行下面的操作。

进行边缘提取时，采用多级边缘检测算法(Canny算子)，能够检测出准确的边缘轮廓，且没有较多的伪边缘，处理后的结果如图12所示。

在提取边缘后，将外圆直径作为抓手的张开度，控制抓手张开和闭合；将相机的聚焦位置与卡盘的距离，作为抓手的上下移动位移，实现抓手对卡盘的精准定位抓取。

进一步的，所述目标物包括卡盘、胶囊、锁紧盘以及锁紧螺栓中的至少一种。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种硫化胶囊自动更换系统的控制方法，其特征在于，所述硫化胶囊自动更换系统包括用于夹取更换目标物的气压抓手单元、用于移动气压抓手单元的位移单元、用于获取硫化胶囊位置的工业相机单元以及控制单元，所述工业相机单元及气压抓手单元均固定于位移单元上，所述控制单元分别与位移单元、工业相机单元及气压抓手单元控制连接；

所述气压抓手单元包括用于抓取目标物的气压抓手、用于驱动气压抓手转动的旋转电机以及用于固定连接气压抓手与旋转电机输出端的连接组件；所述硫化胶囊自动更换系统的控制方法，包括：

S100、利用位移单元将工业相机单元移动至图像获取区域并获取目标图像；

S200、基于获取的目标图像进行图像处理，得到图像边缘位置信息；

S300、基于图像边缘位置信息控制位移单元和气压抓手单元对目标物进行准确抓取和移动；

S200中图像处理方法包括：

基于工业相机单元获取的彩色图像利用加权平均值法转化为灰度图像；

基于转化的灰度图像进行滤波降噪，并通过线性灰度增强提取清晰的灰度图；

基于灰度图利用最大类方差阈值分割法和多级边缘检测算法提取图像边缘；

加权平均值法为：

f(i,j)＝0.2989*R(i,j)+0.5870*G(i,j)+0.1140*B(i,j)

其中：f(i,j)为转换后的灰度图像像素值，R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)分别为彩色图像像素的三个分量像素值；

对图像进行滤波，此处采用中值滤波，以实现降噪同时不会引起图像模糊的结果，具体如下：

g(x,y)＝Med{f(x-k,y-l),(k,l∈W)}

即选定一个领域区间W，取两个像素灰度值取代原像素点f(x,y)的灰度值，输出灰度值g(x,y)；

采用图像增强技术，主要采用线性灰度增强，具体如下：

其中，f(x,y)通过线性关系转换成g(x,y)，且区间从[a,b]转换到[c,d]，按照一定的线性关系扩展；

为将卡盘边缘提取出来，采用最大类方差阈值分割法；

进行边缘提取时，采用多级边缘检测算法；

在提取边缘后，将外圆直径作为抓手的张开度，控制抓手张开和闭合；将相机的聚焦位置与卡盘的距离，作为抓手的上下移动位移，实现抓手对卡盘的精准定位抓取。

2.根据权利要求1所述的一种硫化胶囊自动更换系统的控制方法，其特征在于，所述位移单元包括水平位移组件和竖直位移组件，所述竖直位移组件固定于所述水平位移组件下方。

3.根据权利要求2所述的一种硫化胶囊自动更换系统的控制方法，其特征在于，所述水平位移组件包括安装架基座、用于固定竖直位移组件的水平滑块以及用于将水平滑块滑动固定于安装架基座上的水平滑动组件。

4.根据权利要求3所述的一种硫化胶囊自动更换系统的控制方法，其特征在于，所述竖直位移组件包括固定于水平滑块下方的油缸基座以及铰接固定于油缸基座上的伸缩油缸。

5.根据权利要求4所述的一种硫化胶囊自动更换系统的控制方法，其特征在于，所述伸缩油缸包括外伸缩油缸和内伸缩油缸，所述外伸缩油缸的固定端与油缸基座铰接，伸缩端与气压抓手单元固定连接，所述内伸缩油缸的固定端与油缸基座铰接，伸缩端与外伸缩油缸外壁铰接。

6.根据权利要求1所述的一种硫化胶囊自动更换系统的控制方法，其特征在于，所述工业相机单元包括用于拍摄硫化胶囊照片的工业相机、用于固定工业相机位置的相机滑块以及用于调整相机焦距的相机滑动组件，所述工业相机固定于相机滑块上，所述相机滑块滑动连接于相机滑动组件上。

7.根据权利要求1所述的一种硫化胶囊自动更换系统的控制方法，其特征在于，所述目标物包括卡盘、胶囊、锁紧盘以及锁紧螺栓中的至少一种。

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