一种有刷电机换向器非接触式检测方法

一种有刷电机换向器非接触式检测方法

郑柳英  陈明

贵州航天林泉电机有限公司

摘  要:针对有刷直流微特电机，换向器外圆尺寸小，槽数多，对换向器外圆尺寸精度、表面粗造的、刀纹数及片间槽口倒角形状一致性要求高，因换向器一般为铜合金材料，精加工完成后接触式检测容易导致换向器表面氧化和划伤换向器表面，本方法采用非接触式方法检测换向器外圆尺寸和槽口形状，可实现换向器外圆无损检测。

关键词:换向器外圆；非接触式检测。

1 引言

有刷直流伺服电机广泛用于各武器系统中的各种机构，如舵机、导引头、无人机等，具有简单、易控、体积小、重量轻、响应速度快、灵敏度高、耐恶劣环境等特点。

直流伺服电机电枢主要由轴、电枢铁芯、漆包线、换向器组成，参见图1，换向器在电机内部起到导通和换向作用。为保证电机可靠运行，换向器装入电枢转子后还需要进行精车外圆，要求外圆与轴承档跳动一般在0.006以内，表面粗糙度在Ra0.8以内，尺寸精度控制在5级精度内，对于军用电机还需要在换向器片间槽口进行倒角处理，才能保证电刷在换向器外圆上平滑过渡，减少换向火花。

图1 典型有刷直流伺服电机电枢结构图

目前，换向器精车采用高精度的车床和宝石车刀可实现，可是，对换向器外圆尺寸、粗造的、槽口倒角质量检测一致没有好的手段和措施。目前多数采用抽检首末件采用外径千分尺检测，该检测方法容易导致精车后的换向器表面产生检测损伤，影响换向器表面质量，同时，槽口宽度和平直程度只能靠放大镜下目测，造成人工检测工作量大，容易产生视觉疲惫，放大镜检测过程由于表面反光不均，容易造成误判，而且人眼检测的分辨率低，判断标准不一致。

2 换向器表面无损检测

为解决以上换向器检测问题，对换向器表面基于深度学习的表面形貌检测技术，采用表面形貌图像景深融合技术和多角度成像技术，对换向器表面尺寸和粗糙度和倒角形状进行检测。

（1）表面形貌图像景深融合技术研究

由于换向器外圆、槽口各尺寸不再同一个平面内，需要大倍率的工业镜头，这往往会带来视野和景深迅速减小的问题。当倍率达到一定倍率时（如2倍光学放大），常用的工业镜头的景深往往不超过0.3mm，立体的被测物只有很小的一段距离内成像清晰，为将整个被测物清晰成像，不得不划分多个焦距分别拍摄，检测的效率将明显降低。图像的处理，后续标准样本的处理都会变得比较困难。为解决该矛盾，应用一种景深融合（Focus Stacking）的技术，可以变换焦距拍摄不同的照片，将不同焦距处清晰的部分拼接融合起来，形成一张全部成像清晰的图像，使用软件算法扩展物理工业镜头景深小的不足，满足大景深跨度的要求。同时，对于换向器槽口尺寸基于深度学习的算法模型开发训练，针对缺陷样本不足问题采用数据增强等方法增大缺陷数据规模，提升模型预测精度及泛化性。

（2）电机电枢图像高速采集技术研究

电机电枢换向器表面和尺寸检测图像高速采集需解决视觉系统组件间高速交互、光源的多状态频闪控制以及系统集成应用等问题，通过开展基于FPGA的视觉控制信号高速交互技术研究，突破现有视觉系统通过串口通讯进行控制的方式，采用I/O口硬通讯，实现视觉控制信号的高速、实时、可靠的通讯。照明系统是机器视觉系统中关键的部份之一，机器视觉光源直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。好的打光设计能够使我们得到一幅好的图像，从而改善整个系统的分辨率，简化软件的运算，然后从光源的类型和照明方式、照明效果的优化以及光源的频闪控制等方方面开展研究。针对高速视觉系统集成主要从相机特性、图像采集、光源控制以及图像调试等方面综合考虑。

  （3）换向器表面无损检测方法及原理

设备的运行原理是：首先，将待测产品电枢放置产品上料部件，启动设备，产品上料部件顶升产品；双顶尖机构移动并顶紧产品两端锥孔后匀速旋转，换向器视觉识别系统完成换向器表面槽口倒角形貌检测，检测完成后移动至直径测量机构测量换向器直径，检测完成后由将产品取下。针对不同型号的产品，需更换产品上料部件的夹具。检测设备3D模型和实物检测图参见图2、图3。

图2 换向器形貌检测简图

图3 换向器外圆形貌实物检测图

3 技术应用

目前该项检测技术已大量应用于我厂中小型有刷电机换向器精加工检测中，该检测方法还可以用于换向器外圆或者槽口倒角或粗糙度的单项检测，实现换向器表面非接触式无损检测，同时，一次装夹，可实现整个换向器外圆、所有槽口的检测，加工效率高，通过长时间深度学习，提高检测准确性，减少人工操作时间。

4 结束语

采用以上检测方法检测的电机电枢，换向器表面没有接触测量工具，不会造成表面损伤，同时不用人手工操作，减少人手接触换向器表面造成换向器表面氧化，同时，提高检验效率和检测准确性，值得推广应用。

参考文献

［1］许实章．电机学．华中工学院( 上册) ，1988，11。

作者简介：郑柳英（1976-），女，贵州省天柱县，高级工程师，主要从事微特电机工艺技术研究工作。

集团公司工艺振兴项目：电机电枢表面形貌自动化测量技术JCKY2018204B025 GYZX2022A015