姚建平 (中石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司襄樊輸油處,湖北 襄樊 441002)

倪宇波 (湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院,湖北 武漢 430068)

目前,市場(chǎng)對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品要求的多樣化導(dǎo)致了各種零件材料及結(jié)構(gòu)的多元化,最終導(dǎo)致了各種零件結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜多樣化。圓柱形零件作為一種機(jī)械基礎(chǔ)件,其高度尺寸直接影響其工作性能,進(jìn)而影響使用這些零件的機(jī)器的工作效率與工作壽命,因此在零件的裝配過程中必須對(duì)高度進(jìn)行檢測(cè),以確保其尺寸符合要求。傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)定位難、控制難、調(diào)節(jié)不及時(shí)、控制精度差,已無法適應(yīng)生產(chǎn)自動(dòng)化中越來越高的精度要求。為此,筆者設(shè)計(jì)一種基于AT89S52單片機(jī)的圓柱形零件高度自動(dòng)檢測(cè)檢測(cè)裝置,該裝置能按零件裝配流水線的節(jié)拍連續(xù)獲取零件的高度尺寸,并做出合格與不合格判斷,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)零件外徑尺寸的多方位、快速、動(dòng)態(tài)、高精度測(cè)量。

1 高度測(cè)量的基本方法

對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)件的測(cè)量方式分為非接觸式測(cè)量和接觸式 (觸發(fā)式)測(cè)量2種方式。非接觸測(cè)量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ),在不接觸被測(cè)物體表面的情況下得到物體表面參數(shù)信息的測(cè)量方法。接觸式測(cè)量是用探測(cè)頭直接接觸物體表面、在給被測(cè)物體表面施加一定的壓力 (點(diǎn)接觸力或面接觸力)的情況下得到物體表面參數(shù)信息的測(cè)量方法。接觸式測(cè)量具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性,通過配合測(cè)量軟件可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量出物體的基本幾何形狀。其不足是接觸探頭在測(cè)量時(shí),接觸探頭的力將使探頭尖端部分與被測(cè)件之間發(fā)生局部變形而影響測(cè)量值的實(shí)際讀數(shù);由于探頭觸發(fā)機(jī)構(gòu)的慣性及時(shí)間延遲而使探頭產(chǎn)生超越現(xiàn)象,從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差[1]。

圖1 高度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

為了得到高精度讀數(shù),筆者設(shè)計(jì)的圓柱形零件高度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采用接觸式測(cè)量方式,這樣在保證較高精度的同時(shí)可以滿足快速測(cè)量要求。

2 測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)圓柱形零件高度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示,其具體構(gòu)成如下。

1)信號(hào)輸入部分 該部分包括接近開關(guān)、位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和擴(kuò)展I/O口等。輸入信號(hào)主要是零件到位信號(hào) (開關(guān)量)、處理的零件高度值(模擬量電壓)以及人機(jī)界面所用的I/O信號(hào)。

2)信號(hào)處理部分 該部分由AT89S52單片機(jī)和擴(kuò)展電路組成,負(fù)責(zé)信號(hào)的讀取和處理,以及控制信息的輸出。

3)輸出信號(hào)和顯示部分 輸出信號(hào)和顯示部分由制動(dòng)部分、LCD1602顯示器和PC機(jī)組成。制動(dòng)部分的作用是利用電磁閥和汽缸控制測(cè)頭的升降;LCD1602顯示器實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果,提供人機(jī)交互界面;PC機(jī)與AT89S52單片機(jī)實(shí)時(shí)通訊,進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和上位機(jī)的監(jiān)控。

在圓柱形零件高度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中,被測(cè)樣品為裝配線上的零件。零件高度經(jīng)位移傳感器測(cè)量之后變?yōu)殡妷盒盘?hào),經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換之后,將電壓信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送給單片機(jī)處理。單片機(jī)作為核心處理單元控制AD變換,并讀取其結(jié)果后轉(zhuǎn)換為軸承的高度值送給LCD顯示,再由串口向外發(fā)送。與此同時(shí),單片機(jī)要接收鍵盤、位置傳感器等的信號(hào),并控制制動(dòng)機(jī)和分選機(jī)的工作。

圖2 主程序流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圓柱形零件高度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件分為單片機(jī)軟件和PC機(jī)軟件,其中單片機(jī)軟件流程圖如圖2所示。其核心模塊如下:①初始化和系統(tǒng)標(biāo)定子程序;②A/D轉(zhuǎn)換子程序;③數(shù)據(jù)處理子程序。

在軟件編寫過程中,單片機(jī)部分的程序使用keilC軟件編寫,編程語言是C51語言,與標(biāo)準(zhǔn)C語言有差異。PC機(jī)部分的程序則由Visual Basic編寫。

A/D數(shù)據(jù)采集部分采用MAX176芯片,其數(shù)據(jù)接口形式為串行接口,可以與單片機(jī)通信,但單片機(jī)的串口需要PC機(jī)通信,所以采用模擬串口技術(shù)[2],為了保證時(shí)序正確,該段代碼使用匯編編寫。

MAX176的工作時(shí)序如圖3所示,根據(jù)A/D的時(shí)序圖,編寫A/D采集程序。為了使讀取結(jié)果正確,必須有正確的時(shí)序,而匯編語言的時(shí)序性比C語言好,所以該段代碼由匯編語言編寫。

圖3 MAX176時(shí)序圖

4 系統(tǒng)性能試驗(yàn)

圓柱形零件高度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的誤差主要由AD轉(zhuǎn)換誤差、傳感器的非線性誤差、測(cè)桿與導(dǎo)套之間的配合間隙引起的誤差組成[1]。為了對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證,設(shè)計(jì)了靜態(tài)測(cè)量試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)測(cè)量試驗(yàn),并允許靜態(tài)測(cè)量的最大絕對(duì)誤差為3μ m、動(dòng)態(tài)測(cè)量的最大絕對(duì)誤差為0.1mm。

1)靜態(tài)試驗(yàn) 將高度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)安裝好之后,按操作要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。保持測(cè)頭不動(dòng),每隔2min讀取1次高度值,每組讀取10次數(shù)據(jù),如表1所示。由表1可知,靜態(tài)測(cè)量的最大絕對(duì)誤差為1.5μ m,符合設(shè)計(jì)要求。

2)動(dòng)態(tài)試驗(yàn) 將高度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)安裝好之后,按操作要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。每隔0.5s將測(cè)頭抬起再降下讀取1次高度值。每組讀取10次數(shù)據(jù),如表2所示。由表2可知,動(dòng)態(tài)測(cè)量的最大絕對(duì)誤差為4.5μ m,符合設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)上述試驗(yàn),表明該測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)誤差非常小,測(cè)量精度較高。

表1 靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄

表2 靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄

5 結(jié) 語

經(jīng)過嚴(yán)格的誤差分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,表明該測(cè)量系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求,可適用于圓柱形零件高度的高精度檢測(cè)。該測(cè)量系統(tǒng)可以單獨(dú)使用,進(jìn)行高度值上下限的設(shè)定、測(cè)量、分選等工作。該測(cè)量系統(tǒng)的AT89S52單片機(jī)只使用了其中的24個(gè)I/O口,還富余8個(gè)I/O口,其中包括1個(gè)外部中斷口,2個(gè)計(jì)數(shù)器輸入等,可以接入更多的開關(guān)量信號(hào),比如控制生產(chǎn)線的節(jié)奏、檢測(cè)軸承的位置等,因而具有較大的擴(kuò)展?jié)摿Α?/p>

[1]李建國,趙龍.基于BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)高速銑削加工簙鋁制件尺寸誤差的動(dòng)態(tài)分布[J].機(jī)床與液壓,2010,(1):72～74.

[2]吳文金,余華.基于單片機(jī)的大電感參數(shù)動(dòng)態(tài)測(cè)量研究[J].電子測(cè)量技術(shù),2009,(12):99～101.