鄧將華，余祥峰

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州350108）

電磁鉚接是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能使鉚釘發(fā)生塑性變形的一種新型鉚接方法，是實(shí)現(xiàn)鈦合金和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接及大直徑鉚釘和難成形材料鉚釘成形的一種先進(jìn)的連接技術(shù)。電磁鉚接質(zhì)量穩(wěn)定，加載速率高，與普通鉚接本質(zhì)的差別就在于加載速率不同。研究結(jié)果表明，過高的加載速率有可能出現(xiàn)釘頭剪切破壞，而相對緩慢的加載速率有利于解決釘頭出現(xiàn)裂紋的問題。對于不同的材料，有不同的加載速率要求，需充分研究其加載速率范圍，這是制定合理工藝參數(shù)的基礎(chǔ)，所以加載速率是電磁鉚接最為重要的參數(shù)。電磁鉚接屬于高速?zèng)_擊加載，要準(zhǔn)確獲得其加載速率相對困難。目前大多數(shù)研究者通過計(jì)算放電電流周期來確定加載時(shí)間，并根據(jù)鉚釘變形即可近似求出電磁鉚接鉚模加載速率[1]。由于鉚接設(shè)備中放大器對應(yīng)力波的周期和幅值起到調(diào)節(jié)作用，鉚模的加載時(shí)間與放電電流周期有較大差別，導(dǎo)致鉚模加載速率的計(jì)算存在較大誤差。

高速加載速率的測量廣義上可分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量主要是用金屬絲纏制成網(wǎng)靶，當(dāng)物體經(jīng)過網(wǎng)靶，沖斷金屬絲時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓信號，通過對信號的處理獲得物體的速率值[2]。該方法每次測量都要更換金屬絲，浪費(fèi)材料，重復(fù)性差，因此運(yùn)用較少。激光多普勒速率測量和光電測速系統(tǒng)屬于非接觸式測量。這兩種方式動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，測量精度高，在高速物體速率測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，激光多普勒測速系統(tǒng)具有測量范圍寬、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[3]，但設(shè)備復(fù)雜、對光學(xué)元件要求高、調(diào)試?yán)щy、造價(jià)高昂，使其在應(yīng)用中受到很大限制[4]。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電傳感器響應(yīng)時(shí)間越來越短，光電傳感測速系統(tǒng)應(yīng)用也越來越廣泛。光電測速系統(tǒng)可分為透射式和反射式兩種。反射式光電測速系統(tǒng)需要在運(yùn)動(dòng)物體上加工高精度明暗條紋，對激光器和光電探測器的安裝要求較高[5]。透射式光電測速系統(tǒng)采用高功率紅外發(fā)光二極管與高靈敏度的光電晶體管組成，這種測量方式可避免可見光的影響，抗干擾能力強(qiáng)[6]。相比接觸式測量，非接觸式測量方法重復(fù)性好，不會(huì)對原有設(shè)備造成損害。本文采用非接觸式紅外傳感器將鉚模加載速率轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過運(yùn)算放大處理，利用STC89C52單片機(jī)捕獲脈沖時(shí)間，經(jīng)過邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電磁鉚接鉚模加載速率的測量。

1 測速原理

為了測量鉚模的加載速率，將U形遮光片與鉚模沖頭固定在一起。在電磁鉚接過程中，鉚模將帶著U形遮光片一起運(yùn)動(dòng)，測得U形遮光片的信號，經(jīng)過處理即可獲得鉚模的加載速率。電磁鉚接鉚模加載速率測試系統(tǒng)原理如圖1所示。測試系統(tǒng)主要由U形遮光片、紅外傳感器、放大電路和單片機(jī)等組成。當(dāng)U形遮光片兩側(cè)通過紅外傳感器時(shí)，紅外傳感器產(chǎn)生兩個(gè)跳變下降沿。當(dāng)單片機(jī)檢測到第一個(gè)下降沿時(shí)，捕獲并立即獲取計(jì)時(shí)寄存器中的值，將該值存入一組寄存器中，同時(shí)向CPU申請中斷。當(dāng)單片機(jī)引腳的下一個(gè)負(fù)跳變到來時(shí)，將產(chǎn)生另一個(gè)捕獲，再次向CPU申請中斷。運(yùn)行燒錄在單片機(jī)中程序獲得兩個(gè)負(fù)跳變的時(shí)間間隔。經(jīng)過邏輯運(yùn)算，即可準(zhǔn)確地計(jì)算出鉚模的加載速率。

鉚模的平均加載速率V可由式(1)求得：

其中S表示U型遮光片兩片之間距離；t2表示第二次捕獲時(shí)存在寄存器中的時(shí)間值；t1表示第一次捕獲時(shí)存在寄存器中的時(shí)間值。

2 測速系統(tǒng)硬件

鉚模運(yùn)動(dòng)屬于高速加載，測速系統(tǒng)的硬件需滿足響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性好、集成度高、電路檢測容易等要求。因此，本文采用控制功能強(qiáng)的STC89C52單片機(jī)為核心控制器，與紅外測速技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能運(yùn)算控制。

2.1 傳感器模塊及電壓調(diào)節(jié)放大電路

傳感器是轉(zhuǎn)換信號的來源，傳感器的選擇直接關(guān)系到測量的精度。透射式光電傳感器DB1S6150采用高功率紅外發(fā)光二極管以及高靈敏度光電晶體管組成，抗干擾能力較強(qiáng)，靈敏度較高。傳感器響應(yīng)測試電路如圖2所示。傳感器響應(yīng)上升時(shí)間Tr典型值為3μs，最大值為15μs；響應(yīng)下降時(shí)間Tf典型值為4μs，最大值為20μs，滿足實(shí)驗(yàn)要求。傳感器輸出波形并不是方波，直接連接單片機(jī)會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測的誤差，因此通過運(yùn)算放大器將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)量來規(guī)避誤差。電壓調(diào)節(jié)放大電路主要由基準(zhǔn)電壓源、電壓比較器兩部分組成，電路如圖3所示。傳感器電壓經(jīng)穩(wěn)壓后，送入電壓比較器與基準(zhǔn)電壓Vg進(jìn)行比較。當(dāng)VsVg時(shí)，電壓輸出V為高電平。U型遮光片加工采用線切割制成毛坯并通過精磨來提高精度，減少誤差。

2.2 單片機(jī)模塊

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。通過設(shè)置工作模式選擇位可將定時(shí)器2設(shè)為捕獲模式。捕獲能夠捕捉到某一瞬間的值，準(zhǔn)確測量兩個(gè)跳變沿之間的時(shí)間間隔，在實(shí)際脈沖寬度測量中有廣泛的應(yīng)用。捕獲模式邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。在定時(shí)器2啟動(dòng)/停止控制位TR2和定時(shí)器外部使能標(biāo)志位都打開的情況下，當(dāng)單片機(jī)P1.1口接收到一個(gè)負(fù)跳變時(shí)，捕獲便將定時(shí)/計(jì)數(shù)寄存器TH2和TL2的值獲取并將它們分別存入RCAP2H和RCAP2L這兩組寄存器中，同時(shí)向CPU申請中斷。

晶振是單片機(jī)控制的一個(gè)重要組成部分，單片機(jī)晶振的時(shí)鐘頻率越高，計(jì)算速率越快。為便于計(jì)算，單片機(jī)選擇12 MHz的晶振，它的時(shí)鐘周期為1/12μs，一個(gè)機(jī)器周期為1μs。定時(shí)器加1所用的時(shí)間為1μs。通過讀取寄存器的值獲取U型遮光片產(chǎn)生的兩個(gè)時(shí)間間隔。整個(gè)電路原理圖如圖5所示。單片機(jī)檢測外部信號，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算并驅(qū)動(dòng)1602液晶顯示鉚模速率及時(shí)間。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)測速系統(tǒng)目前主要的方法需要用兩個(gè)相同的光電傳感器，分別連到單片機(jī)的P3.2口和P3.3口，當(dāng)物體經(jīng)過第一個(gè)傳感器時(shí)，一個(gè)電信號便輸入單片機(jī)的P3.2口中，執(zhí)行程序?qū)㈤_啟單片機(jī)定時(shí)器。物體經(jīng)過第二個(gè)傳感器時(shí)，另一個(gè)電信號便輸入到單片機(jī)的P3.3口中，同樣地執(zhí)行程序?qū)㈥P(guān)閉定時(shí)器。這種方法廣泛用于炮彈初速率測量、汽車速率與加速率測量等。由于使用兩個(gè)傳感器，引入不同傳感器響應(yīng)輸出一致性誤差。由于兩個(gè)傳感器固有間距的要求，這種方法并不適用于短距離的速率測量。針對52單片機(jī)特有的捕獲功能，本文采用一個(gè)傳感器，單通道實(shí)現(xiàn)鉚模加載速率的測量，大大減小了傳感器誤差。測速的流程如圖6所示。測速程序主要包含：(1)液晶及STC89C52單片機(jī)復(fù)位；(2)捕獲觸發(fā)脈沖中斷響應(yīng)；(3)利用定時(shí)器2定時(shí)讀取脈沖間隔計(jì)數(shù)寄存器，計(jì)算鉚模速率；(4)1602液晶顯示時(shí)間及速率；(5)測量檢測；(6)手動(dòng)復(fù)位，準(zhǔn)備下一次測量。

圖5 測速系統(tǒng)電路圖

圖6 測速程序流程圖

4 測量系統(tǒng)誤差分析

測量誤差是考察系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。系統(tǒng)中存在的誤差都必須進(jìn)行合理的處理。誤差來源主要有單片機(jī)計(jì)時(shí)模塊誤差、紅外傳感器輸出一致性誤差、U型遮光片加工精度及安裝精度誤差等幾個(gè)方面。

根據(jù)誤差傳遞理論，鉚模的速率測量誤差可由式(2)確定：

式中ΔS為U形遮光片的加工及安裝誤差；Δt為時(shí)間間隔測量誤差，該誤差主要由紅外傳感器在不同速率下的輸出一致性Δt1、單片機(jī)計(jì)時(shí)模塊偏差Δt2決定，可由式(3)近似估算：

表1 單片機(jī)與示波器時(shí)間對比

由于紅外傳感器的響應(yīng)時(shí)間的最大值為15μs，取傳感器輸出一致性Δt1為15μs。系統(tǒng)采用12 MHz的晶振，計(jì)時(shí)模塊偏差為1μs。將其代入式(3)得時(shí)間間隔誤差的最大值為15.03μs。電磁鉚接鉚模的相對速率誤差為：

測速系統(tǒng)中ΔS的實(shí)測值為0.05 mm。遮光片光縫距離S為7 mm。將其帶入式（4），可得電磁鉚接鉚模加載速率測量系統(tǒng)的誤差小于0.81%。

用該測速系統(tǒng)測量電磁鉚接鉚模加載速率，并用示波器驗(yàn)證該系統(tǒng)測量時(shí)間。針對不同速率做8組實(shí)驗(yàn)。示波器顯示時(shí)間為T1，單片機(jī)液晶顯示時(shí)間為T2。結(jié)果如表1所示。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，單片機(jī)和示波器的時(shí)間基本一致，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

電壓與鉚模加載速率關(guān)系曲線如圖7所示。低電壓電磁鉚接鉚模加載速率在10 m/s以內(nèi)。隨著放電電壓升高，鉚模加載速率增加，大致呈線性關(guān)系。

本文基于單片機(jī)和紅外測速技術(shù)成功設(shè)計(jì)了一套電磁鉚接鉚模加載速率測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)通過硬件的集成化以及軟件編程技術(shù)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、測量精度高等特點(diǎn)。其測量誤差小于1%，測速范圍可達(dá)0～100 m/s，可用于高速物體速率的測量。

[1]曹增強(qiáng)，佘公藩，夏力農(nóng)，等.不同加載速率下鉚釘材料變形研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，18(1)：27-30.

[2]劉福才，劉陽，王世國，等.基于網(wǎng)靶和高速數(shù)據(jù)采集方法的彈丸速率測[J].兵工自動(dòng)化，2008，27(3)：72-74.

[3]王輝林，陳志敏.激光多普勒測速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].激光與紅外，2009，39(7)：722-723.

[4]周健，馮慶奇，龍興武，等.激光多普勒測速儀信噪比及多普勒電流的研究[J].光電工程，2009，36(6)：46-51.

[5]何遠(yuǎn)航，魏文，張慶明.反射式激光測速系統(tǒng)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(11)：981-983.

[6]周志廣，雷彬，李治源.對射式激光測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19(1)：36-38.