倪 崢

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

激光打標(biāo)機(jī)用于標(biāo)刻，是用激光束在物質(zhì)的表面打上永久的標(biāo)記，顯出所需刻的圖案、文字。汽車鑰匙齒形打標(biāo)系統(tǒng)是在汽車鑰匙上，用激光打標(biāo)機(jī)在鑰匙上的刻上齒形碼。因此，研制汽車鑰匙齒形碼打標(biāo)系統(tǒng)，需要完成兩項(xiàng)基本任務(wù):①采用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地完成鑰匙齒形碼的自動(dòng)獲取;②系統(tǒng)控制激光打標(biāo)機(jī)完成鑰匙齒形碼的打標(biāo)。

鑰匙齒形碼獲取的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地測(cè)量鑰匙的齒形高度，通常采用的是直接測(cè)量法。直接測(cè)量法是從鑰匙的齒形上直接得到有關(guān)的高度。直接測(cè)量法包括圖像處理法和高度測(cè)量法。圖像處理法是用攝像機(jī)拍下待識(shí)別鑰匙的全部齒形，然后對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到相應(yīng)位置的齒形高度。高度測(cè)量法是利用傳感器直接讀取鑰匙的高度［1-2］。委托開發(fā)打標(biāo)系統(tǒng)的企業(yè)，以前采用的正是這兩種方法來(lái)獲取齒形的高度。圖像處理法對(duì)夾具設(shè)計(jì)的要求低，但現(xiàn)場(chǎng)使用情況表明，該法易受圖像質(zhì)量和處理方法的影響，有時(shí)得到的齒形高度會(huì)產(chǎn)生較大誤差，導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤的齒形碼。高度測(cè)量法對(duì)夾具設(shè)計(jì)的要求較高，夾具尺寸較大，并且通常不同的鑰匙需設(shè)計(jì)不同的夾具，夾具不具備通用性，獲取不同鑰匙齒形碼時(shí)需更換夾具［1］。不直接讀取鑰匙的高度，而是用其他參數(shù)的測(cè)量代替鑰匙高度的測(cè)量，再經(jīng)換算得到齒形高度的方法，可稱之為間接測(cè)量法。

通過(guò)合理的夾具設(shè)計(jì)，采用間接測(cè)量法測(cè)量鑰匙的高度，進(jìn)而獲得齒形碼，可使設(shè)備適用于多種鑰匙齒形碼的識(shí)別和打標(biāo)，擴(kuò)大了設(shè)備的適用范圍，并提高了系統(tǒng)識(shí)別齒形碼的準(zhǔn)確性。同時(shí)，設(shè)備采用多線程技術(shù)進(jìn)行控制可提高其生產(chǎn)效率。

1 設(shè)備主要組成

圖1 為識(shí)別鑰匙齒形碼的機(jī)械部分示意圖。

圖1 識(shí)別齒形碼的機(jī)械部分示意圖

電機(jī)通過(guò)絲杠帶動(dòng)夾具在導(dǎo)軌上移動(dòng)。在鑰匙或夾具的兩側(cè)，分別放置了激光位移傳感器發(fā)射器和接收器。當(dāng)放有鑰匙的夾具移動(dòng)到發(fā)射器和接收器之間時(shí)，接收器接收到的光會(huì)發(fā)生變化，傳感器將其轉(zhuǎn)化為電壓值，從而得到高度信息。

設(shè)備控制系統(tǒng)組成及工作原理圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)工作原理

2 組合夾具設(shè)計(jì)及其測(cè)量原理

為了使設(shè)備可以適應(yīng)于不同齒厚、齒距、齒形數(shù)量(齒數(shù))的鑰匙，設(shè)計(jì)了圖3 所示的組合夾具。

圖3 適用于多種鑰匙的組合夾具

同一夾具，如圖3 中的夾具1，可以適用于具有相同齒厚、齒距的鑰匙(齒數(shù)可以不同，但不能超過(guò)最大的齒數(shù)值)。圖3 是根據(jù)需要打標(biāo)的16 種鑰匙，經(jīng)過(guò)整理歸納，設(shè)計(jì)的包括7 種夾具的組合夾具。

使用某夾具識(shí)別鑰匙齒形時(shí)，如圖3 所示的1 號(hào)夾具，在插入鑰匙之前，應(yīng)擰緊該夾具下的調(diào)整螺釘，托板頂起檢測(cè)片，并用夾具內(nèi)的彈簧壓緊檢測(cè)片。對(duì)不使用的夾具，因調(diào)整螺釘未擰緊，鑰匙無(wú)法插入到這些夾具中，防止誤操作的可能性。

由圖3 可見，當(dāng)鑰匙插入夾具孔時(shí)，由于鑰匙在各個(gè)位置高度的不同，導(dǎo)致各個(gè)位置檢測(cè)片的上表面距離夾具體上表面的距離也不同。

圖4 為利用單個(gè)夾具，測(cè)量齒形高度的原理示意圖。在擰緊調(diào)整螺釘后，鑰匙未插入夾具孔前，所有檢測(cè)片露出夾具體上表面的高度均為h2。鑰匙插入后，鑰匙把檢測(cè)片頂起，檢測(cè)片露出夾具體上表面的高度為h2+ h0。由于夾具內(nèi)彈簧的作用，檢測(cè)片會(huì)壓緊鑰匙，從而保證了測(cè)量的可靠性。拔出鑰匙后，檢測(cè)片因彈簧的作用，會(huì)恢復(fù)到高度h2。通過(guò)測(cè)量檢測(cè)片被頂起的高度變化值h0，可間接測(cè)量出鑰匙在不同位置的齒形高度。

圖4 單個(gè)夾具測(cè)量高度原理示意圖

圖4 中，h1和h2為設(shè)計(jì)尺寸，h為鑰匙插入后，鑰匙齒形在夾具孔中心線以上的高度。

因?yàn)閵A具孔中心線的位置不會(huì)改變，所以根據(jù)圖4，可得到以下關(guān)系式

因此，在測(cè)得h0后，h可按下式計(jì)算

由于鑰匙中心線的位置也不會(huì)改變，于是得計(jì)算鑰匙齒形真實(shí)高度H的公式為

雖然對(duì)不同的夾具孔，設(shè)計(jì)值h1和h2有所不同，但是對(duì)同一夾具孔，設(shè)計(jì)值h1和h2都相同，而且中心線的位置也是固定的。因此，對(duì)鑰匙不同位置的齒形識(shí)別，測(cè)得的不同h0，反映的就是不同的齒形高度。實(shí)際測(cè)量時(shí)，h0為激光傳感器在插入鑰匙之后測(cè)得的高度值和插入鑰匙之前測(cè)得的高度值之差，而通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了插入鑰匙之前測(cè)得的高度值是一個(gè)定值，理論上所有的檢測(cè)片都一樣。若因加工和裝配的關(guān)系，導(dǎo)致在實(shí)際測(cè)量時(shí)有誤差，則可用設(shè)備軟件中，基本參數(shù)中的齒高補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)整。

3 設(shè)備軟件

設(shè)備軟件主要分為三個(gè)模塊:自動(dòng)操作、手動(dòng)操作和參數(shù)設(shè)定。圖5 為參數(shù)設(shè)定模塊界面中的鑰匙基本信息(鑰匙信息)設(shè)定界面。

圖5 參數(shù)設(shè)定界面

參數(shù)設(shè)定包括鑰匙信息、齒距參數(shù)、齒高參數(shù)、基本參數(shù)、用戶信息和通訊信息。點(diǎn)擊觸摸屏上相應(yīng)的位置就可以輸入、保存和刪除相關(guān)的信息。這些信息都保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

手動(dòng)操作主要用于設(shè)備的調(diào)試，可以單步監(jiān)控電機(jī)的位置、傳感器參數(shù)的變化、通訊狀態(tài)、檢測(cè)片高度、齒形高度、齒形代號(hào)、打標(biāo)狀態(tài)、故障信息等。

進(jìn)入自動(dòng)操作部分后的界面如圖6 所示。

圖6 自動(dòng)操作界面

設(shè)備根據(jù)所選擇的鑰匙圖紙?zhí)?，從?shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)，提示操作者鑰匙應(yīng)插入的夾具孔，以防止出錯(cuò)。啟動(dòng)按鈕就可進(jìn)行齒形碼測(cè)定。確定各位置齒號(hào)時(shí)，首先，設(shè)備通過(guò)控制，將夾具體移動(dòng)到測(cè)量位置，通過(guò)激光傳感器獲得檢測(cè)片在測(cè)量位置的高度變化h0。然后，經(jīng)公式(2)換算，獲得鑰匙齒形的真實(shí)高度H。最后，將H與數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)鑰匙的各種齒形高度變化范圍比較，獲得鑰匙在各位置的齒號(hào)。齒號(hào)用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，如有4 種齒形(即齒高)，則齒號(hào)是阿拉伯?dāng)?shù)字1、2、3 和4 中之一。不同鑰匙(圖紙?zhí)柌煌?的齒距參數(shù)、齒高參數(shù)及其上下偏差、齒號(hào)的編號(hào)規(guī)則等由廠家提供，系統(tǒng)將其保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，供需要時(shí)調(diào)用。各位置齒號(hào)測(cè)定的過(guò)程如圖7 所示。

圖7 齒號(hào)測(cè)定過(guò)程示意圖

將鑰匙的齒形代號(hào)l(l=1～n，n為齒形種類)，按照編碼規(guī)則編碼，獲得m位阿拉伯?dāng)?shù)字組成鑰匙的齒形碼(m為齒數(shù))。編碼規(guī)則根據(jù)企業(yè)的要求，按從鑰匙的根部到其頂部的順序編碼。測(cè)得的齒形碼(齒號(hào))顯示在界面中。必要時(shí)，用戶可以根據(jù)顯示的齒形碼，校核測(cè)得的齒形碼是否正確。

點(diǎn)擊“激光打碼”處，就可以進(jìn)行齒形碼打標(biāo)。上位機(jī)與激光打標(biāo)機(jī)之間采用RS232-C 協(xié)議進(jìn)行串口通訊，傳輸控制指令和相關(guān)的打標(biāo)信息。打標(biāo)指令的發(fā)送格式由激光打標(biāo)機(jī)生產(chǎn)廠家提供。

在啟動(dòng)按鈕進(jìn)行鑰匙齒形碼識(shí)別的同時(shí)，可以點(diǎn)擊“激光打碼”，進(jìn)行前一個(gè)鑰匙齒形碼的打標(biāo)。設(shè)備采用了多線程技術(shù)，因此能夠及時(shí)地對(duì)用戶的操作——齒形碼識(shí)別和齒形碼打標(biāo)，做出響應(yīng)。在同時(shí)進(jìn)行這兩種操作時(shí)，設(shè)備均勻分配CPU 處理時(shí)間，且在各個(gè)線程中輪換執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行的效果。設(shè)備采用齒形碼識(shí)別和打標(biāo)并行的方式，主要考慮的是效率問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際使用情況來(lái)看，齒形碼的識(shí)別和打標(biāo)所需時(shí)間都約為3s。采用并行方式，則設(shè)備完成打標(biāo)任務(wù)的時(shí)間約為3s;而采用串行方式，即完成鑰匙齒形碼的識(shí)別后，再順序進(jìn)行該鑰匙齒形碼的打標(biāo)，則設(shè)備完成打標(biāo)任務(wù)的時(shí)間約為6s，效率低。

為保證齒形碼的識(shí)別和打標(biāo)能夠并行執(zhí)行，設(shè)備需保存獲得的齒形碼。在完成第一個(gè)鑰匙齒形碼的識(shí)別并保存后，就可并行完成一個(gè)鑰匙齒形碼的識(shí)別和前一個(gè)鑰匙齒形碼(已保存)的打標(biāo)。但是，同時(shí)保存的齒形碼過(guò)多，極易導(dǎo)致操作員操作失誤，出現(xiàn)打在鑰匙上的齒形碼與其真正的齒形碼不一致的情況。根據(jù)操作員的實(shí)際操作過(guò)程，為避免這類錯(cuò)誤的出現(xiàn)，特制定了以下規(guī)則:設(shè)備臨時(shí)保存的、供打標(biāo)用的齒形碼最多保存兩個(gè);打標(biāo)完成后臨時(shí)保存的齒形碼自動(dòng)刪除。在進(jìn)行齒形碼識(shí)別時(shí)，若保存的齒形碼超過(guò)了兩個(gè)，則設(shè)備會(huì)提示放棄本次讀號(hào)(見圖6)。

已完成打標(biāo)的齒形碼、操作者、操作時(shí)間、圖紙?zhí)柕刃畔⒂谰帽４嬖谙鄳?yīng)鑰匙的文件中，供需要時(shí)查閱。任何情況下，臨時(shí)保存的齒形碼關(guān)機(jī)時(shí)則自動(dòng)清零。

4 結(jié)論

設(shè)備使用表明，采用間接測(cè)量法，通過(guò)測(cè)量檢測(cè)片的高度來(lái)獲取鑰匙的齒形高度，齒高測(cè)量的準(zhǔn)確性得到了大大的提高，幾乎不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的齒形碼。間接測(cè)量法所需的夾具尺寸小，因此可通過(guò)設(shè)計(jì)適用于多種鑰匙的組合夾具，擴(kuò)大設(shè)備的應(yīng)用范圍。組合夾具的使用，避免了識(shí)別不同鑰匙齒形時(shí)更換夾具，不需要更多的生產(chǎn)輔助準(zhǔn)備時(shí)間。多線程技術(shù)的使用，保證了齒形碼識(shí)別和打標(biāo)可并行完成，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率。

［1］倪崢. 多種鑰匙齒形自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(12):51 -53.

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