張靜雅，羅昱文，符茂勝

汽車(chē)緊固件廣泛應(yīng)用于汽車(chē)裝配中，作為汽車(chē)緊固件[1]的螺母其尺寸至關(guān)重要，尺寸越準(zhǔn)確，連接的傳動(dòng)件運(yùn)動(dòng)越精密，傳遞精度越高，于是對(duì)螺距、厚度、垂直度、中徑等參數(shù)均有嚴(yán)格要求。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于汽車(chē)緊固件的檢測(cè)手法眾多，例如通規(guī)、止規(guī)、千分尺、工具顯微鏡、激光法等[2]。通規(guī)、止規(guī)法操作簡(jiǎn)單但是不能確定螺母具體參數(shù)值，且可能導(dǎo)致螺母損傷變形[3]；千分尺過(guò)度依靠人工，誤差大且易出現(xiàn)錯(cuò)誤；工具顯微鏡雖然讀數(shù)準(zhǔn)確但檢測(cè)緩慢大多用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量；激光法成本過(guò)高。本文介紹一款基于STM32的螺母自動(dòng)檢測(cè)和分選系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)螺母厚度和中徑的準(zhǔn)確測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)DGUS屏顯示，便于讀取，檢測(cè)完成后可實(shí)現(xiàn)合格品和次品的分選操作，系統(tǒng)配備一套完善的機(jī)械和氣動(dòng)系統(tǒng)，保證檢測(cè)和分選自動(dòng)化[4]。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 器件選型

分選機(jī)采用STM32F103xzet6單片機(jī)[5]進(jìn)行各部分控制，閥門(mén)控制氣路帶動(dòng)各個(gè)氣缸運(yùn)動(dòng)，使螺母依次進(jìn)入測(cè)量區(qū)域，測(cè)量螺母中徑和厚度，完成測(cè)量后將合格品和次品分開(kāi)。

合格螺母的中徑范圍為44.15mm-44.35mm，高度為5.80mm-6.20mm，為了滿足設(shè)計(jì)精度的要求，選用2個(gè)量程為5mm的電阻式精密位移傳感器[6]分別測(cè)量中徑和厚度，其電阻值范圍為1.8 KΩ～2.2 KΩ，線性精度為0.2%，電路采用3v電壓供電，其電壓誤差最大為6mv，產(chǎn)生的位移偏差僅為10um，因此與傳統(tǒng)檢測(cè)手段相比較，該系統(tǒng)具有檢測(cè)精度較高這一優(yōu)勢(shì)。

機(jī)械部分選用5個(gè)氣缸，分別為標(biāo)準(zhǔn)SC氣缸SC32*75、氣動(dòng)手指氣缸NHBDPG-16[7]、滑臺(tái)氣缸MXS12-40、導(dǎo)桿氣缸MGPL12-20。氣路部分選用調(diào)壓過(guò)濾器GFR200-06、速度控制閥AS2301F-01-06S SMC[8]、壓力開(kāi)關(guān)PK510用以保證氣路的穩(wěn)定[9]。

1.2 分選機(jī)工作流程

分選機(jī)的機(jī)械部分如圖1所示。

圖1 機(jī)械機(jī)構(gòu)圖

單片機(jī)向F4口寫(xiě)“0”，光耦通過(guò)電信號(hào)、光信號(hào)、電信號(hào)的兩步轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)三極管Q12導(dǎo)通，此時(shí)M4端口電壓為低電平"0"，閥門(mén)導(dǎo)通。反之F4口接收“1”信號(hào)，閥門(mén)關(guān)閉。電阻R31和R43起到分壓作用，保證光耦輸出端電壓合適，電阻R52為上拉電阻防止F4端口信號(hào)不定時(shí)閥門(mén)誤導(dǎo)通。

在整個(gè)測(cè)量和分選過(guò)程中基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，除了向六方筒內(nèi)加入螺母的上料過(guò)程必須依賴人工操作以外，其他步驟均可自動(dòng)不間斷完成，上料過(guò)程的自動(dòng)化操作仍在研制中。

本系統(tǒng)通過(guò)二位三通的電磁閥控制氣路開(kāi)閉，為了保證氣壓的穩(wěn)定，加入壓力開(kāi)關(guān)，當(dāng)氣壓偏離要求值時(shí)壓力開(kāi)關(guān)關(guān)閉，氣路不通，由于壓力開(kāi)關(guān)的加入保證了整個(gè)氣路壓力在要求的范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)推不動(dòng)氣缸或者氣壓過(guò)大而損壞氣缸的情況。氣路被二位三通電磁閥分為五支，控制五個(gè)氣缸運(yùn)動(dòng)，五個(gè)二位五通電磁閥分別控制支氣路通斷，加入調(diào)壓過(guò)濾器調(diào)節(jié)壓力、過(guò)濾氣體，使用速度調(diào)節(jié)閥維持氣缸穩(wěn)定運(yùn)行。

2 機(jī)械和氣動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括：底座、推板、磁性開(kāi)關(guān)氣缸、滑臺(tái)等幾個(gè)部分，系統(tǒng)選用磁性開(kāi)關(guān)氣缸，其結(jié)構(gòu)為：在普通氣缸的活塞上加上磁環(huán)，缸筒上加上磁性開(kāi)關(guān)[10]，利用磁環(huán)和磁性開(kāi)關(guān)的相互影響，可以精確的判斷出氣缸的位置，從而控制其運(yùn)動(dòng)。

“你已被她妖艷的容貌所迷惑！”族長(zhǎng)和師父的話語(yǔ)同時(shí)在他的腦海中響起，他愣愣地，覺(jué)得心底惡魔的種子再一次舒展了筋骨。

2.2 氣動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

外祖母沒(méi)有辦法，依了她。給她在家里請(qǐng)了一位老先生，就在自己家院子的空房子里邊擺上了書(shū)桌，還有幾個(gè)鄰居家的姑娘，一齊念書(shū)。

超聲檢查、CT檢查及MRI檢查用于瘢痕妊娠合并子宮動(dòng)靜脈瘺中檢出率無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；超聲檢查、CT檢查及MRI聯(lián)合檢測(cè)檢出率，高于單一超聲檢查、CT檢查及MRI檢查（P＜0.05），見(jiàn)表1。

3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

軟件主流程圖如圖6所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)選用STM32單片機(jī)作為核心控制器件，完成各部分系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)用，通過(guò)單片機(jī)對(duì)閥門(mén)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)控，從而保證氣缸合理運(yùn)動(dòng)，依靠位置判斷模塊和磁性開(kāi)關(guān)判斷氣缸運(yùn)動(dòng)位置，將位移傳感器采集的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，STM32單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，系統(tǒng)無(wú)需另加模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后送入DGUS屏進(jìn)行顯示[11]，并接收DGUS屏發(fā)出的控制指令，可通過(guò)DGUS屏輸入合格品上下限或者調(diào)用上下限的存儲(chǔ)值、以及發(fā)出開(kāi)始檢測(cè)和終止檢測(cè)指令，為了保證操作者安全，加入安全光幕，當(dāng)檢測(cè)過(guò)程中有物體進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，安全光幕采集危險(xiǎn)信號(hào)送入單片機(jī)中，單片機(jī)進(jìn)行報(bào)警操作，包括蜂鳴報(bào)警和終止系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。

3.2 信號(hào)預(yù)處理模塊

系統(tǒng)采用RID-125-1224雙路開(kāi)關(guān)電源，可提供24V和12V供電，使用LM7805將12V轉(zhuǎn)換為5V作為單片機(jī)供電電源，AD780將5V電壓轉(zhuǎn)換為3V為傳感器供電，傳感器選用PM11精密微型位移傳感器，輸出電壓為0-3V，單片機(jī)AD參考電壓為3V，傳感器輸出信號(hào)與AD匹配無(wú)需分壓，但必須采用電壓跟隨器作為緩沖、隔離級(jí)，防止信號(hào)被前級(jí)輸出電阻損耗[12]。

選用MAX44251構(gòu)成電壓跟隨器，該芯片精度高、噪聲低、可連續(xù)自校準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)需要。信號(hào)預(yù)處理模塊如圖3所示，SENSOR1和SENSOR2分別為中徑和厚度信號(hào)。

圖3 信號(hào)預(yù)處理模塊電路圖

3.3 閥門(mén)控制模塊

設(shè)計(jì)中包含閥門(mén)控制模塊，如圖4所示，閥門(mén)控制氣路通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸的控制。氣動(dòng)閥門(mén)的通斷由電磁線圈控制，為了防止反向電動(dòng)勢(shì)影響單片機(jī)，必須進(jìn)行電氣隔離，選用光電耦合器件TLP521完成隔離功能，其集電極最大承受電流為50mA，無(wú)法驅(qū)動(dòng)電磁閥，因此加入NPN型三極管，利用三極管電流放大作用，其型號(hào)為BC639-16，TLP521先驅(qū)動(dòng)三極管從而控制閥門(mén)動(dòng)作。

圖4 閥門(mén)控制模塊電路圖

下面對(duì)分選流程進(jìn)行簡(jiǎn)單描述：推板被氣缸1向前推出將螺母推入檢測(cè)區(qū)域中；螺母進(jìn)入待測(cè)區(qū)域后，導(dǎo)致上方的傳感器1測(cè)頭壓縮，提取傳感器1的測(cè)量數(shù)據(jù)并與標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)生的位移數(shù)據(jù)相比較，由于標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)已知，通過(guò)比較測(cè)量法便可得出被測(cè)螺母厚度；氣缸2在氣路的作用下下移， 氣缸3伸入被測(cè)件的孔內(nèi)，為測(cè)量中徑做好準(zhǔn)備，氣缸3張開(kāi)至與螺母內(nèi)壁貼合，導(dǎo)致右側(cè)傳感器2測(cè)頭壓縮，將輸出數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量值比較，得出被測(cè)件中徑值。若中徑、厚度均合格，判定為合格品，在下一個(gè)被測(cè)件推入測(cè)量區(qū)域時(shí)，合格件被推出，落入合格工件箱中；若中徑和厚度有任一值不在要求范圍內(nèi)，判定為次品，氣缸4,5分別向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，將次品通道打開(kāi)，次品落入底部廢品槽中，完成整個(gè)測(cè)量和分選工作。

某日幾位男同事閑聊，不知怎么說(shuō)到了私房錢(qián)，眾人正在感慨無(wú)論怎樣都會(huì)被老婆發(fā)現(xiàn)時(shí)，小輝默默地說(shuō)：“我都存銀行?！北娙藛?wèn)：“那存折或卡呢？”他憨厚一笑：“燒掉或毀掉，要用的時(shí)候再拿身份證到銀行去補(bǔ)?！?/p>

3.3 位置判斷模塊

系統(tǒng)上電后，完成整個(gè)系統(tǒng)初始化，此時(shí)氣缸自復(fù)位，各氣缸均回到初始位置，通過(guò)DGUS屏確定合格品上下限值，通過(guò)單片機(jī)發(fā)送指令進(jìn)行螺母檢測(cè)，測(cè)量值送入STM32的內(nèi)部ADC[13]，判斷螺母合格與否，分別就合格品和次品執(zhí)行不同分選操作。光幕檢測(cè)模塊存在于測(cè)量每一步過(guò)程中，若此模塊觸發(fā)系統(tǒng)停止工作氣缸復(fù)位。

圖5 位置判斷模塊電路圖

共有5個(gè)兩線制接近開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4、S5，若氣缸運(yùn)動(dòng)到S1附近時(shí)，接近開(kāi)關(guān)和Q8均接通，W1-1發(fā)出0信號(hào)；相反的當(dāng)氣缸沒(méi)有運(yùn)動(dòng)到位時(shí)，Q8截止，W1-1發(fā)出1信號(hào)。把W1-1的輸出送入單片機(jī)中，通過(guò)讀取此端口的信號(hào)，便可知道氣缸是否運(yùn)動(dòng)到位。同理3與4端、5與6端、7與8端、9與10端之間的接近開(kāi)關(guān)也可對(duì)氣缸位置進(jìn)行判斷。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

定理2[11] 在中，算子是關(guān)于內(nèi)積〈·,·〉的伴隨算子，A*是A關(guān)于內(nèi)積〈·,·〉在Cn的伴隨算子.這里線性算子與分別被定義為

習(xí)近平總書(shū)記指出： “中國(guó)革命歷史是最好的營(yíng)養(yǎng)劑。多重溫我們黨領(lǐng)導(dǎo)人民進(jìn)行革命的偉大歷史，心中就會(huì)增添很多正能量。”湖南有124個(gè)愛(ài)國(guó)主義教育基地，24個(gè)國(guó)家紅色旅游經(jīng)典景區(qū)。湖南要充分發(fā)揮自身的區(qū)位、資源和生態(tài)建設(shè)等優(yōu)勢(shì)，抓住機(jī)遇，加快開(kāi)放步伐，積極對(duì)接 “一帶一路”建設(shè)，講好湖南紅色故事，讓紅色文化資源“走出去”，助力湖南開(kāi)放崛起。

設(shè)計(jì)中需要對(duì)氣缸的位置做出判斷，以確定氣缸是否到位，為下一步的控制做準(zhǔn)備，為此，選用接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)。此模塊的電路圖如圖5所示：

雖然蔣介石有類(lèi)似傳統(tǒng)圣賢的做派，希望通過(guò)親身垂范，影響屬下，但效果不彰。1932年底，蔣介石給陳誠(chéng)的手諭，告以:“如稍有暇，應(yīng)將曾胡各全集及王陽(yáng)明、戚繼光諸書(shū)再看一遍，則養(yǎng)氣斷事，必有長(zhǎng)進(jìn)也?！睂?duì)此，陳誠(chéng)回復(fù)道:“雖讀戚王曾胡之書(shū)，實(shí)際只可供參考資取法而已。若須與往哲精神同游，無(wú)論在事實(shí)上所不可能，亦可不必。蓋勉力學(xué)之，終難避畫(huà)虎不成之譏也。職除受總理遺教之熏陶外，固無(wú)一事不以鈞座之意旨為意旨也?！?可見(jiàn)，陳誠(chéng)對(duì)于蔣所提圣賢書(shū)并不認(rèn)同。陳誠(chéng)是蔣黃埔的嫡系學(xué)生，尚且對(duì)領(lǐng)袖思想持如此觀感，遑論一般黨員及民眾。

圖6 軟件主流程圖

4.2 AD采集程序設(shè)計(jì)

AD采集程序流程如圖7所示。

圖7 AD采集程序流程

首先對(duì)ADC進(jìn)行初始化設(shè)置，對(duì)于螺母參數(shù)測(cè)量值連續(xù)50次采樣，采用均值濾波法進(jìn)行軟件濾波，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠[14]。由于STM32F103xzet6單片機(jī)轉(zhuǎn)換速率最大為1Mhz，ADC時(shí)鐘頻率最大不能超過(guò)14Mhz，否則嚴(yán)重影響采樣準(zhǔn)確率。

進(jìn)行單次轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC僅轉(zhuǎn)換一次，可通過(guò)將ADC_CR2的ADON位置位或外部觸發(fā)方式啟動(dòng)單次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果置于ADC_DR寄存器， EOC置位標(biāo)志轉(zhuǎn)換結(jié)束，若EOCIE使能會(huì)產(chǎn)生中斷。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8為螺母自動(dòng)檢測(cè)分選機(jī)的實(shí)物結(jié)構(gòu)圖，機(jī)械、氣動(dòng)、硬件、軟件部分均裝載完畢，可以進(jìn)行測(cè)量。

圖8 分選機(jī)實(shí)物圖

為了檢測(cè)系統(tǒng)工作是否穩(wěn)定可靠，對(duì)已知厚度為5.03mm，中徑為32.52mm的標(biāo)準(zhǔn)螺母進(jìn)行1000次測(cè)量，厚度數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍為5.01mm至5.05mm之間，中徑測(cè)量值出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)：30.15 mm，其他值均在32.50mm至32.54mm之間，對(duì)中徑的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此錯(cuò)誤由于量爪和螺母內(nèi)徑?jīng)]有嚙合，螺母的齒頂和量爪的齒頂貼合導(dǎo)致，此類(lèi)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)率小于萬(wàn)分之一，經(jīng)檢測(cè)此系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

6 總結(jié)

設(shè)計(jì)一款基于STM32的螺母自動(dòng)檢測(cè)分選機(jī)系統(tǒng)，使用比較測(cè)量法實(shí)現(xiàn)厚度、中徑測(cè)量，并可進(jìn)行分選操作，測(cè)試表明本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，錯(cuò)誤率低于萬(wàn)分之一，且精度滿足設(shè)計(jì)要求，本產(chǎn)品已投入企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)，其上料過(guò)程的全自動(dòng)化仍在研發(fā)中。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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