新型螺母自動(dòng)檢測分選機(jī)設(shè)計(jì)

張靜雅, 葉 兵, 朱 旗, 李家揚(yáng)

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

新型螺母自動(dòng)檢測分選機(jī)設(shè)計(jì)

張靜雅, 葉 兵, 朱 旗, 李家揚(yáng)

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

根據(jù)企業(yè)實(shí)際需求,文章研發(fā)了一種基于STM32的螺母自動(dòng)檢測分選機(jī)。該系統(tǒng)選用STM32作為微控制器,采用比較測量法將工件測量值與標(biāo)準(zhǔn)件比較,利用STM32芯片的片內(nèi)外設(shè)模數(shù)轉(zhuǎn)化器(analog-to-digital converter,ADC)接收傳感器的輸出值并判斷工件是否合格。測試結(jié)果表明,該分選機(jī)運(yùn)行良好,具有操作簡單、設(shè)計(jì)精巧、可靠性好、檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)。

螺母檢測;STM32微控制器;比較測量;位移傳感器;電壓跟隨器

螺母廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域之中,尤其是應(yīng)用于汽車生產(chǎn)領(lǐng)域,螺母的好壞直接影響整個(gè)汽車的安全性,因此汽車領(lǐng)域?qū)β菽傅囊蠓浅８?螺母的檢測也變得尤為重要。為了使得不同部件的螺紋可以準(zhǔn)確聯(lián)接,工業(yè)國家制定了相應(yīng)的螺紋標(biāo)準(zhǔn)。例如,在螺紋的幾何參數(shù)方面,對(duì)螺距導(dǎo)程、大徑、中徑、小徑、牙型角等都規(guī)定了相應(yīng)的公差[1]。

傳統(tǒng)的螺母檢測采用人工檢驗(yàn)方式,這種方法成本高、效率低、可靠度低。近幾十年來,螺母檢測的方法并沒有突破性的進(jìn)展,主要還是使用阿貝式測長儀、內(nèi)螺紋中徑千分尺[2]、工具顯微鏡等儀器進(jìn)行檢測。這些方法能準(zhǔn)確地確定具體的參數(shù),但過程復(fù)雜、測量速度慢,適合在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)數(shù)量不多的高精度螺紋進(jìn)行檢測,不適合生產(chǎn)線上大批量零件的檢測。

現(xiàn)行生產(chǎn)線上螺母的檢驗(yàn)主要使用通規(guī)[3]、止規(guī)進(jìn)行測量。用塞規(guī)檢驗(yàn)工件時(shí),如果通規(guī)能通過,止規(guī)不能通過,那么該工件為合格品。這種測量方法簡單,能判定工件是否合格,但檢驗(yàn)是人工操作,勞動(dòng)強(qiáng)度大,因此過度依賴人工、成本高、效率低,檢驗(yàn)的可靠性也會(huì)隨著工作時(shí)間的加長而降低。

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32[4]的自動(dòng)檢測分選機(jī)。STM32采用ARM V7構(gòu)架,不僅支持Thumb-2指令集,而且擁有很多新特性,比ARM7 TDMI、Cortex-M3具有更強(qiáng)勁的性能、更高的代碼密度、位帶操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等眾多優(yōu)勢。該分選機(jī)具有人工工作量小、操作簡單、檢測時(shí)間短、可全天無間斷測量以及合格與不合格元件分開等優(yōu)點(diǎn)。因此,基于STM32的螺母檢測技術(shù)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

本文采用位移傳感器測量螺母參數(shù),測量之前先放入標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)測量,得到標(biāo)準(zhǔn)件的中徑和高度值。將檢測件與標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)進(jìn)行比較,判斷是否合格。

螺母自動(dòng)檢測分選機(jī)機(jī)械部分由機(jī)座、5個(gè)氣缸、2個(gè)滑臺(tái)、推板等組成。檢驗(yàn)過程如下:

(1) 氣缸1推動(dòng)推板,將六方筒底部的螺母推到檢測位置,氣缸1后退至最后位置,六方筒中螺母下落至底部。

(2) 傳感器1的位移(與標(biāo)準(zhǔn)件比較)測螺母的厚度。

(3) 氣缸2下移,將測量爪移入螺母的孔內(nèi)。

(4) 氣缸3張開,量爪與螺母緊密貼合,傳感器2的位移(與標(biāo)準(zhǔn)件比較)測2個(gè)量爪的相對(duì)位置。

(5) 若傳感器1、傳感器2的位移量都在合格范圍,則判定該被測螺母厚度在公差范圍,中徑在合格范圍,螺母為合格;氣缸1前推,推動(dòng)現(xiàn)在六方筒最下邊的螺母,將被測螺母向前推出,被測螺母通過滑道掉入裝置前方的合格工件箱,同時(shí),六方筒最下邊的螺母被推到下一次檢測位置。

(6) 若傳感器1、傳感器2的位移量有一個(gè)不在合格范圍,則判定該被測螺母為不合格,氣缸4、氣缸5張開,被測螺母通過滑道掉入裝置側(cè)方的不合格工件箱。

整個(gè)檢驗(yàn)過程除將螺母放入六方筒為人工操作以外,其他均由分選機(jī)自動(dòng)完成。螺母放入的自動(dòng)化正在研制中,研制完成后,整個(gè)檢驗(yàn)過程可以實(shí)現(xiàn)無人工操作。

螺母自動(dòng)檢測分選機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。厚度檢測部分和中徑檢測部分如圖2所示。

圖1 螺母自動(dòng)檢測分選機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

合格螺母的中徑范圍為44.15～44.35 mm，高度為5.80～6.20 mm。本文選用電阻式精密位移傳感器,量程為5.00 mm,電阻為5×(1±0.1) kΩ,獨(dú)立線性精度為0.002,根據(jù)傳感器線性特質(zhì)可知,傳感器位移與因位移產(chǎn)生的電壓變化成線性關(guān)系,傳感器的供電電壓為3 V,因此電壓誤差最大為6 mV,6 mV所對(duì)應(yīng)的位移偏差為10 μm,滿足設(shè)計(jì)需要;選用的單片機(jī)為STM32,單片機(jī)自帶AD的分辨率為12位,因此一個(gè)數(shù)字量對(duì)應(yīng)2.44 μm(5 000×2/4 096=2.44 μm),符合測量需要。

圖2 厚度檢測和中徑檢測部分

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DGUS屏主界面如圖4所示,允許最大/小高度、允許最大/小中徑由測量者按設(shè)置鍵進(jìn)行設(shè)置,按校準(zhǔn)鍵可進(jìn)入校準(zhǔn)模式,放入標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn),得到標(biāo)準(zhǔn)件的高度和中徑大小,測量時(shí)可按屏幕下方的測量按鍵或者測量臺(tái)上的按鈕啟動(dòng)一次測量,測量件合格時(shí)綠燈亮,不合格時(shí)紅燈亮。分選機(jī)實(shí)物如圖5所示。

圖4 DGUS屏主界面

圖5 分選機(jī)實(shí)物

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

為了實(shí)現(xiàn)不同元件對(duì)電壓的需要,本文設(shè)計(jì)采用12/24 V二合一電源。12 V電壓通過穩(wěn)壓蕊片7805轉(zhuǎn)換成5 V,為單片機(jī)STM32供電；5 V電壓通過AD780轉(zhuǎn)換成3 V,為精密位移傳感器[5]供電；24 V電壓為閥門供電。作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)的參考電壓源必須高度穩(wěn)定且精確,而測量工件的合格范圍在200 μm之內(nèi),由AD780數(shù)據(jù)手冊可知,在+5 V輸入情況下,輸出電壓為2.999～3.001 V,即變化為±1 mV,在本文設(shè)計(jì)中,1 mV對(duì)應(yīng)的測量值為1.67 μm,可見以AD780作為ADC的參考電壓足以滿足需求。5 V轉(zhuǎn)3 V的電壓轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6 5V轉(zhuǎn)3V的電壓轉(zhuǎn)換電路

2.2 電控氣動(dòng)閥門控制模塊

電控氣動(dòng)閥門控制模塊如圖7所示,主要采用可控制的光電耦合器件[6]TLP521用于電路之間信號(hào)的傳輸。閥門一端接24 V,另一端接M4。單片機(jī)對(duì)F4寫“1”時(shí),發(fā)光二極管不發(fā)光,光敏元件截止,三極管Q12截止,M4端輸出電壓為24 V,閥門不通;單片機(jī)對(duì)F4寫“0”時(shí),發(fā)光二極管通過電流發(fā)光,光敏元件導(dǎo)通,使得三極管Q12導(dǎo)通,M4輸出為低電平“0”,閥門兩端電壓差值為24 V,閥門導(dǎo)通。單片機(jī)通過對(duì)F4寫“0”或?qū)憽?”可實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的控制。TLP521用于電路之間的信號(hào)傳輸,使之前端與負(fù)載完全隔離,可增加安全性、減小電路干擾、簡化電路設(shè)計(jì)，且性能較好,價(jià)格便宜,符合生產(chǎn)要求。

圖7 電控氣動(dòng)閥門控制模塊

2.3 信號(hào)輸入模塊

信號(hào)輸入模塊如圖8所示,使用MAX44251構(gòu)成電壓跟隨器,信號(hào)經(jīng)過MAX44251傳入單片機(jī)STM32的AD端,信號(hào)源內(nèi)阻大,如果后級(jí)的輸入阻抗比較小,那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中,而電壓跟隨器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn),起到了隔離緩沖的作用,減少了信號(hào)的損失。

圖8 信號(hào)輸入模塊

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

STMicroelectronics公司所研發(fā)的STM32F103x[7]增強(qiáng)型系列STM32F103xzet6,工作頻率為72 MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器,豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到2條APB總線的外設(shè)。因此其具有如下性能特點(diǎn):

(1) 高達(dá)128 K字節(jié)的內(nèi)置閃存存儲(chǔ)器,用于存放程序和數(shù)據(jù);多達(dá)20 K字節(jié)的內(nèi)置靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(static random access memory,SRAM),使CPU能以0等待周期訪問(讀/寫)。

(2) STM32增強(qiáng)型系列擁有內(nèi)置的ARM核心,因此它與所有的ARM工具和軟件兼容。

(3) STM32的內(nèi)部Flash是在線可編程的。

(4) 高性能并非意味著高功耗。STM32 經(jīng)過特殊處理,針對(duì)應(yīng)用中3種主要的功耗需求進(jìn)行優(yōu)化,這3種能耗需求分別是運(yùn)行模式下高效率的動(dòng)態(tài)耗電機(jī)制、待機(jī)狀態(tài)時(shí)極低的電能消耗以及電池供電時(shí)的低電壓工作能力。

(5) 易于開發(fā)。STM32采取與以往不同的設(shè)計(jì)方法,通過把各個(gè)外設(shè)封裝成標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)的方式,屏蔽了底層硬件細(xì)節(jié),能夠使開發(fā)人員很輕松地完成產(chǎn)品的開發(fā),縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。

3.1 分選機(jī)控制系統(tǒng)軟件主流程

控制系統(tǒng)上電啟動(dòng)完成軟件系統(tǒng)的初始化后,接收來自上位機(jī)的屏幕操作指令,在DGUS屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或讀取已存儲(chǔ)在屏幕存儲(chǔ)器內(nèi)部的設(shè)置參數(shù),等待操作者的操作動(dòng)作,當(dāng)伴隨操作動(dòng)作的按鍵事件激勵(lì)或屏幕觸點(diǎn)命令時(shí),通過控制1個(gè)二位三通和4個(gè)三位五通電磁閥的通、斷來控制氣缸,將螺母送到探頭處測量。

分選機(jī)控制系統(tǒng)的主流程如圖9所示。

圖9 分選機(jī)控制系統(tǒng)主流程

3.2 屏幕顯示模塊

使用迪文DGUS配置軟件將變量和需要實(shí)現(xiàn)的功能關(guān)聯(lián)起來,然后通過控制端給該設(shè)置的變量賦值來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能,或讀取變量值來查看屏當(dāng)前相關(guān)功能的狀態(tài)。采用DGUS屏的變量地址[8]可以與任意功能來進(jìn)行關(guān)聯(lián)(不出現(xiàn)變量地址交叉的情況即可),變量地址范圍為0x0000-0x6fff。

DGUS屏與單片機(jī)的通訊圖如圖10所示。

圖10 DGUS屏與單片機(jī)通訊圖

3.3 算法處理模塊

本文設(shè)計(jì)的ADC分辨率為12位,2路規(guī)則通道,最小量化單位LSB=Vref+/212；設(shè)計(jì)的測量采用相對(duì)測量,因此需要一個(gè)經(jīng)測量得出數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)件。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)件高度x對(duì)應(yīng)的模擬量為X,被測件高度y對(duì)應(yīng)的模擬量為Y。若X

若X>Y,則被測件高度為:

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)件中徑m對(duì)應(yīng)的模擬量為M,被測件中徑n對(duì)應(yīng)的模擬量為N。若M

若M>N,則被測件中徑為:

將Y、N與螺母的參數(shù)范圍比較,判斷是否合格。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于STM32的螺母自動(dòng)檢測分選機(jī),克服和改善了傳統(tǒng)螺母測量存在的問題與不足。測量時(shí)通過單片機(jī)控制閥門,控制氣缸運(yùn)動(dòng),將被測件推入測量區(qū)域,使用位移傳感器進(jìn)行測量；將測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)件比較,判斷螺母是否合格,測量結(jié)果可通過屏幕顯示模塊顯示。本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已投入企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)檢測中,檢測結(jié)果可靠。

[1] 高延新,潘潤嶺.淺議螺紋標(biāo)準(zhǔn)及其檢測技術(shù)[J].航天標(biāo)準(zhǔn)化,1996(4):22-23.

[2] 孫玉玖,唐英娜,錢豐,等.螺紋的綜合測量和單項(xiàng)測量[J].計(jì)測技術(shù),2007,27(3):28-30.

[3] 李錫慶.內(nèi)螺紋中徑測量的簡便方法[J].裝備制造技術(shù),2014(7):99-100.

[4] 鄭一維,李長俊,吳訊馳,等.基于STM32的電能質(zhì)量檢測技術(shù)研究[J].國外電子測量技術(shù),2011,30(6):72-74,78.

[5] 昌學(xué)年,姚毅,閆玲.位移傳感器的發(fā)展及研究[J].計(jì)量與測試技術(shù),2009,36(9):42-44.

[6] 陸泉森,李軍,鮑鴻.光耦隔離技術(shù)在智能測控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子,2008(2):53-56.

[7] 孫書鷹,陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2010,31(12):59-63.

[8] 谷靜波,潘洪軍.基于DGUS屏的OS二次開發(fā)及在直流屏上應(yīng)用[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,32(4):370-373,377.

(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Design of new type of automatic detection and sorting machine for automotive fastening nut

ZHANG Jingya, YE Bing, ZHU Qi, LI Jiayang

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

An automatic detection and sorting machine for nut based on STM32 is designed according to the enterprise’s actual production needs. The system selects STM32 as the microcontroller. The measured values of workpiece are compared with those of standard parts by using the comparative measurement method, and the quality of the workpiece can be judged by using the output value of the sensor located inside and outside the analog-to-digital converter(ADC) chip. The test results show that the sorting machine is running well with the advantages of simple operation, compact design, good reliability and high detection efficiency.

nut detection; STM32 microcontroller; comparative measurement; displacement sensor; voltage follower

2015-12-30；

2016-01-19

合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目(12-516)

張靜雅(1991-),男,安徽六安人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生； 葉 兵(1962-),男,安徽滁州人,博士, 合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師，通訊作者，E-mail:554019623@qq.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.016

TN99

A

1003-5060(2017)08-1088-05