圓柱形零件高度自動檢測系統(tǒng)設計

姚建平 (中石化管道儲運分公司襄樊輸油處,湖北 襄樊 441002)

倪宇波 (湖北工業(yè)大學機械學院,湖北 武漢 430068)

目前,市場對工程機械產(chǎn)品要求的多樣化導致了各種零件材料及結(jié)構(gòu)的多元化,最終導致了各種零件結(jié)構(gòu)趨于復雜多樣化。圓柱形零件作為一種機械基礎件,其高度尺寸直接影響其工作性能,進而影響使用這些零件的機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高度進行檢測,以確保其尺寸符合要求。傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)定位難、控制難、調(diào)節(jié)不及時、控制精度差,已無法適應生產(chǎn)自動化中越來越高的精度要求。為此,筆者設計一種基于AT89S52單片機的圓柱形零件高度自動檢測檢測裝置,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,從而實現(xiàn)對零件外徑尺寸的多方位、快速、動態(tài)、高精度測量。

1 高度測量的基本方法

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

圖1 高度自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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

2 測量系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)圓柱形零件高度自動檢測系統(tǒng)設計要求,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計方案如圖1所示,其具體構(gòu)成如下。

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

2)信號處理部分 該部分由AT89S52單片機和擴展電路組成,負責信號的讀取和處理,以及控制信息的輸出。

3)輸出信號和顯示部分 輸出信號和顯示部分由制動部分、LCD1602顯示器和PC機組成。制動部分的作用是利用電磁閥和汽缸控制測頭的升降;LCD1602顯示器實時顯示檢測結(jié)果,提供人機交互界面;PC機與AT89S52單片機實時通訊,進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和上位機的監(jiān)控。

在圓柱形零件高度自動檢測系統(tǒng)中,被測樣品為裝配線上的零件。零件高度經(jīng)位移傳感器測量之后變?yōu)殡妷盒盘?經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換之后,將電壓信號變?yōu)閿?shù)字信號送給單片機處理。單片機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,單片機要接收鍵盤、位置傳感器等的信號,并控制制動機和分選機的工作。

圖2 主程序流程圖

3 系統(tǒng)軟件設計

圓柱形零件高度自動檢測系統(tǒng)軟件分為單片機軟件和PC機軟件,其中單片機軟件流程圖如圖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,單片機部分的程序使用keilC軟件編寫,編程語言是C51語言,與標準C語言有差異。PC機部分的程序則由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,可以與單片機通信,但單片機的串口需要PC機通信,所以采用模擬串口技術[2],為了保證時序正確,該段代碼使用匯編編寫。

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

圖3 MAX176時序圖

4 系統(tǒng)性能試驗

圓柱形零件高度自動檢測系統(tǒng)的誤差主要由AD轉(zhuǎn)換誤差、傳感器的非線性誤差、測桿與導套之間的配合間隙引起的誤差組成[1]。為了對該系統(tǒng)的性能進行驗證,設計了靜態(tài)測量試驗和動態(tài)測量試驗,并允許靜態(tài)測量的最大絕對誤差為3μ m、動態(tài)測量的最大絕對誤差為0.1mm。

1)靜態(tài)試驗 將高度自動檢測系統(tǒng)安裝好之后,按操作要求對系統(tǒng)進行標定。保持測頭不動,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)測量的最大絕對誤差為1.5μ m,符合設計要求。

2)動態(tài)試驗 將高度自動檢測系統(tǒng)安裝好之后,按操作要求對系統(tǒng)進行標定。每隔0.5s將測頭抬起再降下讀取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,動態(tài)測量的最大絕對誤差為4.5μ m,符合設計要求。

經(jīng)上述試驗,表明該測量系統(tǒng)的運動誤差非常小,測量精度較高。

表1 靜態(tài)測量數(shù)據(jù)記錄

表2 靜態(tài)測量數(shù)據(jù)記錄

5 結(jié) 語

經(jīng)過嚴格的誤差分析和試驗驗證,表明該測量系統(tǒng)符合設計要求,可適用于圓柱形零件高度的高精度檢測。該測量系統(tǒng)可以單獨使用,進行高度值上下限的設定、測量、分選等工作。該測量系統(tǒng)的AT89S52單片機只使用了其中的24個I/O口,還富余8個I/O口,其中包括1個外部中斷口,2個計數(shù)器輸入等,可以接入更多的開關量信號,比如控制生產(chǎn)線的節(jié)奏、檢測軸承的位置等,因而具有較大的擴展?jié)摿Α?/p>

[1]李建國,趙龍.基于BP網(wǎng)絡預測高速銑削加工簙鋁制件尺寸誤差的動態(tài)分布[J].機床與液壓,2010,(1):72～74.

[2]吳文金,余華.基于單片機的大電感參數(shù)動態(tài)測量研究[J].電子測量技術,2009,(12):99～101.