新型汽車鑰匙齒形碼打標(biāo)設(shè)備的研發(fā)

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)，需要完成兩項基本任務(wù):①采用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地完成鑰匙齒形碼的自動獲取;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)確地測量鑰匙的齒形高度，通常采用的是直接測量法。直接測量法是從鑰匙的齒形上直接得到有關(guān)的高度。直接測量法包括圖像處理法和高度測量法。圖像處理法是用攝像機(jī)拍下待識別鑰匙的全部齒形，然后對圖像進(jìn)行處理，得到相應(yīng)位置的齒形高度。高度測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獲取齒形的高度。圖像處理法對夾具設(shè)計的要求低，但現(xiàn)場使用情況表明，該法易受圖像質(zhì)量和處理方法的影響，有時得到的齒形高度會產(chǎn)生較大誤差，導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤的齒形碼。高度測量法對夾具設(shè)計的要求較高，夾具尺寸較大，并且通常不同的鑰匙需設(shè)計不同的夾具，夾具不具備通用性，獲取不同鑰匙齒形碼時需更換夾具［1］。不直接讀取鑰匙的高度，而是用其他參數(shù)的測量代替鑰匙高度的測量，再經(jīng)換算得到齒形高度的方法，可稱之為間接測量法。

通過合理的夾具設(shè)計，采用間接測量法測量鑰匙的高度，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)識別齒形碼的準(zhǔn)確性。同時，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 為識別鑰匙齒形碼的機(jī)械部分示意圖。

圖1 識別齒形碼的機(jī)械部分示意圖

電機(jī)通過絲杠帶動夾具在導(dǎo)軌上移動。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到發(fā)射器和接收器之間時，接收器接收到的光會發(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)計及其測量原理

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)過整理歸納，設(shè)計的包括7 種夾具的組合夾具。

使用某夾具識別鑰匙齒形時，如圖3 所示的1 號夾具，在插入鑰匙之前，應(yīng)擰緊該夾具下的調(diào)整螺釘，托板頂起檢測片，并用夾具內(nèi)的彈簧壓緊檢測片。對不使用的夾具，因調(diào)整螺釘未擰緊，鑰匙無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，由于鑰匙在各個位置高度的不同，導(dǎo)致各個位置檢測片的上表面距離夾具體上表面的距離也不同。

圖4 為利用單個夾具，測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，鑰匙把檢測片頂起，檢測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，檢測片會壓緊鑰匙，從而保證了測量的可靠性。拔出鑰匙后，檢測片因彈簧的作用，會恢復(fù)到高度h2。通過測量檢測片被頂起的高度變化值h0，可間接測量出鑰匙在不同位置的齒形高度。

圖4 單個夾具測量高度原理示意圖

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

因為夾具孔中心線的位置不會改變，所以根據(jù)圖4，可得到以下關(guān)系式

因此，在測得h0后，h可按下式計算

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

雖然對不同的夾具孔，設(shè)計值h1和h2有所不同，但是對同一夾具孔，設(shè)計值h1和h2都相同，而且中心線的位置也是固定的。因此，對鑰匙不同位置的齒形識別，測得的不同h0，反映的就是不同的齒形高度。實(shí)際測量時，h0為激光傳感器在插入鑰匙之后測得的高度值和插入鑰匙之前測得的高度值之差，而通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證了插入鑰匙之前測得的高度值是一個定值，理論上所有的檢測片都一樣。若因加工和裝配的關(guān)系，導(dǎo)致在實(shí)際測量時有誤差，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模塊:自動操作、手動操作和參數(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)庫中。

手動操作主要用于設(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)、檢測片高度、齒形高度、齒形代號、打標(biāo)狀態(tài)、故障信息等。

進(jìn)入自動操作部分后的界面如圖6 所示。

圖6 自動操作界面

設(shè)備根據(jù)所選擇的鑰匙圖紙?zhí)?，從?shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，提示操作者鑰匙應(yīng)插入的夾具孔，以防止出錯。啟動按鈕就可進(jìn)行齒形碼測定。確定各位置齒號時，首先，設(shè)備通過控制，將夾具體移動到測量位置，通過激光傳感器獲得檢測片在測量位置的高度變化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。齒號用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，如有4 種齒形(即齒高)，則齒號是阿拉伯?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、齒號的編號規(guī)則等由廠家提供，系統(tǒng)將其保存到數(shù)據(jù)庫，供需要時調(diào)用。各位置齒號測定的過程如圖7 所示。

圖7 齒號測定過程示意圖

將鑰匙的齒形代號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。測得的齒形碼(齒號)顯示在界面中。必要時，用戶可以根據(jù)顯示的齒形碼，校核測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。

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

為保證齒形碼的識別和打標(biāo)能夠并行執(zhí)行，設(shè)備需保存獲得的齒形碼。在完成第一個鑰匙齒形碼的識別并保存后，就可并行完成一個鑰匙齒形碼的識別和前一個鑰匙齒形碼(已保存)的打標(biāo)。但是，同時保存的齒形碼過多，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)際操作過程，為避免這類錯誤的出現(xiàn)，特制定了以下規(guī)則:設(shè)備臨時保存的、供打標(biāo)用的齒形碼最多保存兩個;打標(biāo)完成后臨時保存的齒形碼自動刪除。在進(jìn)行齒形碼識別時，若保存的齒形碼超過了兩個，則設(shè)備會提示放棄本次讀號(見圖6)。

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

4 結(jié)論

設(shè)備使用表明，采用間接測量法，通過測量檢測片的高度來獲取鑰匙的齒形高度，齒高測量的準(zhǔn)確性得到了大大的提高，幾乎不會出現(xiàn)錯誤的齒形碼。間接測量法所需的夾具尺寸小，因此可通過設(shè)計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，避免了識別不同鑰匙齒形時更換夾具，不需要更多的生產(chǎn)輔助準(zhǔn)備時間。多線程技術(shù)的使用，保證了齒形碼識別和打標(biāo)可并行完成，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率。

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