基于Arduino的雙耳玻璃杯自動貼耳裝置設(shè)計*

任仁凱，彭 晨 ，舒方強(qiáng)

(南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇南京210042)

0 引 言

近年來，雙耳玻璃杯作為常用的沖茶器具，憑借其方便靈活的設(shè)計以及較高的觀賞性和趣味性，受到茶客的廣泛歡迎。看似小巧，然而其制作工藝卻頗為復(fù)雜。

根據(jù)文獻(xiàn)［1-2］所述，研究者一直致力于實現(xiàn)普通玻璃杯制作的自動化，所設(shè)計的玻璃杯制作流程大體分為三道工序:①截料工序，將玻璃管料截成成品玻璃杯高度兩倍的玻璃管料段;②成底工序，把截好的玻璃管料段加熱切割燒結(jié)形成兩個杯底坯料;③打磨工序，對毛坯杯的杯底和杯口進(jìn)行打磨。而制作雙耳玻璃杯則需要再加一道工序:貼耳工序，在玻璃杯兩側(cè)安裝用于手持的耳狀構(gòu)件。顯然，貼耳工序是一個重要環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)家庭作坊式生產(chǎn)中，雙耳玻璃杯貼耳工序是純手工操作，工作環(huán)境較為惡劣，生產(chǎn)效率低，且成品質(zhì)量參差不齊。而大型制造廠的生產(chǎn)機(jī)器則價格昂貴，且需要專業(yè)技術(shù)人員操控，無法大面積推廣，嚴(yán)重限制了本行業(yè)的發(fā)展。

該設(shè)計將從工藝流程、機(jī)械結(jié)構(gòu)和過程控制三方面展開，研制的操作裝置能夠自動完成雙耳玻璃杯的貼耳工序，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)時間大大縮短，從而方便操作，節(jié)約人力，減少成本。

1 工藝流程設(shè)計

雙耳玻璃杯的貼耳工序可具體細(xì)分為四道工序:①固定工序，固定待貼耳的玻璃杯和耳狀構(gòu)件;②灼燒工序，點火并對玻璃杯和耳狀構(gòu)件的貼合點進(jìn)行灼燒直至熔化;③粘結(jié)工序，玻璃杯和耳狀構(gòu)件接觸并粘結(jié);④取回工序，取下制作好的雙耳玻璃杯。

前三道工序分別對應(yīng)雙耳玻璃杯自動貼耳裝置的3 個位置，且有如下一些設(shè)計要點:①起始位置，啟動或緊急停止都要復(fù)位到起始位置再開始運行;②灼燒位置，點火器點火并灼燒貼合點一定時間直至部件熔化，且灼燒時間t 可調(diào)節(jié);③粘結(jié)位置，玻璃杯和耳狀構(gòu)件接觸后需迅速回拉一段微小距離再粘結(jié)，且回拉距離s 可調(diào)節(jié)。這些對操作裝置的具體設(shè)計提出了要求。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙耳玻璃杯自動貼耳裝置主要包括主控機(jī)構(gòu)，點火機(jī)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu)，移動機(jī)構(gòu)和檢測機(jī)構(gòu)5 部分［3-4］。其主視圖和俯視圖如圖1 所示。

圖1 操作裝置主視圖和俯視圖

主控機(jī)構(gòu)由主控箱和控制盒組成。主控箱內(nèi)有控制電路，外殼嵌有運行/調(diào)參開關(guān)和液晶顯示屏，開關(guān)采用2 路6 腳2 檔船型開關(guān)，顯示屏用于調(diào)參時的數(shù)據(jù)顯示?？刂坪星队袉?加按鈕和停止/減按鈕，對應(yīng)不同工作模式進(jìn)行控制，簡單有效。

點火機(jī)構(gòu)由點火器、支撐架和電動推桿組成。點火器左右各1 個，可以點燃煤氣和氧氣的混合燃?xì)猓糜趯ΣＡП投鸂顦?gòu)件的灼燒。電動推桿通過支撐架與2 個點火器相連，可帶動點火器在一定行程內(nèi)升降，從而不妨礙后續(xù)運行。

夾持機(jī)構(gòu)主要是三爪卡盤，能夠有效固定住待貼耳的玻璃杯。

移動機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)，傳動機(jī)構(gòu)、抓取機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌四部分組成。步進(jìn)電機(jī)使用57 步進(jìn)電機(jī)，扭矩大，精度高，為整個裝置提供動力。傳動機(jī)構(gòu)采用鏈傳動，結(jié)構(gòu)簡單，平均傳動比準(zhǔn)確，傳動效率高;而且，鏈條在步進(jìn)電機(jī)停止運行的情況下可以輕松轉(zhuǎn)動，便于后續(xù)調(diào)參模式的設(shè)計。鏈條安裝在左、右2 個鏈輪上，鏈輪通過鏈輪軸安裝在軸承座之間，其中一邊的鏈輪軸通過彈性聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)相連。傳動機(jī)構(gòu)保證了動力的平衡穩(wěn)定輸出。抓取機(jī)構(gòu)由滑座、固定桿和彈簧夾鉗組成。滑座左右各1 個，安裝在平行的2 根導(dǎo)軌上，其中一側(cè)滑塊與鏈條上半邊相連，另一側(cè)滑塊與鏈條下半邊相連，從而實現(xiàn)左、右對稱同步滑動。彈簧夾鉗通過固定桿安裝在滑塊上，具有特制卡槽，可以夾住耳狀構(gòu)件。整個移動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)帶動抓取機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上對稱同步前進(jìn)和后退。

檢測機(jī)構(gòu)由限位開關(guān)和光電開關(guān)組成。限位開關(guān)有2 個，安裝在一側(cè)導(dǎo)軌的首尾。光電開關(guān)采用對射式，包括發(fā)射部分和接收部分，分別安裝在導(dǎo)軌的兩側(cè)。外側(cè)的限位開關(guān)處是起始位置，光電開關(guān)處是灼燒位置，內(nèi)側(cè)的限位開關(guān)處是粘結(jié)位置，當(dāng)滑塊移動到相應(yīng)位置就會觸發(fā)開關(guān)，返回信號，進(jìn)行相應(yīng)操作。通過調(diào)整開關(guān)的位置，即可控制滑塊移動的范圍。

3 過程控制設(shè)計

本研究在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，對雙耳玻璃杯自動貼耳裝置進(jìn)行電路設(shè)計和程序編寫，開發(fā)了運行和調(diào)參兩種工作模式。

3．1 控制電路

雙耳玻璃杯自動貼耳裝置的主控箱內(nèi)有控制電路，主要包括主控模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊和檢測/調(diào)參模塊四部分。

主控模塊采用的是Arduino Nano 核心板［5-7］，體積小巧，價格便宜。Arduino 基于AVR 平臺，編程簡單，Nano 核心板使用5 V DC 供電，時鐘頻率16 MHz，低電平復(fù)位，具有2 KB 內(nèi)存，32 KB 閃存，1 KB EEPROM，14 個數(shù)字I/O 口，8 個模擬I/O 口，完全能滿足該裝置的控制要求。

該裝置采用220 V AC 供電，需要轉(zhuǎn)換成各元器件所需電壓。電源模塊先使用150 W 24 V 開關(guān)電源將市電降壓、整流、濾波后變成24 V DC 穩(wěn)壓電源，再通過LM2596-5． 0 穩(wěn)壓芯片提供5 V 電源，最后通過LM1117-3．3穩(wěn)壓芯片提供3．3 V 電源。

其電路原理圖如圖2 所示。

該裝置的驅(qū)動模塊包括電動推桿、電磁閥和步進(jìn)電機(jī)3 部分的驅(qū)動，其電路原理圖如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動模塊電路原理圖

電動推桿內(nèi)部是直流電機(jī)，由AQMH3615 驅(qū)動器［8］驅(qū)動，使用24 V DC 供電，采用半橋驅(qū)動芯片和110 A 大功率MOS 管，以及門電路驅(qū)動邏輯控制，高效而可靠。通過IN1 和IN2 兩路信號控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和剎車，從而實現(xiàn)電動推桿的升降。

電磁閥采用2 W 24 V 常閉電磁閥，小巧方便，響應(yīng)速度快。通過A0 信號控制繼電器，實現(xiàn)電磁閥的開閉，從而控制混合燃?xì)獾耐〝唷?/p>

步進(jìn)電機(jī)由TB6560 驅(qū)動器［9-11］驅(qū)動，使用24 V DC 供電，穩(wěn)定可靠，抗干擾性強(qiáng)。其細(xì)分?jǐn)?shù)有4 種，最大16 細(xì)分;驅(qū)動電流范圍為0．3 A～3 A，共有14 檔;具有自動半流、低壓關(guān)斷、過流保護(hù)和過熱停車功能。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接圖如圖4 所示，驅(qū)動器與控制器采用共陽極連接，由脈沖、方向、使能3 路信號控制，通過高速光耦進(jìn)行隔離，起到保護(hù)作用。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接圖

裝置有運行和調(diào)參兩種工作模式。檢測/調(diào)參模塊對應(yīng)不同工作模式分別起不同作用，其電路原理圖如圖5 所示。當(dāng)開關(guān)置于運行檔，限位、光電開關(guān)用于檢測滑塊位置，啟動按鈕控制運行，停止按鈕控制復(fù)位。當(dāng)開關(guān)置于調(diào)參檔，限位、光電開關(guān)用于檢測調(diào)參參數(shù)，加、減按鈕控制數(shù)據(jù)的增加和減少，LCD 顯示相關(guān)參數(shù)。LCD 采用5110 液晶屏模塊，串行SPI 接口，性價比高，簡單易用。

圖5 檢測/調(diào)參模塊電路原理圖

3．2 運行模式

雙耳玻璃杯自動貼耳裝置運行前，將待加工的玻璃杯放置在三爪卡盤上固定好，將耳狀構(gòu)件放置在兩邊彈簧夾鉗中夾緊。開關(guān)置于運行檔，之后運行算法如下:

S1:啟動;

S2:復(fù)位，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，抓取機(jī)構(gòu)后退;

S3:若外限位開關(guān)閉合，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，抓取機(jī)構(gòu)前進(jìn);

S4:若光電開關(guān)閉合，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，抓取機(jī)構(gòu)停止，電動推桿啟動，點火器上升，點火并持續(xù)灼燒時間t;

S5:電動推桿啟動，點火器下降，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，抓取機(jī)構(gòu)前進(jìn);

S6:若內(nèi)限位開關(guān)閉合，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)后反轉(zhuǎn)，抓取機(jī)構(gòu)停止并后退回拉距離s;

S7:停止。

最后，取下制作好的雙耳玻璃杯。如果發(fā)生意外情況，按動停止按鈕，就可緊急停車，裝置復(fù)位，避免造成事故。

3．3 調(diào)參模式

由于雙耳玻璃杯類型不同，實際操作時灼燒時間t和回拉距離s 也會不同，需要根據(jù)實際情況對操作裝置進(jìn)行調(diào)參。為了簡化裝置，本研究在利用已有元件基礎(chǔ)上，增加LCD，開發(fā)了調(diào)參模式。開關(guān)置于調(diào)參檔，具體操作如下:

(1)移動滑塊至灼燒位置，光電開關(guān)閉合，進(jìn)入灼燒時間t 的調(diào)整，分別按加按鈕和減按鈕，調(diào)整時間t的長短;

(2)移動滑塊至粘結(jié)位置，內(nèi)限位開關(guān)閉合，進(jìn)入回拉距離s 的調(diào)整，分別按加按鈕和減按鈕，調(diào)整距離s 的大小。

此外，本研究使用Arduino 的EEPROM 功能，調(diào)參后將數(shù)據(jù)存入EEPROM，可以防止斷電后數(shù)據(jù)丟失。

4 實驗及結(jié)果分析

本研究根據(jù)設(shè)計，加工完成了雙耳玻璃杯自動貼耳裝置，其主控箱如圖6 所示。外殼嵌有液晶顯示屏和運行/調(diào)參開關(guān)，內(nèi)部有主控電路板，電動推桿驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。

圖6 主控箱圖

實驗測試時，設(shè)置灼燒時間t 為5 s，回拉距離s 為3 mm，測得完成1 個雙耳玻璃杯貼耳工序平均需要約20 s，且一個工人可同時操作2 臺裝置。而傳統(tǒng)的純手工操作，一個工人完成1 個雙耳玻璃杯貼耳工序平均需要約30 s。相比較，生產(chǎn)效率增加了2 倍，大大節(jié)約了人力。

5 結(jié)束語

本研究研制的雙耳玻璃杯自動貼耳裝置有運行和調(diào)參兩種工作模式，能夠自動完成貼耳工序，可根據(jù)雙耳玻璃杯不同類型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。實驗測試得到，自動完成雙耳玻璃杯貼耳工序的平均時間約為20 s，生產(chǎn)效率增加了2 倍。投入實際生產(chǎn)中，可有效改善工作環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約人力，從而降低生產(chǎn)成本，便于大規(guī)模生產(chǎn)和家庭作坊式經(jīng)營。

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