基于STM32的螺母自動檢測分選機設(shè)計

張靜雅，羅昱文，符茂勝

汽車緊固件廣泛應(yīng)用于汽車裝配中，作為汽車緊固件[1]的螺母其尺寸至關(guān)重要，尺寸越準(zhǔn)確，連接的傳動件運動越精密，傳遞精度越高，于是對螺距、厚度、垂直度、中徑等參數(shù)均有嚴(yán)格要求。目前國內(nèi)外對于汽車緊固件的檢測手法眾多，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]；千分尺過度依靠人工，誤差大且易出現(xiàn)錯誤；工具顯微鏡雖然讀數(shù)準(zhǔn)確但檢測緩慢大多用于實驗室測量；激光法成本過高。本文介紹一款基于STM32的螺母自動檢測和分選系統(tǒng)，同時實現(xiàn)螺母厚度和中徑的準(zhǔn)確測量，并將測量數(shù)據(jù)通過DGUS屏顯示，便于讀取，檢測完成后可實現(xiàn)合格品和次品的分選操作，系統(tǒng)配備一套完善的機械和氣動系統(tǒng)，保證檢測和分選自動化[4]。

1 設(shè)計方案

1.1 器件選型

分選機采用STM32F103xzet6單片機[5]進(jìn)行各部分控制，閥門控制氣路帶動各個氣缸運動，使螺母依次進(jìn)入測量區(qū)域，測量螺母中徑和厚度，完成測量后將合格品和次品分開。

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)計精度的要求，選用2個量程為5mm的電阻式精密位移傳感器[6]分別測量中徑和厚度，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)檢測手段相比較，該系統(tǒng)具有檢測精度較高這一優(yōu)勢。

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

1.2 分選機工作流程

分選機的機械部分如圖1所示。

圖1 機械機構(gòu)圖

單片機向F4口寫“0”，光耦通過電信號、光信號、電信號的兩步轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)三極管Q12導(dǎo)通，此時M4端口電壓為低電平"0"，閥門導(dǎo)通。反之F4口接收“1”信號，閥門關(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端口信號不定時閥門誤導(dǎo)通。

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

本系統(tǒng)通過二位三通的電磁閥控制氣路開閉，為了保證氣壓的穩(wěn)定，加入壓力開關(guān)，當(dāng)氣壓偏離要求值時壓力開關(guān)關(guān)閉，氣路不通，由于壓力開關(guān)的加入保證了整個氣路壓力在要求的范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)推不動氣缸或者氣壓過大而損壞氣缸的情況。氣路被二位三通電磁閥分為五支，控制五個氣缸運動，五個二位五通電磁閥分別控制支氣路通斷，加入調(diào)壓過濾器調(diào)節(jié)壓力、過濾氣體，使用速度調(diào)節(jié)閥維持氣缸穩(wěn)定運行。

2 機械和氣動機構(gòu)設(shè)計原理

2.1 機械系統(tǒng)設(shè)計原理

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

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

2.2 氣動機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計原理

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

超聲檢查、CT檢查及MRI檢查用于瘢痕妊娠合并子宮動靜脈瘺中檢出率無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；超聲檢查、CT檢查及MRI聯(lián)合檢測檢出率，高于單一超聲檢查、CT檢查及MRI檢查（P＜0.05），見表1。

3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 硬件總體設(shè)計

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，通過單片機對閥門的控制實現(xiàn)對整個氣動系統(tǒng)的監(jiān)控，從而保證氣缸合理運動，依靠位置判斷模塊和磁性開關(guān)判斷氣缸運動位置，將位移傳感器采集的數(shù)據(jù)送入單片機，STM32單片機自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，系統(tǒng)無需另加模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后送入DGUS屏進(jìn)行顯示[11]，并接收DGUS屏發(fā)出的控制指令，可通過DGUS屏輸入合格品上下限或者調(diào)用上下限的存儲值、以及發(fā)出開始檢測和終止檢測指令，為了保證操作者安全，加入安全光幕，當(dāng)檢測過程中有物體進(jìn)入危險區(qū)域時，安全光幕采集危險信號送入單片機中，單片機進(jìn)行報警操作，包括蜂鳴報警和終止系統(tǒng)運動。

3.2 信號預(yù)處理模塊

系統(tǒng)采用RID-125-1224雙路開關(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AD參考電壓為3V，傳感器輸出信號與AD匹配無需分壓，但必須采用電壓跟隨器作為緩沖、隔離級，防止信號被前級輸出電阻損耗[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)計需要。信號預(yù)處理模塊如圖3所示，SENSOR1和SENSOR2分別為中徑和厚度信號。

圖3 信號預(yù)處理模塊電路圖

3.3 閥門控制模塊

設(shè)計中包含閥門控制模塊，如圖4所示，閥門控制氣路通斷，實現(xiàn)對氣缸的控制。氣動閥門的通斷由電磁線圈控制，為了防止反向電動勢影響單片機，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，無法驅(qū)動電磁閥，因此加入NPN型三極管，利用三極管電流放大作用，其型號為BC639-16，TLP521先驅(qū)動三極管從而控制閥門動作。

圖4 閥門控制模塊電路圖

下面對分選流程進(jìn)行簡單描述：推板被氣缸1向前推出將螺母推入檢測區(qū)域中；螺母進(jìn)入待測區(qū)域后，導(dǎo)致上方的傳感器1測頭壓縮，提取傳感器1的測量數(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，通過比較測量法便可得出被測螺母厚度；氣缸2在氣路的作用下下移， 氣缸3伸入被測件的孔內(nèi)，為測量中徑做好準(zhǔn)備，氣缸3張開至與螺母內(nèi)壁貼合，導(dǎo)致右側(cè)傳感器2測頭壓縮，將輸出數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)件測量值比較，得出被測件中徑值。若中徑、厚度均合格，判定為合格品，在下一個被測件推入測量區(qū)域時，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)運動，將次品通道打開，次品落入底部廢品槽中，完成整個測量和分選工作。

某日幾位男同事閑聊，不知怎么說到了私房錢，眾人正在感慨無論怎樣都會被老婆發(fā)現(xiàn)時，小輝默默地說：“我都存銀行?！北娙藛枺骸澳谴嬲刍蚩兀俊彼┖褚恍Γ骸盁艋驓У簦玫臅r候再拿身份證到銀行去補?！?/p>

3.3 位置判斷模塊

系統(tǒng)上電后，完成整個系統(tǒng)初始化，此時氣缸自復(fù)位，各氣缸均回到初始位置，通過DGUS屏確定合格品上下限值，通過單片機發(fā)送指令進(jìn)行螺母檢測，測量值送入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。光幕檢測模塊存在于測量每一步過程中，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個兩線制接近開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5，若氣缸運動到S1附近時，接近開關(guān)和Q8均接通，W1-1發(fā)出0信號；相反的當(dāng)氣缸沒有運動到位時，Q8截止，W1-1發(fā)出1信號。把W1-1的輸出送入單片機中，通過讀取此端口的信號，便可知道氣缸是否運動到位。同理3與4端、5與6端、7與8端、9與10端之間的接近開關(guān)也可對氣缸位置進(jìn)行判斷。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)流程設(shè)計

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)近平總書記指出： “中國革命歷史是最好的營養(yǎng)劑。多重溫我們黨領(lǐng)導(dǎo)人民進(jìn)行革命的偉大歷史，心中就會增添很多正能量?！焙嫌?24個愛國主義教育基地，24個國家紅色旅游經(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，抓住機遇，加快開放步伐，積極對接 “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”，助力湖南開放崛起。

設(shè)計中需要對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，選用接近開關(guān)進(jìn)行檢測。此模塊的電路圖如圖5所示：

雖然蔣介石有類似傳統(tǒng)圣賢的做派，希望通過親身垂范，影響屬下，但效果不彰。1932年底，蔣介石給陳誠的手諭，告以:“如稍有暇，應(yīng)將曾胡各全集及王陽明、戚繼光諸書再看一遍，則養(yǎng)氣斷事，必有長進(jìn)也。”對此，陳誠回復(fù)道:“雖讀戚王曾胡之書，實際只可供參考資取法而已。若須與往哲精神同游，無論在事實上所不可能，亦可不必。蓋勉力學(xué)之，終難避畫虎不成之譏也。職除受總理遺教之熏陶外，固無一事不以鈞座之意旨為意旨也。”?可見，陳誠對于蔣所提圣賢書并不認(rèn)同。陳誠是蔣黃埔的嫡系學(xué)生，尚且對領(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

AD采集程序流程如圖7所示。

圖7 AD采集程序流程

首先對ADC進(jìn)行初始化設(shè)置，對于螺母參數(shù)測量值連續(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單片機轉(zhuǎn)換速率最大為1Mhz，ADC時鐘頻率最大不能超過14Mhz，否則嚴(yán)重影響采樣準(zhǔn)確率。

進(jìn)行單次轉(zhuǎn)換時，ADC僅轉(zhuǎn)換一次，可通過將ADC_CR2的ADON位置位或外部觸發(fā)方式啟動單次轉(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使能會產(chǎn)生中斷。

5 實驗結(jié)果與分析

圖8為螺母自動檢測分選機的實物結(jié)構(gòu)圖，機械、氣動、硬件、軟件部分均裝載完畢，可以進(jìn)行測量。

圖8 分選機實物圖

為了檢測系統(tǒng)工作是否穩(wěn)定可靠，對已知厚度為5.03mm，中徑為32.52mm的標(biāo)準(zhǔn)螺母進(jìn)行1000次測量，厚度數(shù)據(jù)波動范圍為5.01mm至5.05mm之間，中徑測量值出現(xiàn)一個錯誤數(shù)據(jù)：30.15 mm，其他值均在32.50mm至32.54mm之間，對中徑的錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此錯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，此類錯誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)率小于萬分之一，經(jīng)檢測此系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

6 總結(jié)

設(shè)計一款基于STM32的螺母自動檢測分選機系統(tǒng)，使用比較測量法實現(xiàn)厚度、中徑測量，并可進(jìn)行分選操作，測試表明本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，錯誤率低于萬分之一，且精度滿足設(shè)計要求，本產(chǎn)品已投入企業(yè)實際生產(chǎn)檢測，其上料過程的全自動化仍在研發(fā)中。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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