汽車三孔喇叭開關(guān)性能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

唐方紅，朱飛虎

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808）

關(guān)鍵字：喇叭開關(guān)；壓力測(cè)試；機(jī)器視覺(jué)；WebService；激光打標(biāo)

0 引言

汽車三孔喇叭開關(guān)是安裝在汽車方向盤組件中的一個(gè)重要器件，其由上下塑膠件、彈簧、鎖定墊片、鉚釘和接觸片等構(gòu)成，如圖1所示。當(dāng)汽車駕駛員按下方向盤任意位置，方向盤按下喇叭開關(guān)克服彈簧力而上下件接觸，通過(guò)兩端接觸片而與外界電路接通。隨著汽車發(fā)展，對(duì)三孔喇叭開關(guān)提出了更高的要求，如舒適度、可靠性等。對(duì)具體產(chǎn)品要求而言，則是測(cè)試彈簧受壓過(guò)程中的壓力曲線，接通瞬時(shí)壓力及測(cè)試行程。

目前汽車三孔喇叭開關(guān)測(cè)試工藝主要是人工檢測(cè)，其效果不理想，效率低。本文提出一種三孔喇叭開關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)對(duì)產(chǎn)品裝配缺陷、產(chǎn)品性能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與生產(chǎn)批號(hào)、線別、日期、操作員工號(hào)等數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接，存入數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)產(chǎn)品系列號(hào)可查詢到各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可有效解決制造企業(yè)在對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理的難題，使企業(yè)更輕松地管理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)制程、產(chǎn)品質(zhì)量追溯和有效管理。目前已經(jīng)成功應(yīng)用推廣。

圖1 三孔喇叭外觀圖Fig.1 Three holes horn appearance figure

1 設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

三孔喇叭自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：產(chǎn)品的裝配缺陷檢測(cè)、三個(gè)孔位的壓力曲線測(cè)試和接通時(shí)的壓力及測(cè)試行程、檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳遠(yuǎn)程服務(wù)器、獲取系列號(hào)及激光打標(biāo)。其中硬件功能為裝配缺陷檢測(cè)、壓力測(cè)試和激光打標(biāo)。因此設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)分為視覺(jué)檢測(cè)工位，壓力檢測(cè)工位，激光打標(biāo)工位。由于設(shè)備為單人操作，由人工完成上下料，因此設(shè)備采用四工位圓盤結(jié)構(gòu)，依次對(duì)應(yīng)上下料工位、視覺(jué)檢測(cè)工位、壓力測(cè)試工位、激光打標(biāo)工位。圓盤由感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪分割器帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一次則圓盤旋轉(zhuǎn)90°，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品移動(dòng)一個(gè)工位。設(shè)備外形結(jié)構(gòu)圖如圖2（a）所示。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Equipment structure chart

視覺(jué)檢測(cè)工位主要完成產(chǎn)品的裝配缺陷檢測(cè)。因?yàn)楫a(chǎn)品為人工裝配，其零件除了上下塑膠件之外，還包含接觸片、鎖定墊片、鉚釘、彈簧等。彈簧藏在上下塑膠件之間，可以通過(guò)壓力測(cè)試工位檢測(cè)是否漏裝或裝配不良，而接觸片、鎖定墊片及鉚釘?shù)染枰ㄟ^(guò)視覺(jué)檢測(cè)以判別其是否漏裝、裝錯(cuò)及位置錯(cuò)誤。視覺(jué)檢測(cè)工位主要由兩套機(jī)器視覺(jué)裝置構(gòu)成，每套均包含工業(yè)相機(jī)、鏡頭和光源等。

壓力測(cè)試工位主要完成產(chǎn)品的三個(gè)孔位的壓力測(cè)試。從圖1產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)上可以看出，產(chǎn)品的三個(gè)孔位均裝有一個(gè)彈簧，平時(shí)在彈簧的作用下上下件分離。當(dāng)外力作用在孔位上時(shí)，彈簧受壓縮短而上下件的接觸部位逐漸接近，當(dāng)最終接觸時(shí)通過(guò)上下接觸片與外界電路導(dǎo)通。在設(shè)計(jì)任務(wù)中要求測(cè)試彈簧受壓過(guò)程中的壓力曲線，接通瞬時(shí)壓力及測(cè)試行程，可知設(shè)計(jì)所求即為壓力與行程的關(guān)系。在壓力測(cè)試工位配置了三套壓力測(cè)試裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。具體結(jié)構(gòu)為直線步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)壓力傳感器壓測(cè)產(chǎn)品。直線步進(jìn)電機(jī)是傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的一種變種電機(jī)，與傳動(dòng)步進(jìn)電機(jī)需要通過(guò)聯(lián)軸器、齒輪等驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)不同的是，直線步進(jìn)電機(jī)直接將轉(zhuǎn)子與絲桿做成一體化，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置的情況下直接使用直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精密的線性運(yùn)動(dòng)[1]。

激光打標(biāo)工位結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，則不再詳述。

2 設(shè)備控制系統(tǒng)

從上述系統(tǒng)功能要求可知整個(gè)系統(tǒng)包含主控PC、工業(yè)相機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字ΙO卡、數(shù)據(jù)采集卡、壓力傳感器、激光打標(biāo)機(jī)及遠(yuǎn)程服務(wù)器等。系統(tǒng)采用工業(yè)PC作為主控裝置，通過(guò)工業(yè)相機(jī)采集圖像，運(yùn)動(dòng)控制卡控制步進(jìn)電機(jī)，數(shù)字ΙO卡控制氣缸，數(shù)據(jù)采集卡采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，與激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行串口通信及遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)交互[2]。設(shè)備控制框圖如圖3所示。

3 設(shè)備數(shù)據(jù)采集

圖3 設(shè)備控制框圖Fig.3 The device control diagram

從前述可知，系統(tǒng)需要分時(shí)采集三路壓力傳感器信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用了一款S型壓力傳感器[3]，量程為0～100 N，非線性誤差0.02%FS，信號(hào)變送器輸出電壓0～10 V。在確認(rèn)好壓力傳感器后，再選擇數(shù)據(jù)采集卡[4]。數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析，處理。數(shù)據(jù)采集卡，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以通過(guò) USB、PXΙ、PCΙ、PCΙ Express、火線(ΙEEE1394)、PCMCΙA、ΙSA、Compact Flash、485、232、以太網(wǎng)、各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[5]等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。USB總線由于支持即插即用，傳輸速度快，攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，成為數(shù)據(jù)采集卡的發(fā)展方向。USB數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡通過(guò)USB接口或USB總線，將從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào)，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行分析和處理。在本系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用北京阿爾泰公司的USB3200數(shù)據(jù)采集卡。該卡提供8路單端模擬信號(hào)輸入，12位ADC轉(zhuǎn)換精度，4路可編程ΙO和1路計(jì)數(shù)器，輸入量程±10 V、±5 V和0～10 V，單通道采樣率可到500 Κs/s,其中8路單端模擬信號(hào)(RSENRSE)輸入可轉(zhuǎn)換為4路差分模擬量(DΙFF)輸入[6]。

在軟件開始時(shí)需要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集卡初始化代碼[6]，如下所示：

從設(shè)計(jì)任務(wù)中可知，系統(tǒng)主要要求能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試壓力與行程關(guān)系，因此系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)線程，在該線程中持續(xù)進(jìn)行各軸壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集。主要代碼如下所示：

獲取彈簧受壓過(guò)程中的壓力曲線[8]，接通瞬時(shí)壓力及測(cè)試行程，通過(guò)以下算法思想來(lái)實(shí)現(xiàn)：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)壓力傳感器下降進(jìn)行壓力測(cè)試，在過(guò)程中實(shí)時(shí)讀取步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量以獲取當(dāng)前位置，每0.001 mm則讀取一次壓力數(shù)據(jù)，保存到數(shù)據(jù)鏈表，同時(shí)進(jìn)行壓力判別，如果壓力大于一定值則降低步進(jìn)電機(jī)下行速度，當(dāng)壓力大于上限或捕獲到接通信號(hào)則停止。然后軟件對(duì)鏈表數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[9]，當(dāng)壓力上升起點(diǎn)則說(shuō)明壓力傳感器在該位置接觸產(chǎn)品即為行程起點(diǎn)，當(dāng)捕獲到接通信號(hào)時(shí)即為行程終點(diǎn)，該點(diǎn)壓力即為接通壓力，而起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的壓力與行程關(guān)系即為壓力曲線。

4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互

由于品質(zhì)追溯要求及操作管制，設(shè)備其操作需要與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)工廠管理人員需要通過(guò)服務(wù)器實(shí)時(shí)了解自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。設(shè)備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互主要任務(wù)有：設(shè)備操作員身份確認(rèn)、設(shè)備序號(hào)確認(rèn)、生產(chǎn)批號(hào)和檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳、當(dāng)前產(chǎn)品系列號(hào)生成及其他相關(guān)數(shù)據(jù)鏈接等。在傳統(tǒng)方式對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)操作一般采用PHP、JSON，或者利用Microsoft Jet數(shù)據(jù)庫(kù)引擎[10]和數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象DAO，但目前生產(chǎn)企業(yè)為了自身數(shù)據(jù)的安全性及通用性，一般不允許直接對(duì)其服務(wù)器數(shù)據(jù)操作，本系統(tǒng)采用WebService技術(shù)與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互。

WebServic是一種遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)用技術(shù)，可以跨編程語(yǔ)言和跨操作系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行，采用HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)和XML格式封裝數(shù)據(jù)。WebService開發(fā)包含服務(wù)端開發(fā)和客戶端開發(fā)兩種，對(duì)本設(shè)備而言是進(jìn)行客戶端開發(fā)?？蛻舳艘{(diào)用一個(gè)WebService服務(wù)，首先要有知道該服務(wù)的地址以及服務(wù)中的方法，因此，WebService服務(wù)器端要通過(guò)一個(gè)WSDL文件來(lái)對(duì)其說(shuō)明，該文件是一個(gè)基于XML的語(yǔ)言，用于描述Web Service及其函數(shù)、參數(shù)和返回值。用于說(shuō)明提供服務(wù)的地址、服務(wù)的種類，服務(wù)的內(nèi)容（服務(wù)的方法、參數(shù)、返回值等）等。

本系統(tǒng)開發(fā)時(shí)在VB.net2008開發(fā)環(huán)境下打開程序，再點(diǎn)擊項(xiàng)目，添加服務(wù)引用，在地址欄中輸入WebService地址，在本文中該地址為http://172.200.15.131:131/ Tester.WebService/WebService.asmx，點(diǎn)擊前往按鈕，在服務(wù)欄中即出現(xiàn)該地址所提供的各項(xiàng)服務(wù)，將其命名空間輸入TestWebService，點(diǎn)擊確定按鈕，完成服務(wù)引用。然后在程序中建立一個(gè)WebService實(shí)例，在軟件代碼中就可以開始調(diào)用WebService的各項(xiàng)服務(wù)了。

本系統(tǒng)在軟件啟動(dòng)后先通過(guò)WebService進(jìn)行操作身份驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證后才能進(jìn)行正常操作。在進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行前需要輸入生產(chǎn)批號(hào)等數(shù)據(jù)，每檢測(cè)一個(gè)產(chǎn)品，如果該產(chǎn)品為良品則將檢測(cè)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)批號(hào)、設(shè)備序號(hào)等上傳服務(wù)器，服務(wù)器在存儲(chǔ)該組數(shù)據(jù)后則返回一個(gè)系列號(hào)，系統(tǒng)收到該系統(tǒng)號(hào)時(shí)，在對(duì)應(yīng)產(chǎn)品到達(dá)激光打標(biāo)工位時(shí)傳輸給激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行激光打標(biāo)。

5 結(jié)論

在本文中設(shè)計(jì)了一種三孔喇叭開關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)對(duì)產(chǎn)品裝配缺陷、產(chǎn)品性能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接，通過(guò)WebService與遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。經(jīng)過(guò)近一年的不停機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，設(shè)備性能穩(wěn)定，效果良好。目前已得到各三孔喇叭生產(chǎn)企業(yè)推廣，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。