圓柱形零件高度自動檢測系統設計

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 (湖北工業大學機械學院,湖北 武漢 430068)

目前,市場對工程機械產品要求的多樣化導致了各種零件材料及結構的多元化,最終導致了各種零件結構趨于復雜多樣化。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。傳統的檢測系統定位難、控制難、調節不及時、控制精度差,已無法適應生產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拍連續獲取零件的高度尺寸,并做出合格與不合格判斷,從而實現對零件外徑尺寸的多方位、快速、動態、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生局部變形而影響測量值的實際讀數;由于探頭觸發機構的慣性及時間延遲而使探頭產生超越現象,從而產生動態誤差[1]。

圖1 高度自動檢測系統結構框圖

為了得到高精度讀數,筆者設計的圓柱形零件高度自動檢測系統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 測量系統硬件設計

根據圓柱形零件高度自動檢測系統設計要求,該系統結構設計方案如圖1所示,其具體構成如下。

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果,提供人機交互界面;PC機與AT89S52單片機實時通訊,進行數據統計和上位機的監控。

在圓柱形零件高度自動檢測系統中,被測樣品為裝配線上的零件。零件高度經位移傳感器測量之后變為電壓信號,經過AD轉換之后,將電壓信號變為數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,并讀取其結果后轉換為軸承的高度值送給LCD顯示,再由串口向外發送。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 系統軟件設計

圓柱形零件高度自動檢測系統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初始化和系統標定子程序;②A/D轉換子程序;③數據處理子程序。

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數據采集部分采用MAX176芯片,其數據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A/D的時序圖,編寫A/D采集程序。為了使讀取結果正確,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 系統性能試驗

圓柱形零件高度自動檢測系統的誤差主要由AD轉換誤差、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]。為了對該系統的性能進行驗證,設計了靜態測量試驗和動態測量試驗,并允許靜態測量的最大絕對誤差為3μ m、動態測量的最大絕對誤差為0.1mm。

1)靜態試驗 將高度自動檢測系統安裝好之后,按操作要求對系統進行標定。保持測頭不動,每隔2min讀取1次高度值,每組讀取10次數據,如表1所示。由表1可知,靜態測量的最大絕對誤差為1.5μ m,符合設計要求。

2)動態試驗 將高度自動檢測系統安裝好之后,按操作要求對系統進行標定。每隔0.5s將測頭抬起再降下讀取1次高度值。每組讀取10次數據,如表2所示。由表2可知,動態測量的最大絕對誤差為4.5μ m,符合設計要求。

經上述試驗,表明該測量系統的運動誤差非常小,測量精度較高。

表1 靜態測量數據記錄

表2 靜態測量數據記錄

5 結 語

經過嚴格的誤差分析和試驗驗證,表明該測量系統符合設計要求,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個計數器輸入等,可以接入更多的開關量信號,比如控制生產線的節奏、檢測軸承的位置等,因而具有較大的擴展潛力。

[1]李建國,趙龍.基于BP網絡預測高速銑削加工簙鋁制件尺寸誤差的動態分布[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動態測量研究[J].電子測量技術,2009,(12):99～101.