基于AVR單片機(jī)的輪胎模具內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)

丁進(jìn)軍，李 欣

（中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

輪胎模具用于成型輪胎，其加工質(zhì)量對(duì)輪胎的生產(chǎn)非常重要。為了生產(chǎn)出好的輪胎，必須對(duì)輪胎模具加工質(zhì)量提出高的要求。傳統(tǒng)的加工質(zhì)量檢測(cè)法主要是靠百分表，人為采集數(shù)據(jù)后分析得出加工質(zhì)量報(bào)告。這種辦法的局限性是需要操作者有一定的工作經(jīng)驗(yàn)，而且取樣過(guò)程人為控制，精度受到一定影響。近幾年來(lái)，輪胎模具工業(yè)隨著輪胎的大量需求而得到了快速發(fā)展[1]，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。光柵尺是一種數(shù)字位移測(cè)量設(shè)備，測(cè)量范圍可達(dá)幾十米，測(cè)量精確在微米級(jí)；激光測(cè)距儀是一種非接觸測(cè)量設(shè)備[2]，可以對(duì)不規(guī)則表面的目標(biāo)位移進(jìn)行測(cè)量，但是測(cè)量距離較小。將大范圍的光柵尺和非接觸測(cè)量的激光測(cè)距儀結(jié)合起來(lái)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不規(guī)則面的目標(biāo)距離進(jìn)行測(cè)量[3]。將光柵尺讀頭與激光測(cè)距儀固定在機(jī)械橫梁上，運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)控制橫梁的運(yùn)動(dòng)，分別對(duì)模具不同層面的內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量。

系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)和光柵尺數(shù)據(jù)讀取，通過(guò)接收上位機(jī)的控制命令，AVR單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，數(shù)顯表數(shù)據(jù)和激光控制器位移數(shù)據(jù)自動(dòng)經(jīng)串口發(fā)送給上位機(jī)，從而完成對(duì)模具內(nèi)徑的自動(dòng)測(cè)量。

1 系統(tǒng)組成

基于AVR的輪胎內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)主要由AVR單片機(jī)、上位機(jī)、光柵尺、數(shù)顯表、激光測(cè)距儀、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、電子手輪、行程開(kāi)關(guān)等組成。其功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of system

單片機(jī)選用的是愛(ài)特梅爾公司的ATmega16[4]；上位機(jī)采用研華公司生產(chǎn)的ARK3360L工控機(jī)，它擁有多個(gè)RS232接口；激光測(cè)距儀采用的是日本基恩士公司的LK-G85激光測(cè)距傳感器和LK-G3001V激光測(cè)距控制器，其分辨率為0.1 μm，測(cè)量范圍-15～+15 mm，測(cè)量距離為80 mm；光柵尺采用廣州諾信數(shù)字測(cè)控設(shè)備有限公司的KA300型系列光柵位移測(cè)量設(shè)備，讀數(shù)由其公司的SDS6型數(shù)顯表實(shí)現(xiàn)。最終的內(nèi)徑計(jì)算由上位機(jī)接收到激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)和光柵尺數(shù)據(jù)后完成。

2 系統(tǒng)功能分析

2.1 模具內(nèi)徑測(cè)量方法

輪胎模具置于靜止的工作平臺(tái)之上，旋轉(zhuǎn)測(cè)量平臺(tái)處于工作平臺(tái)的中心位置，在旋轉(zhuǎn)測(cè)量平臺(tái)上的橫梁和立柱可以沿徑向和垂直兩個(gè)方向移動(dòng)，激光感測(cè)頭置于測(cè)量橫梁上。根據(jù)輪胎模具的內(nèi)徑不同，沿徑向移動(dòng)測(cè)量橫梁，將激光感測(cè)頭移動(dòng)至測(cè)量范圍內(nèi)，即可測(cè)得激光感測(cè)頭至輪胎模具內(nèi)圓的距離，再通過(guò)利用光柵尺測(cè)量橫梁徑向移動(dòng)的距離，換算出輪胎模具的內(nèi)徑。通過(guò)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)測(cè)量平臺(tái)，就可以按照節(jié)距逐一測(cè)量輪胎模具內(nèi)徑，從而得到輪胎模具的圓度。將測(cè)量橫梁沿立柱垂直移動(dòng)，就可以測(cè)量輪胎模具不同垂向高度的內(nèi)徑，從而得到模具的圓錐度。

測(cè)量系統(tǒng)一共有3個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制測(cè)量設(shè)備沿3方向運(yùn)動(dòng)；兩把光柵尺讀取水平和垂直位移數(shù)據(jù)，還有激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)非接觸位移測(cè)量，其測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)量結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Measurement structure diagram

2.2 測(cè)量原理和功能實(shí)現(xiàn)

輪胎模具花紋塊剖面如圖3所示：花紋塊最上邊的是模具胎口[5]，其加工的誤差一般較小，選取作為基準(zhǔn)。設(shè)胎口離花紋塊中心線X1的距離為RT，把這個(gè)內(nèi)圈設(shè)定為基準(zhǔn)圈。輪胎模具內(nèi)徑測(cè)量是基于模具胎口半徑RT已知的前提下，由程序控制整個(gè)測(cè)量過(guò)程[6]。

圖3 測(cè)量原理圖Fig.3 Measurement schematic diagram

在保證待測(cè)模具的平面度和同心度狀態(tài)下，調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)和垂直位移電機(jī)，使得激光感測(cè)頭位于被測(cè)點(diǎn)上方的已知胎口直徑位置。調(diào)整水平位移電機(jī)，使得激光感測(cè)頭與胎口被測(cè)點(diǎn)的水平距離為80±0.5 mm，激光傳感器在這個(gè)距離下測(cè)量精度最高。

根據(jù)胎口半徑RT和胎口被測(cè)點(diǎn)的激光測(cè)距值、水平光柵尺讀數(shù)，可以得到如下等式：

其中，XL是激光測(cè)距值，XR是水平光柵尺讀數(shù)，這兩個(gè)值可以多次測(cè)量取平均，XS是系統(tǒng)裝配和放置待測(cè)模具時(shí)的固有值，即如圖設(shè)備中心X0離花紋圈中心X1的距離，相對(duì)于垂直方向的每個(gè)被測(cè)點(diǎn)而言，XS在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中是不變的，因此可以得到下式：

當(dāng)測(cè)量臂垂直移動(dòng)至待測(cè)模具被測(cè)點(diǎn)的垂直位置后，平移激光感測(cè)頭至距離被測(cè)點(diǎn)80±0.5 mm處，然后讀取被測(cè)點(diǎn)的激光測(cè)距值和水平光柵尺讀數(shù)則被測(cè)點(diǎn)的半徑滿(mǎn)足：

將式（2）代入式（3），得到被測(cè)點(diǎn)的半徑：

只要按照上述方法逐點(diǎn)測(cè)量和計(jì)算出各個(gè)被測(cè)點(diǎn)的直徑，就可以完成圓度測(cè)量了。

在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，由于要避開(kāi)模具的花紋，因而對(duì)測(cè)量點(diǎn)有一定的要求。使用ATmega16精確控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行可以找到待測(cè)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上加入手輪控制器微調(diào)步進(jìn)電機(jī)找到合適位置后再采集數(shù)據(jù)，這樣就可以對(duì)人為設(shè)定的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

2.3 設(shè)備的行程控制

在測(cè)量設(shè)備水平和垂直移動(dòng)極限位置處放置行程開(kāi)關(guān)來(lái)保證運(yùn)行安全，為了降低成本，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)盤(pán)的所有信號(hào)沒(méi)有采用電滑環(huán)而使用電纜直接連接。因此設(shè)備在旋轉(zhuǎn)時(shí)不能總是沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，否則會(huì)扭斷電纜。本設(shè)計(jì)中旋轉(zhuǎn)角度不超過(guò)360°，為了區(qū)分旋轉(zhuǎn)的0°和360°，在測(cè)量轉(zhuǎn)盤(pán)指定的位置處分別放置兩個(gè)并排的行程開(kāi)關(guān)。通過(guò)判斷這兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作的先后次序來(lái)確定旋轉(zhuǎn)的位置，然后決定可旋轉(zhuǎn)的方向。

3 單片機(jī)設(shè)計(jì)

主要思路：上位機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)量步驟的控制，通過(guò)發(fā)送命令使步進(jìn)電機(jī)沿設(shè)計(jì)思路正確測(cè)量數(shù)據(jù)。而在某些測(cè)量點(diǎn)上，需要人工干預(yù)時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪即可微調(diào)電機(jī)。而行程開(kāi)關(guān)可以限制機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，也可以用于復(fù)位設(shè)置。

3.1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)頻率成正比，步進(jìn)角度與脈沖數(shù)目成正比[7]。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，必須有升速、降速過(guò)程，升降速的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。如果設(shè)計(jì)不合適，將引起步進(jìn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)、失步、升降速過(guò)程慢等問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)升降速，用階梯型頻率變化來(lái)模擬頻率線性變化過(guò)程。如圖4所示。

圖4 脈沖頻率變化Fig.4 Frequency variation of impulse

步進(jìn)電機(jī)脈沖的產(chǎn)生由定時(shí)器1和定時(shí)器2實(shí)現(xiàn)，ATmega16控制器接收到上位機(jī)的命令后，首先獲取需要轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)命令打開(kāi)相應(yīng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能。控制程序中用定時(shí)器1控制二路脈沖輸出，定時(shí)器2控制一路脈沖輸出，從而完成3路電機(jī)的控制。

定時(shí)器2使用CTC模式，匹配中斷使能。通過(guò)匹配中斷，在OCR2端口可以輸出脈沖，通過(guò)設(shè)定寄存器OCR2寄存器的值可以改變輸出脈沖頻率。定時(shí)器1使用相位與頻率修正模式，在不同串口命令下分別設(shè)置ICR1、OCR1A和OCR1B寄存器的值并打開(kāi)不同的匹配中斷，從而可以分別在OC1A和OC1B端口輸出匹配脈沖[8]。其輸出頻率控制和定時(shí)器2原理一樣，只是還需要改變計(jì)數(shù)上限值ICR1。由于3路電機(jī)不同時(shí)運(yùn)動(dòng)，因此每次只有一個(gè)定時(shí)器處于打開(kāi)狀態(tài)，其余則需要關(guān)閉。

在程序運(yùn)行中，設(shè)置了一個(gè)全局變量保存電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)。在收到上位機(jī)的命令后，控制程序首先將該步數(shù)寫(xiě)入片內(nèi)EEPROM中再執(zhí)行。由于EEPROM數(shù)據(jù)掉電不丟失，因此系統(tǒng)掉電后復(fù)位時(shí)可以從EEPROM中取出數(shù)據(jù)然后執(zhí)行下一次操作。

3.2 手輪微調(diào)控制

手輪的作用主要是實(shí)現(xiàn)微調(diào)設(shè)備找到合適的測(cè)量點(diǎn)。電子手輪一共有兩路脈沖輸出，兩路脈沖相位差決定了手輪的旋轉(zhuǎn)方向。手輪的控制采用定時(shí)器0，使用計(jì)數(shù)模式。定時(shí)器0設(shè)置為CTC模式，上升沿觸發(fā)，OCR0為1，計(jì)數(shù)初始值為0，中斷使能。當(dāng)外部上升沿觸發(fā)時(shí)計(jì)數(shù)到1時(shí)觸發(fā)中斷，在中斷子程序里面根據(jù)手輪狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖輸出。

在手輪中斷子程序中，首先將計(jì)數(shù)器自動(dòng)清零等待下一個(gè)手輪脈沖。然后判斷正反信號(hào)和手輪檔位狀態(tài)，ATmega16根據(jù)狀態(tài)信息通過(guò)延時(shí)方法產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)。 手輪狀態(tài)共有 Z、Y、X 3 個(gè)方向，X1、X10、X100 3 個(gè)檔位。若手輪在X檔位則在相應(yīng)端口（該端口同時(shí)也是定時(shí)器脈沖輸出口）輸出一定數(shù)目的脈沖。改變延時(shí)的大小可以改變輸出頻率，但是由于延時(shí)輸出脈沖的最大頻率決定于晶振，因此輸出脈沖受到一定影響。延遲方法產(chǎn)生的脈沖不能精確控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度，但是可以用于微調(diào)。

手輪的正反信號(hào)通過(guò)D觸發(fā)器[9]來(lái)判斷。將手輪脈沖A作為CLK信號(hào)，脈沖B為CP信號(hào)，復(fù)位端和置位端接高電平。當(dāng)手輪正轉(zhuǎn)時(shí)脈沖A脈沖與脈沖B的相位差為正90度，D觸發(fā)器輸出高電平；若反轉(zhuǎn)A脈沖與B脈沖的相位差為負(fù)90度，輸出低電平[10]。

3.3 串口模塊

上位機(jī)和單片機(jī)主要采用UART異步通信，收發(fā)按字節(jié)處理。單片機(jī)接收上位機(jī)命令時(shí)采用UART查詢(xún)方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。其通信格式為：起始字+控制字節(jié)+步數(shù)+結(jié)束字，數(shù)據(jù)使用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼格式，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)接收格式Tab.1 Format of receiving data

設(shè)計(jì)過(guò)程中使用ICCAVR編譯器編寫(xiě)單片機(jī)控制程序，可以使用atoi函數(shù)將ASCII碼格式步數(shù)轉(zhuǎn)化為整型數(shù)據(jù)。

單片機(jī)對(duì)上位機(jī)通信主要是使用兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送手輪狀態(tài)信息和行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息。單片機(jī)在接收到查詢(xún)命令后，將兩字節(jié)狀態(tài)信息返回給上位機(jī)，每次執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)命令后也需要向上位機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息，將執(zhí)行結(jié)果返回給上位機(jī)。其定義如表2所示。

表2 串口發(fā)送格式Tab.2 Format of sending data

4 結(jié)束語(yǔ)

文中基于AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套輪胎模具內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)，可以接收電子手輪和上位機(jī)信息分時(shí)控制多路步進(jìn)電機(jī)并能控制光柵尺讀數(shù)。

該系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)過(guò)安裝后，選取標(biāo)準(zhǔn)鋼板作為測(cè)試目標(biāo)，在垂直方向選定若干個(gè)測(cè)試點(diǎn)，結(jié)果證明其測(cè)量誤差在2 μm以?xún)?nèi)。然后選取子午線輪胎模具作為測(cè)試目標(biāo)，與人工測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量誤差在4 μm以?xún)?nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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