新型汽車鑰匙齒形碼打標設備的研發

倪 崢

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009)

0 引言

激光打標機用于標刻，是用激光束在物質的表面打上永久的標記，顯出所需刻的圖案、文字。汽車鑰匙齒形打標系統是在汽車鑰匙上，用激光打標機在鑰匙上的刻上齒形碼。因此，研制汽車鑰匙齒形碼打標系統，需要完成兩項基本任務:①采用適當的機械結構設計和控制系統設計，系統能夠準確地完成鑰匙齒形碼的自動獲取;②系統控制激光打標機完成鑰匙齒形碼的打標。

鑰匙齒形碼獲取的關鍵是準確地測量鑰匙的齒形高度，通常采用的是直接測量法。直接測量法是從鑰匙的齒形上直接得到有關的高度。直接測量法包括圖像處理法和高度測量法。圖像處理法是用攝像機拍下待識別鑰匙的全部齒形，然后對圖像進行處理，得到相應位置的齒形高度。高度測量法是利用傳感器直接讀取鑰匙的高度［1-2］。委托開發打標系統的企業，以前采用的正是這兩種方法來獲取齒形的高度。圖像處理法對夾具設計的要求低，但現場使用情況表明，該法易受圖像質量和處理方法的影響，有時得到的齒形高度會產生較大誤差，導致出現錯誤的齒形碼。高度測量法對夾具設計的要求較高，夾具尺寸較大，并且通常不同的鑰匙需設計不同的夾具，夾具不具備通用性，獲取不同鑰匙齒形碼時需更換夾具［1］。不直接讀取鑰匙的高度，而是用其他參數的測量代替鑰匙高度的測量，再經換算得到齒形高度的方法，可稱之為間接測量法。

通過合理的夾具設計，采用間接測量法測量鑰匙的高度，進而獲得齒形碼，可使設備適用于多種鑰匙齒形碼的識別和打標，擴大了設備的適用范圍，并提高了系統識別齒形碼的準確性。同時，設備采用多線程技術進行控制可提高其生產效率。

1 設備主要組成

圖1 為識別鑰匙齒形碼的機械部分示意圖。

圖1 識別齒形碼的機械部分示意圖

電機通過絲杠帶動夾具在導軌上移動。在鑰匙或夾具的兩側，分別放置了激光位移傳感器發射器和接收器。當放有鑰匙的夾具移動到發射器和接收器之間時，接收器接收到的光會發生變化，傳感器將其轉化為電壓值，從而得到高度信息。

設備控制系統組成及工作原理圖如圖2 所示。

圖2 控制系統工作原理

2 組合夾具設計及其測量原理

為了使設備可以適應于不同齒厚、齒距、齒形數量(齒數)的鑰匙，設計了圖3 所示的組合夾具。

圖3 適用于多種鑰匙的組合夾具

同一夾具，如圖3 中的夾具1，可以適用于具有相同齒厚、齒距的鑰匙(齒數可以不同，但不能超過最大的齒數值)。圖3 是根據需要打標的16 種鑰匙，經過整理歸納，設計的包括7 種夾具的組合夾具。

使用某夾具識別鑰匙齒形時，如圖3 所示的1 號夾具，在插入鑰匙之前，應擰緊該夾具下的調整螺釘，托板頂起檢測片，并用夾具內的彈簧壓緊檢測片。對不使用的夾具，因調整螺釘未擰緊，鑰匙無法插入到這些夾具中，防止誤操作的可能性。

由圖3 可見，當鑰匙插入夾具孔時，由于鑰匙在各個位置高度的不同，導致各個位置檢測片的上表面距離夾具體上表面的距離也不同。

圖4 為利用單個夾具，測量齒形高度的原理示意圖。在擰緊調整螺釘后，鑰匙未插入夾具孔前，所有檢測片露出夾具體上表面的高度均為h2。鑰匙插入后，鑰匙把檢測片頂起，檢測片露出夾具體上表面的高度為h2+ h0。由于夾具內彈簧的作用，檢測片會壓緊鑰匙，從而保證了測量的可靠性。拔出鑰匙后，檢測片因彈簧的作用，會恢復到高度h2。通過測量檢測片被頂起的高度變化值h0，可間接測量出鑰匙在不同位置的齒形高度。

圖4 單個夾具測量高度原理示意圖

圖4 中，h1和h2為設計尺寸，h為鑰匙插入后，鑰匙齒形在夾具孔中心線以上的高度。

因為夾具孔中心線的位置不會改變，所以根據圖4，可得到以下關系式

因此，在測得h0后，h可按下式計算

由于鑰匙中心線的位置也不會改變，于是得計算鑰匙齒形真實高度H的公式為

雖然對不同的夾具孔，設計值h1和h2有所不同，但是對同一夾具孔，設計值h1和h2都相同，而且中心線的位置也是固定的。因此，對鑰匙不同位置的齒形識別，測得的不同h0，反映的就是不同的齒形高度。實際測量時，h0為激光傳感器在插入鑰匙之后測得的高度值和插入鑰匙之前測得的高度值之差，而通過合理的結構設計，保證了插入鑰匙之前測得的高度值是一個定值，理論上所有的檢測片都一樣。若因加工和裝配的關系，導致在實際測量時有誤差，則可用設備軟件中，基本參數中的齒高補償進行調整。

3 設備軟件

設備軟件主要分為三個模塊:自動操作、手動操作和參數設定。圖5 為參數設定模塊界面中的鑰匙基本信息(鑰匙信息)設定界面。

圖5 參數設定界面

參數設定包括鑰匙信息、齒距參數、齒高參數、基本參數、用戶信息和通訊信息。點擊觸摸屏上相應的位置就可以輸入、保存和刪除相關的信息。這些信息都保存在數據庫中。

手動操作主要用于設備的調試，可以單步監控電機的位置、傳感器參數的變化、通訊狀態、檢測片高度、齒形高度、齒形代號、打標狀態、故障信息等。

進入自動操作部分后的界面如圖6 所示。

圖6 自動操作界面

設備根據所選擇的鑰匙圖紙號，從數據庫中提取數據，提示操作者鑰匙應插入的夾具孔，以防止出錯。啟動按鈕就可進行齒形碼測定。確定各位置齒號時，首先，設備通過控制，將夾具體移動到測量位置，通過激光傳感器獲得檢測片在測量位置的高度變化h0。然后，經公式(2)換算，獲得鑰匙齒形的真實高度H。最后，將H與數據庫中相應鑰匙的各種齒形高度變化范圍比較，獲得鑰匙在各位置的齒號。齒號用阿拉伯數字表示，如有4 種齒形(即齒高)，則齒號是阿拉伯數字1、2、3 和4 中之一。不同鑰匙(圖紙號不同)的齒距參數、齒高參數及其上下偏差、齒號的編號規則等由廠家提供，系統將其保存到數據庫，供需要時調用。各位置齒號測定的過程如圖7 所示。

圖7 齒號測定過程示意圖

將鑰匙的齒形代號l(l=1～n，n為齒形種類)，按照編碼規則編碼，獲得m位阿拉伯數字組成鑰匙的齒形碼(m為齒數)。編碼規則根據企業的要求，按從鑰匙的根部到其頂部的順序編碼。測得的齒形碼(齒號)顯示在界面中。必要時，用戶可以根據顯示的齒形碼，校核測得的齒形碼是否正確。

點擊“激光打碼”處，就可以進行齒形碼打標。上位機與激光打標機之間采用RS232-C 協議進行串口通訊，傳輸控制指令和相關的打標信息。打標指令的發送格式由激光打標機生產廠家提供。

在啟動按鈕進行鑰匙齒形碼識別的同時，可以點擊“激光打碼”，進行前一個鑰匙齒形碼的打標。設備采用了多線程技術，因此能夠及時地對用戶的操作——齒形碼識別和齒形碼打標，做出響應。在同時進行這兩種操作時，設備均勻分配CPU 處理時間，且在各個線程中輪換執行，實現并行執行的效果。設備采用齒形碼識別和打標并行的方式，主要考慮的是效率問題。通過實際使用情況來看，齒形碼的識別和打標所需時間都約為3s。采用并行方式，則設備完成打標任務的時間約為3s;而采用串行方式，即完成鑰匙齒形碼的識別后，再順序進行該鑰匙齒形碼的打標，則設備完成打標任務的時間約為6s，效率低。

為保證齒形碼的識別和打標能夠并行執行，設備需保存獲得的齒形碼。在完成第一個鑰匙齒形碼的識別并保存后，就可并行完成一個鑰匙齒形碼的識別和前一個鑰匙齒形碼(已保存)的打標。但是，同時保存的齒形碼過多，極易導致操作員操作失誤，出現打在鑰匙上的齒形碼與其真正的齒形碼不一致的情況。根據操作員的實際操作過程，為避免這類錯誤的出現，特制定了以下規則:設備臨時保存的、供打標用的齒形碼最多保存兩個;打標完成后臨時保存的齒形碼自動刪除。在進行齒形碼識別時，若保存的齒形碼超過了兩個，則設備會提示放棄本次讀號(見圖6)。

已完成打標的齒形碼、操作者、操作時間、圖紙號等信息永久保存在相應鑰匙的文件中，供需要時查閱。任何情況下，臨時保存的齒形碼關機時則自動清零。

4 結論

設備使用表明，采用間接測量法，通過測量檢測片的高度來獲取鑰匙的齒形高度，齒高測量的準確性得到了大大的提高，幾乎不會出現錯誤的齒形碼。間接測量法所需的夾具尺寸小，因此可通過設計適用于多種鑰匙的組合夾具，擴大設備的應用范圍。組合夾具的使用，避免了識別不同鑰匙齒形時更換夾具，不需要更多的生產輔助準備時間。多線程技術的使用，保證了齒形碼識別和打標可并行完成，提高了設備的生產效率。

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