堆垛機撥叉孔軸線位置度氣動測量裝置的設計

文/ 張榮榮 高錦輝 楊洪濤

堆垛機是立體倉庫中最重要的起重運輸設備之一，無錫中鼎集成技術有限公司在堆垛機變軌裝置上安裝有撥叉，阻擋器用于銜接直線軌道和彎線軌道，撥叉在電機控制下撥動阻擋器上的把手，將阻擋器推向一側，擋住堆垛機前進方向，從而實現變軌目的。其中，撥叉是機械傳動系統中的重要元件，用于控制齒輪位置實現變速或者控制離合器嚙合斷開實現橫、縱向進給。而撥叉孔軸線位置度的大小直接影響上述功能的實現，必須加以嚴格測量，判斷合格與否。

撥叉孔軸線位置度目前主要采用夾具定位體現基準，利用塞規測量其合格與否。但這種測量方法無法測出孔軸線位置度的誤差大小，也無法利用測量結果對撥叉質量進行分類，以及用于改進生產工藝，因此研究新的撥叉孔軸線位置度的測量裝置，精確測量位置度的誤差大小。目前，孔軸線位置度主要利用孔的各個截面中心點測量結果進行評定。而孔截面中心點高精度測量方法主要有：機械式測量、電動接觸測量法、三坐標測量法、光學測量法、電感、電容傳感法，氣動測量等，本文研究的撥叉孔表面和軸線位置度的精度高，根據工廠現有的條件，選用能夠實現非接觸高精度測量的氣動測量原理來設計測量系統，設計了其相應軟硬件，并進行了仿真實驗，可以實現孔軸線位置度的測量，并能得到位置度的實際值。

一、撥叉孔軸線位置度的測量原理

本文研究的撥叉及所需測量的孔，如圖1。被測孔軸線位置度是以撥叉上表面、定位孔軸線、兩個撥爪外圓面等作為定位和評定參考基準、進行測量與評定的。

圖1 撥叉零件及測量基準示意圖

為了準確測量撥叉孔軸線位置度，本文設計的基于氣動測量原理的測量系統（如圖2），由撥叉定位夾具、氣動測頭固定與運動裝置、測頭壓力傳感器測量系統、電機控制系統及上位機測量系統組成。由夾具對撥叉進行定位和夾緊，利用夾具定位分別體現評定三個參考基準，同時利用氣動測頭固定與運動裝置實現氣動測頭的直線移動與旋轉、孔的多個截面定位。本次設計的測量系統采用氣動測量方法及氣動塞規測頭，實現拔叉孔不同截面圓直徑的測量，每個孔至少需要測量三個截面。同時利用夾具實現3個評定基準位置及氣動測頭位置之間關系，建立三維坐標系，其中坐標原點在撥爪外圓面左下最低處，Y軸正方向沿臥式一維工作臺方向，Z軸正方向豎直向上，X軸正方向垂直Y-Z所在平面并指向臥式一維工作臺方向。利用測得的撥叉孔內徑數據擬合出每個截面圓的圓心坐標，再將6個截面的圓心進行擬合得到撥叉實際孔軸線坐標位置，再與3個評定基準的坐標位置進行比較，得到撥叉孔軸線位置度的誤差實際大小。

圖2 總體結構示意圖

二、系統結構設計

1.機械結構

本文設計的撥叉孔軸線位置度的測量裝置，機械結構主要包括拔叉定位夾具、氣動測頭固定與運動裝置等，其裝配圖如圖3。撥叉定位夾具，由V型塊、立式一維工作臺、定位滑塊、定位標準圓柱、壓力傳感器等組成。氣動測頭的固定與運動裝置，由氣動測頭、微型壓力變送器、安裝夾具、臥式一維工作臺、2個電機、限位開關等組成。測量時，將撥叉的撥爪外圓面放置在V型塊上定位、并體現1個評定基準。立式一維工作臺帶動定位滑塊和立式標準圓柱下壓，由定位滑塊壓到撥叉上表面，標準圓柱插入定位孔分別實現另外2個評定基準，由壓力傳感器測量壓緊力、判斷是否安裝穩定。

圖3 機械結構裝配圖

本文撥叉孔的內徑為14.779mm，位置度要求為0.015mm。根據撥叉及測量系統的其他尺寸要求，采用直徑為14mm、噴嘴直徑為2mm、測量直徑范圍為14～20mm、精度為1 的BD型氣動測頭，總長為90mm，測頭長10mm，如圖4。氣動測頭與精度為0.25%F.S的MIK-P300微型壓力變送器連成一體，通過夾具和固定在其上的步進電機實現測頭的旋轉，完成不同直徑截面圓的測量。同時，這部分裝置通過夾具安裝在臥式一維工作臺上，通過另一步進電機驅動實現氣動測頭的直線移動和撥叉孔不同截面圓的定位，并通過限位開關限制測頭的直線移動范圍。

2.測量與控制電路

測量系統的測量與控制電路，主要包括測頭壓力傳感器測量系統、電機控制系統，采用的硬件核心采用STM32單片機，完成氣動測頭測量數據的采集與處理的電路，以及三個步進電機的控制，其測控系統原理圖及實際電路圖，如圖5（a）。

圖4 圖氣動塞規

圖5（a） 測控系統原理圖

MIK-P300壓力變送器與BD型氣動塞規組成測頭壓力傳感器測量系統，用于測量撥叉孔內徑，壓力變送器將測量的氣壓值轉換成電流值，通過A/D轉換器傳送給單片機，單片機再將相應數據傳送給上位機進行分析處理。在用氣動塞規測量時，撥叉已經完全定位，臥式一維工作臺也已移動到指定位置，給氣動塞規一個穩定的氣壓，氣動塞規在撥叉孔內進行相應角度的旋轉，氣動塞規后連接的壓力變送器用來測量壓力的變化ΔP，通過ΔP的變化計算出撥叉孔直徑的變化ΔD，進而實現對直徑的測量 。氣動測頭測量電路圖如圖5（b）。

圖5（b） 氣動測頭測量電路圖

控制電路圖如圖5（c），由STM32單片機產生控制信號，步進驅動器進行環形分配和功率放大，驅動3臺步進電機。步進電機1驅動立式一維工作臺實現撥叉的定位和夾緊，在此過程中壓力傳感器將壓力值通過A/D轉換模塊傳遞給單片機，實現單片機對壓力的采集。步進電機2驅動臥式一維工作臺的水平運動，實現不同截面測量。步進電機3帶動氣動測頭旋轉，實現同一截面不同點的測量。

圖5（c） 控制系統電路圖

三、系統軟件設計

1.電機控制程序

為了實現自動化測量，在系統設計中利用STM32單片機和步進電機驅動器來控制三臺步進電機的運動。單片機產生控制信號，步進驅動器進行環形分配和功率放大，然后驅動步進電機，步進電機1驅動立式一維工作臺帶動定位滑塊和立式標準圓柱下壓，到指定位置后停止，步進電機2驅動臥式一維工作臺帶動步進電機3和氣動測頭水平運動到指定位置停止，步進電機3帶動氣動測頭旋轉相應角度，系統開始測量，單片機采集對應角度數據并傳送到上位機，此時完成孔的一個截面的測量。完成一次截面的測量后電機2和電機3繼續上述運動，完成第二個截面測量，由此方法一共測量6個截面的數據。當完成6次截面測量后電機1和電機2反轉帶動滑臺退回起始點，單片機控制電機運動過程結束。控制流程框圖，如圖6。

圖6 電機控制程序流程圖

2.氣動測頭的數據采集與數據通訊程序

在直徑測量系統中需要分別采集撥叉孔6個截面的數據，每個截面需要采集3個點的數據。測量開始時，撥叉已經完全定位，電機2旋轉實現氣動測頭直線移動到撥叉孔內指定位置，電機3帶動氣動測頭依次旋轉60°、120°、180°時，壓力變送器開始測量，STM32單片機進行數據采集并將采集到的數據傳送給上位機進行數據處理，撥叉孔內徑數據采集程序流程圖，如圖7。單片機與上位機之間的信息通訊需要通過RS232實現，單片機可以通過RS232接受來自上位機的指令，也可以將采集的數據傳遞給上位機，數據通訊程序，如圖8。

圖7 撥叉孔內徑數據采集程序流程圖

圖8 數據通訊程序

3.上位機的數據評定程序

測量出撥叉孔直徑后，上位機需要將要單片機傳送的是數據進行分析與處理，這個功能主要通過LabVIEW和MATLAB來實現，圖9（a）為圓心擬合程序，圖9（b）為軸線擬合程序。

圖9（a） 圓心擬合程序

圖9（b） 軸線擬合程序

四、仿真實驗

本文設計的實驗裝置正在搭建中，為了驗證裝置的可行性，進行了仿真實驗。先給定每個截面三個點的坐標，每組仿真給出6個截面數據，6個截面測量點的數據，如表1。由于同一個截面采集的數據Y坐標是相同的，所以可以把三維直線擬合降維為二維直線擬合，這就大大降低了我們的工作量。在圓心擬合中只需要輸入每個坐標的X、Z的值就可以得出圓心坐標（圖中數值單位為mm），其中某一截面圓心擬合結果，如圖10（a）。6個截面圓心坐標值，如表1。在求出六個圓心的坐標后，對這六個點進行直線擬合，具體擬合結果，如圖10（b）。

表1 仿真實驗數據

圖10（a） 圓心擬合

圖10（b） 撥叉實際孔軸線擬合結果

擬合出實際軸線后，求出各數據點到擬合直線的距離，各距離最大值的2倍就是該撥叉孔的軸線位置度。

五、結論

1.本文分析了撥叉在機械傳動系統中的作用及其軸線位置度大小對工作的影響，分析了現有軸線位置度測量裝置的不足。根據撥叉孔軸線位置度測量原理和氣動測量原理，提出了一種撥叉孔軸線位置度氣動測量裝置。

2.設計了合理的機械結構、測量與控制電路。介紹了機械結構的主要組成和重要元器件的選型，介紹了測控系統原理，控制電路如何實現電機控制和測量電路如何實現測量等。編制了相應的電機控制程序，氣動測頭數據采集與數據通訊程序，上位機數據評定程序等。

3.對基于氣動測量原理設計的撥叉孔軸線位置度的氣動測量裝置進行了仿真實驗，可以實現孔軸線位置度的測量，并能得到位置度的實際值。