微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置的設計與實現

陶冶博，吳湘蓮，沈旭東，張越，王慶祥，柯美鑫

（1.嘉興職業技術學院，浙江嘉興，314036；2.嘉興佳利電子有限公司，浙江嘉興，314033）

0 引言

微波介質工藝技術是首先制備各種介電常數的高溫燒結陶瓷粉，并通過成型、燒結、研磨、制電極、組裝、調試等工藝，生產出微波頻率器件，微波介質陶瓷坯體在1200℃以上溫度燒結而成，具有高Q 值、小尺寸、低溫度系數等優勢。微波介質陶瓷器件生產的最后一個工藝環節是調試，需要有經驗的調試人員通過打磨使器件的S 參數符合工藝要求。而無法通過調試要求的器件以及存在故障的器件需要被計量，計量結果可用于管理人員對生產工藝進行分析，從而對工藝進行改進，提高生產質量。因此，對微波介質陶瓷器件不良品類別與數量進行計量具有重要的意義。

本文以嘉興佳利電子有限公司微波介質陶瓷器件生產線為背景?，F階段，由于不同型號的元器件尺寸差異大、定制化器件無法上機生產、調試環節需要人工進行等原因，佳利電子采用人工計數的方式進行不良品類別與數量的統計，并規定每2 小時通過手持數據采集機上報的方式，將數據上傳至工業互聯網云平臺。現階段采取的人工方式計量存在數據上報不及時、容易出錯、增加調試人員大量工作量等缺點。因此，迫切需要研制一套可以自動對微波介質陶瓷器件不良品類別與數量進行計量并上傳云平臺的設備。本文設計的微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置，該設備能夠對不同規格的微波介質陶瓷器件進行類別和數量的計量，并將計量數據實時上傳。該設備解決了企業生產管理過程中的實際問題，減少了數據采集人員的工作量，提高了生產管理數據的實時性，為后續工藝改進、產品升級奠定了基礎。

1 系統整體設計

本文通過對嘉興佳利電子有限公司微波介質陶瓷器件生產線進行實地考察調研，并與相關生產工藝人員進行交流討論，根據調研與討論的結果確定微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置的設計方案。

通過實地使用場景及設備進行調研，了解現有調試工位的布局，現不良品收集盒最多5 個，放置在矢量網絡分析儀前方，矢量網絡分析儀尺寸為490mm×427mm×234mm(寬×深×高)。為了增加聯網可靠性要求通過有線網絡連接。為了便于安裝和維護，所有接插件需要方便插拔，同時要盡可能減少線纜數量，降低部署成本。

圖1 工位布局圖

通過與生產工藝人員交流討論，了解到現有不良品數量和類別數據的采集過程如下：調試崗位放置多個不良品收納盒，調試人員發現不良品后，將不良品投入對應類別的收納盒中，不良品種類最多5 類。每2 小時會有專人進行人工計數，并通過手持數據采集機進行數據上傳。

通過上述兩種方式進行調研，并根據調研結果得出現有方案存在數據不準確、更新不及時、增加工人工作量等問題。為了解決上述問題確定設計方案如下。該設備包含：進料結構、電感式計數傳感器、單片機控制采集電路、數據采集器、工業互聯網云平臺。

系統框圖如圖2 所示。

圖2 系統框圖

電感式計數傳感器：通過金屬改變電感感值的原理實現金屬材質物料計數功能，需要調節靈敏度，使得不同類型的物料能夠檢測的同時，盡可能地減少干擾，例如金屬工具的干擾。

單片機控制電路：采集計數傳感器輸出的脈沖個數，同時具有顯示、清零按鈕。最后將采集的數據通過RS485 接口MODBUS 協議輸出到數據采集器。

數據采集器：通過RS485 接口連接多個微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置，并通過MODBUS 協議輪詢的方式進行采集，將所有采集的數據通過WiFi 或網線MQTT 協議上傳至工業互聯網云平臺。

工業互聯網云平臺：通過MQTT 協議獲取采集到的數據，并通過數據看板顯示輸出，提供給各層級人員進行生產管理。

2 結構設計

結構設計需要兼容現有的調試工藝流程和習慣，以降低車間師傅的學習成本，同時需要兼容現有的物料杯。此外，采用的材料需要綜合考慮加工難度，成本等問題。本文采用六角銅柱+亞克力板的方式。結構整體尺寸需要盡可能地緊湊，以減少工作臺的占用。

結構設計方案效果圖與實物圖如圖3、圖4 所示。

圖3 結構渲染圖

圖4 設備實物圖

3 硬件設計

本設備硬件結構包括兩部分組成：微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置和數據采集器。其中數據采集器使用佳利電子公司現有數據采集器即可實現功能，微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置需要重新研發。微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置功能包括：（1）電感式計數傳感器信號采集；（2）數碼管顯示當前計數值；（3）輕觸按鍵實現計數清零功能；（4）RS485 通信接口，實現將采集的數據發送給數據采集器。

■3.1 電感式計數傳感器

電感式計數傳感器采用浙江比克電器有限公司的型號為HX-DGS-30N 的傳感器，該傳感器供電為DC6-36V，NPN型輸出。使用時需要將信號引腳通過電阻上拉至VCC 后才能輸入至單片機引腳，并通過單片機的外部中斷功能進行信號采集。此外，為了兼容NPN 與PNP 兩種輸出類型，同時防止外部線纜引入噪聲，本文設計了光耦隔離電路，對電感式計數傳感器的信號進行電平轉換。電感式計數傳感器實物圖與電路原理圖如圖5、圖6 所示。

圖5 電感式計數傳感器

圖6 光耦隔離輸入

■3.2 顯示電路

常用的顯示電路包括：數碼管、LCD 液晶屏、OLED屏、TFT 屏等，本文為了盡可能地降低設備的功耗與成本采用數碼管進行測量結果的顯示。數碼管具體采用0.32英寸4 位數碼管，尺寸為28mm×11mm×5mm。此外，為了降低單片機IO 口的占用，本文通過TM1620 芯片對數碼管進行驅動。電路原理圖如圖7 所示。

圖7 數碼管及其驅動電路

■3.3 RS485 通信接口電路

為了方便設備的安裝部署，盡可能地降低連接線纜的數量。微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置與數據采集器之間采用RS485 接口進行通信，RS485 接口電路采用SP3485E 芯片實現。電路原理圖如圖8 所示。

圖8 RS485 電路原理圖

■3.4 單片機電路

綜合考慮性能需要、價格、開發成熟性等因素，選用意法半導體公司的STM32 F103C8T6 單片機作為核心MCU，該單片機主頻72MHz，包含37 個可用IO 接口，具有7 個定時器、2 個I2C 接口、3個USART接口滿足設計需求，同時該單片機支持低功耗模式。單片機電路原理圖如圖9所示。

圖9 單片機電路原理圖

■3.5 供電電路

為了防止在安裝過程中正負極接反而損壞設備，本文在供電輸入端設計了SS34 二極管實現防反接功能。硬件部分功耗最高的是5 路數碼管顯示，本文給每個顯示電路單獨設計一路3.3V 輸出電源，每路可以提供最大1A 電流。其余電路采用一路3.3V 電源。3.3V 穩壓電路使用線性穩壓芯片AMS1117 實現。電路原理圖如圖10 所示。

圖10 供電電路原理圖

4 軟件設計

軟件部分主要包括：微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置MCU 程序、數據采集器MCU 程序以及工業互聯網云平臺數據展示軟件。其中工業互聯網云平臺使用佳利電子現有平臺實現，只需要根據需求設計看板即可。數據采集器MCU 程序也可以使用佳利電子現有方案，只需使用485 接口的MODBUS 協議進行數據讀取，并將采集的數據上傳至云平臺即可。因此，只需要開發微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置MCU 程序。

微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置MCU 程序的流程圖如圖11 所示。

圖11 程序流程圖

5 系統測試

為了驗證本文設計的微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置的測量效果，本文設計了以下實驗。首先依次將尺寸為9.5mm×4.5mm× 2.5mm、10.8mm×4.2mm ×8.6mm、12.8mm× 3.8mm×4.4mm、16.4mm ×4.5mm× 6.2mm、22.5mm× 7.0mm×8.0mm、29.5mm× 9.0mm×8.0mm、41.9mm×17.1mm×9mm 共7 種尺寸的器件放入計量裝置，觀察測量結果如表1所示。

表1 各尺寸微波介質陶瓷器件測量結果

結論：通過上述數據可知，本文設計的微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置，可以準確測量9.5mm×4.5 mm×2.5mm～41.9mm×17.1mm×9mm 尺寸范圍內的微波介質陶瓷器件，滿足設計需求。

6 結論

本文設計的微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置利用電感式計數傳感器實現9.5mm×4.5mm×2.5mm～41.9 mm×17.1mm×9mm 尺寸范圍內的微波介質陶瓷器件數量的測量。通過亞力克板、銅柱、螺絲螺母等標準件組成機械結構部分，同時降低了成本與生產難度。該裝置的測量結果通過MODBUS 協議輪詢的方式輸出，可以通過一個主設備連接多個從設備，從而降低了設備安裝部署和后期維修維護的難度。最后本文通過實驗，驗證了所設計的微波介質陶瓷器件不良品自動計量裝置可以精確測量9.5mm×4.5m m×2.5mm～41.9mm×17.1mm×9mm 尺寸范圍內微波介質陶瓷器件的數量。