圆柱形零件高度自动检测系统设计

姚建平 (中石化管道储运分公司襄樊输油处,湖北 襄樊 441002)

倪宇波 (湖北工业大学机械学院,湖北 武汉 430068)

目前,市场对工程机械产品要求的多样化导致了各种零件材料及结构的多元化,最终导致了各种零件结构趋于复杂多样化。圆柱形零件作为一种机械基础件,其高度尺寸直接影响其工作性能,进而影响使用这些零件的机器的工作效率与工作寿命,因此在零件的装配过程中必须对高度进行检测,以确保其尺寸符合要求。传统的检测系统定位难、控制难、调节不及时、控制精度差,已无法适应生产自动化中越来越高的精度要求。为此,笔者设计一种基于AT89S52单片机的圆柱形零件高度自动检测检测装置,该装置能按零件装配流水线的节拍连续获取零件的高度尺寸,并做出合格与不合格判断,从而实现对零件外径尺寸的多方位、快速、动态、高精度测量。

1 高度测量的基本方法

对机械基础件的测量方式分为非接触式测量和接触式 (触发式)测量2种方式。非接触测量是以光电、电磁等技术为基础,在不接触被测物体表面的情况下得到物体表面参数信息的测量方法。接触式测量是用探测头直接接触物体表面、在给被测物体表面施加一定的压力 (点接触力或面接触力)的情况下得到物体表面参数信息的测量方法。接触式测量具有较高的准确性和可靠性,通过配合测量软件可以快速准确地测量出物体的基本几何形状。其不足是接触探头在测量时,接触探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数;由于探头触发机构的惯性及时间延迟而使探头产生超越现象,从而产生动态误差[1]。

图1 高度自动检测系统结构框图

为了得到高精度读数,笔者设计的圆柱形零件高度自动检测系统采用接触式测量方式,这样在保证较高精度的同时可以满足快速测量要求。

2 测量系统硬件设计

根据圆柱形零件高度自动检测系统设计要求,该系统结构设计方案如图1所示,其具体构成如下。

1)信号输入部分 该部分包括接近开关、位移传感器、A/D转换器和扩展I/O口等。输入信号主要是零件到位信号 (开关量)、处理的零件高度值(模拟量电压)以及人机界面所用的I/O信号。

2)信号处理部分 该部分由AT89S52单片机和扩展电路组成,负责信号的读取和处理,以及控制信息的输出。

3)输出信号和显示部分 输出信号和显示部分由制动部分、LCD1602显示器和PC机组成。制动部分的作用是利用电磁阀和汽缸控制测头的升降;LCD1602显示器实时显示检测结果,提供人机交互界面;PC机与AT89S52单片机实时通讯,进行数据统计和上位机的监控。

在圆柱形零件高度自动检测系统中,被测样品为装配线上的零件。零件高度经位移传感器测量之后变为电压信号,经过AD转换之后,将电压信号变为数字信号送给单片机处理。单片机作为核心处理单元控制AD变换,并读取其结果后转换为轴承的高度值送给LCD显示,再由串口向外发送。与此同时,单片机要接收键盘、位置传感器等的信号,并控制制动机和分选机的工作。

图2 主程序流程图

3 系统软件设计

圆柱形零件高度自动检测系统软件分为单片机软件和PC机软件,其中单片机软件流程图如图2所示。其核心模块如下:①初始化和系统标定子程序;②A/D转换子程序;③数据处理子程序。

在软件编写过程中,单片机部分的程序使用keilC软件编写,编程语言是C51语言,与标准C语言有差异。PC机部分的程序则由Visual Basic编写。

A/D数据采集部分采用MAX176芯片,其数据接口形式为串行接口,可以与单片机通信,但单片机的串口需要PC机通信,所以采用模拟串口技术[2],为了保证时序正确,该段代码使用汇编编写。

MAX176的工作时序如图3所示,根据A/D的时序图,编写A/D采集程序。为了使读取结果正确,必须有正确的时序,而汇编语言的时序性比C语言好,所以该段代码由汇编语言编写。

图3 MAX176时序图

4 系统性能试验

圆柱形零件高度自动检测系统的误差主要由AD转换误差、传感器的非线性误差、测杆与导套之间的配合间隙引起的误差组成[1]。为了对该系统的性能进行验证,设计了静态测量试验和动态测量试验,并允许静态测量的最大绝对误差为3μ m、动态测量的最大绝对误差为0.1mm。

1)静态试验 将高度自动检测系统安装好之后,按操作要求对系统进行标定。保持测头不动,每隔2min读取1次高度值,每组读取10次数据,如表1所示。由表1可知,静态测量的最大绝对误差为1.5μ m,符合设计要求。

2)动态试验 将高度自动检测系统安装好之后,按操作要求对系统进行标定。每隔0.5s将测头抬起再降下读取1次高度值。每组读取10次数据,如表2所示。由表2可知,动态测量的最大绝对误差为4.5μ m,符合设计要求。

经上述试验,表明该测量系统的运动误差非常小,测量精度较高。

表1 静态测量数据记录

表2 静态测量数据记录

5 结 语

经过严格的误差分析和试验验证,表明该测量系统符合设计要求,可适用于圆柱形零件高度的高精度检测。该测量系统可以单独使用,进行高度值上下限的设定、测量、分选等工作。该测量系统的AT89S52单片机只使用了其中的24个I/O口,还富余8个I/O口,其中包括1个外部中断口,2个计数器输入等,可以接入更多的开关量信号,比如控制生产线的节奏、检测轴承的位置等,因而具有较大的扩展潜力。

[1]李建国,赵龙.基于BP网络预测高速铣削加工簙铝制件尺寸误差的动态分布[J].机床与液压,2010,(1):72～74.

[2]吴文金,余华.基于单片机的大电感参数动态测量研究[J].电子测量技术,2009,(12):99～101.