新型汽车钥匙齿形码打标设备的研发

倪 峥

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009)

0 引言

激光打标机用于标刻，是用激光束在物质的表面打上永久的标记，显出所需刻的图案、文字。汽车钥匙齿形打标系统是在汽车钥匙上，用激光打标机在钥匙上的刻上齿形码。因此，研制汽车钥匙齿形码打标系统，需要完成两项基本任务:①采用适当的机械结构设计和控制系统设计，系统能够准确地完成钥匙齿形码的自动获取;②系统控制激光打标机完成钥匙齿形码的打标。

钥匙齿形码获取的关键是准确地测量钥匙的齿形高度，通常采用的是直接测量法。直接测量法是从钥匙的齿形上直接得到有关的高度。直接测量法包括图像处理法和高度测量法。图像处理法是用摄像机拍下待识别钥匙的全部齿形，然后对图像进行处理，得到相应位置的齿形高度。高度测量法是利用传感器直接读取钥匙的高度［1-2］。委托开发打标系统的企业，以前采用的正是这两种方法来获取齿形的高度。图像处理法对夹具设计的要求低，但现场使用情况表明，该法易受图像质量和处理方法的影响，有时得到的齿形高度会产生较大误差，导致出现错误的齿形码。高度测量法对夹具设计的要求较高，夹具尺寸较大，并且通常不同的钥匙需设计不同的夹具，夹具不具备通用性，获取不同钥匙齿形码时需更换夹具［1］。不直接读取钥匙的高度，而是用其他参数的测量代替钥匙高度的测量，再经换算得到齿形高度的方法，可称之为间接测量法。

通过合理的夹具设计，采用间接测量法测量钥匙的高度，进而获得齿形码，可使设备适用于多种钥匙齿形码的识别和打标，扩大了设备的适用范围，并提高了系统识别齿形码的准确性。同时，设备采用多线程技术进行控制可提高其生产效率。

1 设备主要组成

图1 为识别钥匙齿形码的机械部分示意图。

图1 识别齿形码的机械部分示意图

电机通过丝杠带动夹具在导轨上移动。在钥匙或夹具的两侧，分别放置了激光位移传感器发射器和接收器。当放有钥匙的夹具移动到发射器和接收器之间时，接收器接收到的光会发生变化，传感器将其转化为电压值，从而得到高度信息。

设备控制系统组成及工作原理图如图2 所示。

图2 控制系统工作原理

2 组合夹具设计及其测量原理

为了使设备可以适应于不同齿厚、齿距、齿形数量(齿数)的钥匙，设计了图3 所示的组合夹具。

图3 适用于多种钥匙的组合夹具

同一夹具，如图3 中的夹具1，可以适用于具有相同齿厚、齿距的钥匙(齿数可以不同，但不能超过最大的齿数值)。图3 是根据需要打标的16 种钥匙，经过整理归纳，设计的包括7 种夹具的组合夹具。

使用某夹具识别钥匙齿形时，如图3 所示的1 号夹具，在插入钥匙之前，应拧紧该夹具下的调整螺钉，托板顶起检测片，并用夹具内的弹簧压紧检测片。对不使用的夹具，因调整螺钉未拧紧，钥匙无法插入到这些夹具中，防止误操作的可能性。

由图3 可见，当钥匙插入夹具孔时，由于钥匙在各个位置高度的不同，导致各个位置检测片的上表面距离夹具体上表面的距离也不同。

图4 为利用单个夹具，测量齿形高度的原理示意图。在拧紧调整螺钉后，钥匙未插入夹具孔前，所有检测片露出夹具体上表面的高度均为h2。钥匙插入后，钥匙把检测片顶起，检测片露出夹具体上表面的高度为h2+ h0。由于夹具内弹簧的作用，检测片会压紧钥匙，从而保证了测量的可靠性。拔出钥匙后，检测片因弹簧的作用，会恢复到高度h2。通过测量检测片被顶起的高度变化值h0，可间接测量出钥匙在不同位置的齿形高度。

图4 单个夹具测量高度原理示意图

图4 中，h1和h2为设计尺寸，h为钥匙插入后，钥匙齿形在夹具孔中心线以上的高度。

因为夹具孔中心线的位置不会改变，所以根据图4，可得到以下关系式

因此，在测得h0后，h可按下式计算

由于钥匙中心线的位置也不会改变，于是得计算钥匙齿形真实高度H的公式为

虽然对不同的夹具孔，设计值h1和h2有所不同，但是对同一夹具孔，设计值h1和h2都相同，而且中心线的位置也是固定的。因此，对钥匙不同位置的齿形识别，测得的不同h0，反映的就是不同的齿形高度。实际测量时，h0为激光传感器在插入钥匙之后测得的高度值和插入钥匙之前测得的高度值之差，而通过合理的结构设计，保证了插入钥匙之前测得的高度值是一个定值，理论上所有的检测片都一样。若因加工和装配的关系，导致在实际测量时有误差，则可用设备软件中，基本参数中的齿高补偿进行调整。

3 设备软件

设备软件主要分为三个模块:自动操作、手动操作和参数设定。图5 为参数设定模块界面中的钥匙基本信息(钥匙信息)设定界面。

图5 参数设定界面

参数设定包括钥匙信息、齿距参数、齿高参数、基本参数、用户信息和通讯信息。点击触摸屏上相应的位置就可以输入、保存和删除相关的信息。这些信息都保存在数据库中。

手动操作主要用于设备的调试，可以单步监控电机的位置、传感器参数的变化、通讯状态、检测片高度、齿形高度、齿形代号、打标状态、故障信息等。

进入自动操作部分后的界面如图6 所示。

图6 自动操作界面

设备根据所选择的钥匙图纸号，从数据库中提取数据，提示操作者钥匙应插入的夹具孔，以防止出错。启动按钮就可进行齿形码测定。确定各位置齿号时，首先，设备通过控制，将夹具体移动到测量位置，通过激光传感器获得检测片在测量位置的高度变化h0。然后，经公式(2)换算，获得钥匙齿形的真实高度H。最后，将H与数据库中相应钥匙的各种齿形高度变化范围比较，获得钥匙在各位置的齿号。齿号用阿拉伯数字表示，如有4 种齿形(即齿高)，则齿号是阿拉伯数字1、2、3 和4 中之一。不同钥匙(图纸号不同)的齿距参数、齿高参数及其上下偏差、齿号的编号规则等由厂家提供，系统将其保存到数据库，供需要时调用。各位置齿号测定的过程如图7 所示。

图7 齿号测定过程示意图

将钥匙的齿形代号l(l=1～n，n为齿形种类)，按照编码规则编码，获得m位阿拉伯数字组成钥匙的齿形码(m为齿数)。编码规则根据企业的要求，按从钥匙的根部到其顶部的顺序编码。测得的齿形码(齿号)显示在界面中。必要时，用户可以根据显示的齿形码，校核测得的齿形码是否正确。

点击“激光打码”处，就可以进行齿形码打标。上位机与激光打标机之间采用RS232-C 协议进行串口通讯，传输控制指令和相关的打标信息。打标指令的发送格式由激光打标机生产厂家提供。

在启动按钮进行钥匙齿形码识别的同时，可以点击“激光打码”，进行前一个钥匙齿形码的打标。设备采用了多线程技术，因此能够及时地对用户的操作——齿形码识别和齿形码打标，做出响应。在同时进行这两种操作时，设备均匀分配CPU 处理时间，且在各个线程中轮换执行，实现并行执行的效果。设备采用齿形码识别和打标并行的方式，主要考虑的是效率问题。通过实际使用情况来看，齿形码的识别和打标所需时间都约为3s。采用并行方式，则设备完成打标任务的时间约为3s;而采用串行方式，即完成钥匙齿形码的识别后，再顺序进行该钥匙齿形码的打标，则设备完成打标任务的时间约为6s，效率低。

为保证齿形码的识别和打标能够并行执行，设备需保存获得的齿形码。在完成第一个钥匙齿形码的识别并保存后，就可并行完成一个钥匙齿形码的识别和前一个钥匙齿形码(已保存)的打标。但是，同时保存的齿形码过多，极易导致操作员操作失误，出现打在钥匙上的齿形码与其真正的齿形码不一致的情况。根据操作员的实际操作过程，为避免这类错误的出现，特制定了以下规则:设备临时保存的、供打标用的齿形码最多保存两个;打标完成后临时保存的齿形码自动删除。在进行齿形码识别时，若保存的齿形码超过了两个，则设备会提示放弃本次读号(见图6)。

已完成打标的齿形码、操作者、操作时间、图纸号等信息永久保存在相应钥匙的文件中，供需要时查阅。任何情况下，临时保存的齿形码关机时则自动清零。

4 结论

设备使用表明，采用间接测量法，通过测量检测片的高度来获取钥匙的齿形高度，齿高测量的准确性得到了大大的提高，几乎不会出现错误的齿形码。间接测量法所需的夹具尺寸小，因此可通过设计适用于多种钥匙的组合夹具，扩大设备的应用范围。组合夹具的使用，避免了识别不同钥匙齿形时更换夹具，不需要更多的生产辅助准备时间。多线程技术的使用，保证了齿形码识别和打标可并行完成，提高了设备的生产效率。

［1］倪峥. 多种钥匙齿形自动识别系统的设计与实现［J］.机械设计与制造，2009(12):51 -53.

［2］吴焱明，苏学满. 钥匙齿形码自动识别系统［J］. 组合机床与自动化加工技术，2007 (10):69 -71.

［3］张佩勤，王连荣. 自动装配与柔性装配技术［M］. 北京:机械工业出版社，1998.

［4］郑叔芳，吴晓琳. 机械工程测量学［M］. 北京:科学出版社，1999.

［5］田培棠，石晓辉，米林. 夹具结构设计手册［M］. 北京:国防工业出版社，2011.

［6］何新军，熊幸明. 基于多线程技术的PLC 与PC 在电机测控系统中的实现［J］. 组合机床与自动化加工技术，2004(4):89 -90.

［7］陈智利，高明. 杜玉军，等.多线程串口通信在闭气塞检测系统中的应用［J］. 计算机应用与软，2008，25(5):185 -187.

［8］庄尚志，郑建彬. 基于多线程技术实现PLC 与PC 的串行通信［J］. 武汉理工大学学报，2008，30(6):877 -880.

［9］于继江. 基于多核多线程的并行计算组件设计［J］. 煤炭技术，2010，29(5):78 -80.

［10］夏振来，张梅，袁鹏，等. 基于运动控制卡和C#的多头全自动加样仪运动控制系统的设计［J］. 组合机床与自动化加工技术，2013(2):88 -91.