基于STM32的五金钳弧面磨削系统设计

王程桂，岳 东，葛 辉，李根平



基于STM32的五金钳弧面磨削系统设计

王程桂1,2，岳 东1,2，葛 辉1,2，李根平1

(1. 南京邮电大学先进技术研究院，江苏 南京 210023；2. 南京邮电大学自动化学院，江苏 南京 210023)

以广泛应用的五金钳类工具为加工对象，以STM32F103ZET6为硬件电路的核心处理器，设计完成了一套自动化磨削装备人机交互操作系统，并根据该系统设计完成了机械磨削平台。该系统集成了一套基于嵌入式系统的五金钳类工具磨削加工的自动化装备，同时嵌入了弧面磨削的动态调节算法，可根据弧面尺寸和形状的不同，动态调节输入参数，自动计算出插补运动的路径，完成自动化磨削加工。调试结果显示，该系统运行平稳，差补准确。

五金钳；STM32F103ZET6；弧面磨削

随着经济和社会的不断发展，人们的生活水平不断提高，同时伴随着中国社会老龄化进程的加剧，中国的人口红利正在消失。制造业是国民经济的主体，是立国之本，中国政府提出了中国制造2025的目标[1]。在人口红利消耗殆尽的今天，五金工具的加工工艺依旧非常的落后，大量依赖人工，加工工艺还是采用传统手工和部分工艺半自动化的生产相结合的方式，这种生产方式和工艺，对作业人员要求高，同时培训周期长，作业效率较低，除此之外加工环境也对工人健康危害较大[2]。

世界发达国家五金钳类行业较富盛名的企业有易尔拓工具、日本的田岛工具、美国的世达工具和史丹利五金工具以及德事隆旗下的力易得工具。上述公司的五金钳抛光打磨产线都达到了高度自动化，这主要得益于其钳子粗胚加工是在高度自动化产线上完成的，自动化产线主要是通过高灵活度的机械臂(即通过机械臂来模拟人的手臂完成抓取、放置、移位等动作)夹持钳子粗胚来完成后期的打磨抛光工作[3-4]。而这也是国内中小型五金企业未能实现自动化生产而不及国外同行的地方，由此拉大了国内与国外同行的现实差距，即从前期粗胚的生产到后期粗胚的打磨抛光都缺乏有效的工业化自动化手段[5]。

目前，我国五金行业生产的五金钳一般以浇铸为主，这样生产出来的钳子粗胚抗高温能力差、硬度低，无法作为粗胚使用国外的自动化机械臂产线来抛光磨削[6]。现有弧面磨削工序主要靠工人手工操作，有少数企业已经尝试使用弧面插补来进行弧面磨削。圆弧插补[7-9]技术受到精度和速度的约束，速度快、精度低会导致磨削后的弧面不够光滑、凹凸不平；精度高、速度慢则无法满足工业大规模生产的需求。因此，设计完成一套具有柔性的智能多工位一体化五金钳类工具自动化磨削装备意义重大[10]。

本文介绍的基于STM32的五金钳弧面磨削系统，以SolidWorks三维设计图为基础，结合圆弧插补技术和运动控制技术，从而实现五金钳弧面的自动磨削。结果显示磨削效率高、磨削结果满足设计要求。

1 弧面磨削插补原理及功能设计

五金钳粗胚需要磨削的部位包括大面、小面、倒角、弧面等部分，其中大面、小面以及倒角皆为平面磨削，难度相对较小，磨削难点在于弧面磨削。本文针对弧面磨削系统进行设计，目标实现弧面的自动化磨削。

鉴于五金钳的加工特点，磨削需求主要在磨削速度上，而对于磨削精度要求相对较低。现有的五金钳粗胚弧面设计要求皆为圆弧面，针对这一特点，设计以单片机为核心，采用两轴圆弧插补技术、控制技术来构成控制系统。采用固定磨削转轮，通过两轴抓取五金钳粗胚走弧线的方案，实现转轮对其表面进行磨削。

1.1 五金钳的弧面磨削插补原理

通过图1~2，可帮助理解五金钳的弧面磨削插补原理。图1是五金钳弧面磨削过程中转轮与弧面相切示意图，其中中间部分为五金钳的平面图，左边的大圆为五金钳待磨削弧面所在的平面圆；右边3个圆为磨削转轮在磨削过程中的不同位置，分别对应起点、中途和结束。图2中整个圆即为图1中的五金钳弧面所在圆，其中实线段为五金钳待磨削弧面示意图，其中点为坐标原点也是弧线上顶点，点为弧线所在圆心，为弧线下坐标，点为弧线与轴的交点，为圆的半径。其坐标分别是(0,0)，(,)，(,)，(0,)。

图1 五金钳弧面在磨削时与转轮相切示意图

图2 待磨削弧面示意图

由圆内三角关系可得

由五金钳弧面的实物磨削特点可知，只有当五金钳弧面所在圆和转轮弧面所在圆之间的圆心距保持在一定的范围以内才能完成弧面的磨削，所以本次弧面磨削的设计将以此为原则。如图3所示，五金钳待磨削弧面图中实线段，点为转轮所在圆的圆心，点为待磨削圆弧磨削起点所在的圆心位置，点为待磨削圆弧磨削终点所在的圆心位置；其中点，1点分别为磨削终点和磨削起点时的切点位置，2点为转轮所在圆与轴的交点。，分别为圆弧和转轮的半径。

图3 五金钳弧面磨削起点和终点示意图

其坐标分别为(0,0)，1(1,1)，2(0,2)，(3,3)，(4,4)，(5,5)。

轴方向伺服电机步长为D，步数为

在得到轴方向步数后，即可开始进行磨削工作。具体步骤如下：

1.2 系统功能设计要求

考虑到本系统需要重复进行磨削动作，即每一次五金钳粗胚弧面工序磨削完成后，磨削系统都需要回到原位准备下一次磨削，同时由于五金钳的种类多样性，其规格和尺寸都不尽相同，本系统需要完成以下设计要求：

(1)通过软件控制系统，手动控制两个轴的移动，既可以单独控制某轴移动，也可以同时控制两个轴配合进行插补；

(2)通过控制系统，在完成磨削工作后能够使各轴回到设计的起始点；

(3)进行两轴圆弧插补，即在控制系统选择五金钳样式后，可根据提前存储好的五金钳图纸数据自动计算插补路径并完成五金钳的弧面磨削。

2 机械磨削平台设计

系统的机械部分主要包括：轴滑台、同步夹持机构以及磨削机构。

轴滑台包括轴滑台、轴滑台、伺服电机、同步轮以及同步轮带，如图4所示。每个滑台通过一对伺服电机及驱动器来控制其在滚珠丝杠上来回移动的方向和步数，两轴配合完成五金钳弧面的插补。

图4 XZ轴滑台

(1.轴滑台；2.轴滑台及滚珠丝杠)

同步夹持机构，包括夹持安装座、安装在夹持安装座上的同步机构、安装在同步机构上的夹具以及安装在夹持安装座上的电磁阀(气缸)，如图5所示。同步夹持机构左右两个夹持钳口分别通过钳口固定板固定在左右两个电磁阀上，两个电磁阀将五金钳粗坯紧密地挤压夹持在中间位置。在磨削时，两个电磁阀配合完成五金钳的夹持直到磨削完成再转移。

图5 同步夹持机构

(1. 电磁阀(夹持元件)；2.轴滚珠丝杠)

磨削机构的基座上有一个滑台控制磨削机构上下移动，由主动轮、从动轮以及张紧轮相互配合形成紧绷的砂带，三相电机紧贴砂带形成一个完整的五金钳磨削机构，如图6所示。在磨削时，控制系统通过控制伺服电机带动滚珠丝杠旋转来调整磨削机构的上下位置直至达到设定要求。磨削机构保持不动，保持三相电机持续旋转带动砂带旋转完成磨削。

图6 磨削机构

(1. 支撑基座；2. 磨削张紧轮；3. 三相电机；4. 滚珠丝杠；5. 磨削轮)

在磨削过程中，需将五金钳由其他工位移至到弧面磨削机所在工位的同步夹持机构上，随即调整磨削机构到所设定的原点位置(一般一批工件调整一次即可)并保持固定状态，然后轴滑台配合夹持机构夹持五金钳进行磨削工作，如图7所示。

图7 机械机构示意图

3 硬件电路设计与搭建

3.1 电路系统总体设计

根据磨削系统的设计要求，首先对轴滑台实现特定弧线的重现，其次应考虑结构简单、低成本、系统可靠性高等因素。

基于以上考虑，本系统选用STM32F103ZET6作为控制芯片(图8)，该芯片资源丰富、可扩张能力强、运算速度快，能够实现弧面磨削系统的机械运动控制等功能，完成程序的执行和数据处理；使用型号为AMS60-M01330的伺服电机并搭配CZA0423L驱动器作为滑台和磨削机构的移动驱动单元；选择型号为YS90S-2的三相异步电机来驱动磨削机构。上下位机间实现RS-232串口通信，该通信协议简单、操作快捷方便。弧面磨削系统和自动化产线系统使用RS-485通信。机械平台的相关参数见表1。

系统硬件配置(图8)为STM32系列，其是基于ARM Cortex-M3内核的32位闪存微控制器，采用Thumb-2指令集，专为要求高性能、低功耗、低成本的嵌入式系统设计，时钟频率可达72 MHz，内置最高达128 K闪存。同时，该系列MCU拓展性能强，运算速度快，具备串口和调试接口，便于系统的设计与开发。

图8 系统硬件结构图

表1 机械运动平台参数表

3.2 光耦隔离电路

本控制系统主要用于控制电磁阀的电路、电机的转动方向以及电机驱动器的脉冲给定等。特别是电磁阀类型的感性负载，在通断时，可能会产生回流干扰。为了避免干扰，需采用隔离电路发送信号。考虑到TLP114和P521都是光耦，不同的是二者响应时间不同，前者为0.8 ms，后者为3 ms。系统给电机方向和电磁阀的输出信号都属于开关量，而给与伺服电机驱动器的信号为速度非常快的脉冲信号，需要很快地响应速度及频率，设计采用TLP114作为伺服电机驱动器的输出信号隔离单元，P521作为剩余所有开关信号的隔离单元。如图9所示，上方的隔离电路为控制系统输入电路，下方的两个电路为控制系统的输出电路。

图9 光耦隔离电路

3.3 通信电路

通信电路用于弧面磨削工位和自动化产线总控芯片之间的信号传输，在自动化产线系统中，由总控芯片向本工位控制芯片STM32发送磨削任务，然后本工位进行磨削任务的操作，在任务完成后需要向总控芯片反馈完成信息并等待下一个任务信息的到来，如图10所示。图中上方3个TLP118电路为信号隔离电路，使得芯片控制端与电机控制端不直接相连，第4个则是485通信电路，用于芯片间的通信。

图10 通信电路

MAX3485是用于RS-485与RS-232通信的芯片，具有一个驱动器和一个接收器，传输速率最高可实现10 Mbp，属于半双工应用设计。驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路设置为高阻状态，防止过度的功率耗损。同时接收器具有失效保护性，即当输入开路时，能够确保逻辑高电平输出。在接收数据时，需要使得控制管脚为低电平；在发送数据时，控制管脚为高电平。

4 系统软件设计

系统软件主要是为了控制系统的运行并确保机械磨削平台能够准确运作，主要包括系统初始化模块、通信模块、电机控制模块、传感器模块。在系统初始化后，系统一直挂起等待流水线系统主控芯片的磨削任务信息，待五金钳到达预设定位置，主控芯片由金属接近开关反馈的信息向弧面磨削系统发送磨削任务信号。弧面磨削系统在接到磨削任务信号后即根据得到的信息从预先存储的数据中得到本次任务所对应的数据，从而计算待磨削弧面的方向、角度以及步数，然后磨削系统开始进行弧面磨削。磨削完成后，向主控发送本工位磨削任务已完成的信息，若没有得到下一个任务的信息，系统就一直处于等待状态。系统软件控制流程图如图11所示。

图11 系统软件控制流程图

为了面向不同型号的五金钳磨削对象，秉承着多参数可调节的原则，尽可能在最大程度上实现磨削自动化并实现单步测试，特设计如图12所示的人机交互系统。其中包括：图12(a)可根据待磨削对象的尺寸需求，设置电机的运动方向和距离，并进行夹持气缸等多种电磁阀的单步调试；图12(b)可根据待磨削对象的位置需求，结合具体情况设置磨削转轮的合适起点位置和电机运行速度。

图12 人机交互界面

5 系统磨削效果测试

为了验证该系统的实际磨削能力，选用五金钳实物进行系统测试。系统测试目的是检测系统的实用性、稳定性以及存在的问题。在系统调试时，先将系统初始化，然后将五金钳按照设计摆放位置放定，随即在人机交互系统上选定五金钳待磨削类型和尺寸并根据实际条件调整转轮的位置，最后进行系统磨削效果测试。

五金钳磨削前后的实物对比如图13所示。通过实物磨削测试，可以看出，即便磨削前的五金钳弧面粗糙不堪，磨削后的弧面光滑明亮，与市面上售卖的五金钳弧面光滑程度无差异。说明系统能够实现五金钳弧面的自动化磨削，达到了预期的效果。

图13 五金钳弧面磨削测试

6 结 论

本文设计了一种基于STM32的五金钳弧面磨削系统，搭建了该系统的机械系统、硬件电路和控制方法，在工作过程中，针对五金钳磨削需求的特点将弧面所在圆心和转轮圆心距离保持在一个特定的范围，针对性完成五金钳弧面手工磨削的机器换人策略。经过测试，一次弧面磨削耗时约为10~15 s，与之相对的是手工磨削耗时数以分钟计，可以看出，该系统可以极大地提高磨削效率，能够满足工业磨削需求，具有很强的工业价值和实用意义。

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Design of Arc Grinding System for Hardware Clamp Based on MCU STM32

WANG Chenggui1,2, YUE Dong1,2, GE Hui1,2, LI Genping1

(1. Institute of Advanced Technology, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing Jiangsu 210023, China; 2. College of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing Jiangsu 210023, China)

In this paper, a variety of widely used hardware clamp tools were taken as the processing object, and STM32F103ZET6 was adopted as the core processor of the hardware circuit to design a human-computer interaction system of automation grinding equipment. Meanwhile, a completed mechanical grinding platform according to the system was designed as well and grinding automation equipment was integrated based on embedded hardware clamp tools. The system contains a dynamic adjustment of the arc grinding algorithm, which can adjust the input parameters dynamically according to the different arc sizes and shapes. This system will automatically calculate the interpolation of the movement of the path to complete the automated grinding. Finally, the debugging result shows that the system is running smoothly and the interpolation is accurate.

hardware clamp; STM32F103ZET6; arc grinding

TH 164

10.11996/JG.j.2095-302X.2018010116

A

2095-302X(2018)01-0116-07

2017-06-04；

2017-06-22

王程桂(1992–)，男，江苏兴化人，硕士研究生。主要研究方向为智能制造及工业自动化装备。E-mail：653092656@qq.com

岳 东(1964–)，男，河南新乡人，教授，博士。主要研究方向为网络化控制、智能电网大数据分析与协调控制、物联网及应用、先进制造装备与系统。E-mail：medongy@vip.163.com