汽车三孔喇叭开关性能检测系统的设计

2018-08-22唐方红朱飞虎

新型工业化 2018年7期

唐方红，朱飞虎

（东莞职业技术学院，广东东莞 523808）

关键字：喇叭开关；压力测试；机器视觉；WebService；激光打标

0 引言

汽车三孔喇叭开关是安装在汽车方向盘组件中的一个重要器件，其由上下塑胶件、弹簧、锁定垫片、铆钉和接触片等构成，如图1所示。当汽车驾驶员按下方向盘任意位置，方向盘按下喇叭开关克服弹簧力而上下件接触，通过两端接触片而与外界电路接通。随着汽车发展，对三孔喇叭开关提出了更高的要求，如舒适度、可靠性等。对具体产品要求而言，则是测试弹簧受压过程中的压力曲线，接通瞬时压力及测试行程。

目前汽车三孔喇叭开关测试工艺主要是人工检测，其效果不理想，效率低。本文提出一种三孔喇叭开关检测系统，能够自动对产品装配缺陷、产品性能进行自动检测，检测结果与生产批号、线别、日期、操作员工号等数据进行链接，存入数据库。通过产品系列号可查询到各项生产数据，可有效解决制造企业在对生产现场作业管理的难题，使企业更轻松地管理生产数据，实现对生产制程、产品质量追溯和有效管理。目前已经成功应用推广。

图1 三孔喇叭外观图Fig.1 Three holes horn appearance figure

1 设备硬件结构

三孔喇叭自动检测系统主要实现的功能有：产品的装配缺陷检测、三个孔位的压力曲线测试和接通时的压力及测试行程、检测数据上传远程服务器、获取系列号及激光打标。其中硬件功能为装配缺陷检测、压力测试和激光打标。因此设备硬件结构分为视觉检测工位，压力检测工位，激光打标工位。由于设备为单人操作，由人工完成上下料，因此设备采用四工位圆盘结构，依次对应上下料工位、视觉检测工位、压力测试工位、激光打标工位。圆盘由感应电机驱动凸轮分割器带动旋转，电机每旋转一次则圆盘旋转90°，对应产品移动一个工位。设备外形结构图如图2（a）所示。

图2 设备结构图Fig.2 Equipment structure chart

视觉检测工位主要完成产品的装配缺陷检测。因为产品为人工装配，其零件除了上下塑胶件之外，还包含接触片、锁定垫片、铆钉、弹簧等。弹簧藏在上下塑胶件之间，可以通过压力测试工位检测是否漏装或装配不良，而接触片、锁定垫片及铆钉等均需要通过视觉检测以判别其是否漏装、装错及位置错误。视觉检测工位主要由两套机器视觉装置构成，每套均包含工业相机、镜头和光源等。

压力测试工位主要完成产品的三个孔位的压力测试。从图1产品外形结构上可以看出，产品的三个孔位均装有一个弹簧，平时在弹簧的作用下上下件分离。当外力作用在孔位上时，弹簧受压缩短而上下件的接触部位逐渐接近，当最终接触时通过上下接触片与外界电路导通。在设计任务中要求测试弹簧受压过程中的压力曲线，接通瞬时压力及测试行程，可知设计所求即为压力与行程的关系。在压力测试工位配置了三套压力测试装置，其结构如图2(b)所示。具体结构为直线步进电机带动压力传感器压测产品。直线步进电机是传统步进电机的一种变种电机，与传动步进电机需要通过联轴器、齿轮等驱动丝杆旋转不同的是，直线步进电机直接将转子与丝杆做成一体化，电机直接驱动丝杆转动，从而大大简化了设计，使得在许多应用领域中能够在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线步进电机进行精密的线性运动[1]。

激光打标工位结构比较简单，则不再详述。

2 设备控制系统

从上述系统功能要求可知整个系统包含主控PC、工业相机、步进电机、数字ΙO卡、数据采集卡、压力传感器、激光打标机及远程服务器等。系统采用工业PC作为主控装置，通过工业相机采集图像，运动控制卡控制步进电机，数字ΙO卡控制气缸，数据采集卡采集压力传感器数据，与激光打标机进行串口通信及远程服务器数据交互[2]。设备控制框图如图3所示。

3 设备数据采集

图3 设备控制框图Fig.3 The device control diagram

从前述可知，系统需要分时采集三路压力传感器信号。根据设计要求，选用了一款S型压力传感器[3]，量程为0～100 N，非线性误差0.02%FS，信号变送器输出电压0～10 V。在确认好压力传感器后，再选择数据采集卡[4]。数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过 USB、PXΙ、PCΙ、PCΙ Express、火线(ΙEEE1394)、PCMCΙA、ΙSA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络[5]等总线接入个人计算机。USB总线由于支持即插即用，传输速度快，携带方便等优点，成为数据采集卡的发展方向。USB数据采集卡实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡通过USB接口或USB总线，将从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，传输到上位机中进行分析和处理。在本系统中根据设计要求选用北京阿尔泰公司的USB3200数据采集卡。该卡提供8路单端模拟信号输入，12位ADC转换精度，4路可编程ΙO和1路计数器，输入量程±10 V、±5 V和0～10 V，单通道采样率可到500 Κs/s,其中8路单端模拟信号(RSENRSE)输入可转换为4路差分模拟量(DΙFF)输入[6]。

在软件开始时需要执行数据采集卡初始化代码[6]，如下所示：

从设计任务中可知，系统主要要求能够实现测试压力与行程关系，因此系统设置一个线程，在该线程中持续进行各轴压力传感器的数据采集。主要代码如下所示：

获取弹簧受压过程中的压力曲线[8]，接通瞬时压力及测试行程，通过以下算法思想来实现：步进电机运动带动压力传感器下降进行压力测试，在过程中实时读取步进电机脉冲数量以获取当前位置，每0.001 mm则读取一次压力数据，保存到数据链表，同时进行压力判别，如果压力大于一定值则降低步进电机下行速度，当压力大于上限或捕获到接通信号则停止。然后软件对链表数据进行分析[9]，当压力上升起点则说明压力传感器在该位置接触产品即为行程起点，当捕获到接通信号时即为行程终点，该点压力即为接通压力，而起点和终点之间的压力与行程关系即为压力曲线。

4 远程数据交互

由于品质追溯要求及操作管制，设备其操作需要与远程服务器进行数据交互，同时工厂管理人员需要通过服务器实时了解自动贴标机的生产数据。设备远程数据交互主要任务有：设备操作员身份确认、设备序号确认、生产批号和检测数据上传、当前产品系列号生成及其他相关数据链接等。在传统方式对远程服务器数据操作一般采用PHP、JSON，或者利用Microsoft Jet数据库引擎[10]和数据访问对象DAO，但目前生产企业为了自身数据的安全性及通用性，一般不允许直接对其服务器数据操作，本系统采用WebService技术与远程服务器进行远程数据交互。

WebServic是一种远程网络资源调用技术，可以跨编程语言和跨操作系统平台进行，采用HTTP协议传输数据和XML格式封装数据。WebService开发包含服务端开发和客户端开发两种，对本设备而言是进行客户端开发。客户端要调用一个WebService服务，首先要有知道该服务的地址以及服务中的方法，因此，WebService服务器端要通过一个WSDL文件来对其说明，该文件是一个基于XML的语言，用于描述Web Service及其函数、参数和返回值。用于说明提供服务的地址、服务的种类，服务的内容（服务的方法、参数、返回值等）等。

本系统开发时在VB.net2008开发环境下打开程序，再点击项目，添加服务引用，在地址栏中输入WebService地址，在本文中该地址为http://172.200.15.131:131/ Tester.WebService/WebService.asmx，点击前往按钮，在服务栏中即出现该地址所提供的各项服务，将其命名空间输入TestWebService，点击确定按钮，完成服务引用。然后在程序中建立一个WebService实例，在软件代码中就可以开始调用WebService的各项服务了。

本系统在软件启动后先通过WebService进行操作身份验证，通过验证后才能进行正常操作。在进行自动运行前需要输入生产批号等数据，每检测一个产品，如果该产品为良品则将检测数据与生产批号、设备序号等上传服务器，服务器在存储该组数据后则返回一个系列号，系统收到该系统号时，在对应产品到达激光打标工位时传输给激光打标机进行激光打标。