基于單片機(jī)的軸承直徑自動(dòng)化檢測(cè)裝置

張麗娟，范佳慧

（石家莊科技職業(yè)學(xué)院，河北石家莊 052160）

0 引言

軸承是一種有著很高精度要求的零部件，通常和軸承座配合使用，一旦軸承和軸承座之間出現(xiàn)精度超過(guò)允許范圍的誤差，將會(huì)對(duì)軸承造成嚴(yán)重的磨損，進(jìn)而影響到設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行安全。傳統(tǒng)模式下對(duì)于軸承的檢測(cè)與檢驗(yàn)主要是依靠人工來(lái)完成，并且這種檢測(cè)模式都是在生產(chǎn)完成之后對(duì)成品展開(kāi)的檢測(cè)，因而，一旦檢測(cè)出來(lái)質(zhì)量缺陷，都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的成本負(fù)擔(dān)。自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)是一種基于智能化的儀器儀表設(shè)計(jì)出來(lái)的檢測(cè)系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的人工參與檢測(cè)，其具有檢測(cè)精準(zhǔn)度高、檢測(cè)效率快等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 整體框架

軸承直徑自動(dòng)化檢測(cè)裝置是以STM32 單片機(jī)為基礎(chǔ)，采用一體式激光掃描儀來(lái)對(duì)檢測(cè)裝置框架結(jié)構(gòu)開(kāi)展設(shè)計(jì)的，其中主要包含激光檢測(cè)裝置、被測(cè)軸件送進(jìn)機(jī)構(gòu)、頂錐機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輸送帶機(jī)構(gòu)以及次品篩選機(jī)構(gòu)等部分。它可以實(shí)現(xiàn)軸承檢測(cè)過(guò)程中的自動(dòng)上料、測(cè)量、自動(dòng)分選以及自動(dòng)下料等多種功能。由于一體化激光測(cè)徑儀的激光是從裝置中間發(fā)出的，這就導(dǎo)致了軸承要想實(shí)現(xiàn)在測(cè)量?jī)x上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，就需要采用兩端驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)避免因激光干涉造成測(cè)量出現(xiàn)誤差。考慮到對(duì)軸承進(jìn)行旋轉(zhuǎn)測(cè)量需要一定的時(shí)間間隔，這就需要在對(duì)該裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置為兩個(gè)不同的階段，首先將被測(cè)軸承傳送至測(cè)量?jī)x上，等到測(cè)量?jī)x對(duì)軸承測(cè)量完成之后，再將軸承傳送至輸送帶上，且在該流程之中需要緊密無(wú)縫的配合，因此，這也成為自動(dòng)化檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)難題[1]。而且，鑒于設(shè)計(jì)所檢測(cè)的軸承對(duì)于精度有著較高的要求，設(shè)備對(duì)于精度的誤差要求應(yīng)控制在0.005 mm 之內(nèi)，因此，高精度要求也成為設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)。自動(dòng)檢測(cè)裝置的系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 軸承直徑自動(dòng)化檢測(cè)裝置整體框架

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

單片機(jī)作為該檢測(cè)系統(tǒng)的核心模塊，其主要應(yīng)用于對(duì)軸承旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制，在單片機(jī)的選擇方面，本著簡(jiǎn)單實(shí)用和低成本投入的原則，同時(shí)考慮到單片機(jī)需要同時(shí)對(duì)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，而為了能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)、穩(wěn)定的控制效果，選擇STM32 系列的F103 單片機(jī)。該型號(hào)的單片機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定性高、功耗較低以及設(shè)計(jì)安裝簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，其主要的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 STM32F103 單片機(jī)性能參數(shù)

2.2 激光掃描儀

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇的一體式激光掃描儀是型號(hào)為T(mén)LSM190，其是一種專(zhuān)業(yè)用于軸類(lèi)零件直徑檢測(cè)的非接觸式測(cè)量?jī)x器，被廣泛應(yīng)用于光纖電纜、導(dǎo)柱、軸承以及鋼筋的在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)之中。TLSM190 型激光檢測(cè)儀不僅能夠做到對(duì)被測(cè)軸承的直徑、存在偏差等數(shù)據(jù)值的實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)也可以依據(jù)檢測(cè)需要來(lái)對(duì)具體的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并具有檢測(cè)超限報(bào)警功能，因此，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。TLSM190 型激光測(cè)徑儀主要是由V 形支撐塊、激光設(shè)備、顯示面板以及控制器等部分內(nèi)容組成。其具體的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 TLSM190 型激光測(cè)徑儀技術(shù)參數(shù)

TLSM190 型激光測(cè)徑儀具有主副兩個(gè)顯示器，在正常的工作狀態(tài)下，主顯示器顯示的為被測(cè)軸承的外徑值，而副顯示器顯示的是被測(cè)軸承直徑的偏差值，通常情況下系統(tǒng)默認(rèn)允許的最大偏差為2 nm，超出該偏差值系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟報(bào)警[2]。其具體的工作流程為：首先將被測(cè)量的軸承放置到測(cè)量?jī)x的V 形塊之上，然后選擇對(duì)其直徑進(jìn)行檢測(cè)，并同時(shí)對(duì)被測(cè)軸承的參考數(shù)據(jù)和偏差值進(jìn)行設(shè)定，然后開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。由于該型號(hào)的激光測(cè)徑儀具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種不同的測(cè)量模式，因而，即便是在沒(méi)有安裝自動(dòng)進(jìn)料設(shè)備的情況下，也可以通過(guò)采用手動(dòng)模式來(lái)展開(kāi)測(cè)量。

2.3 接近開(kāi)關(guān)

接近開(kāi)關(guān)是一種非接觸、無(wú)壓力、無(wú)火花并且能夠快速發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)控制的電子元器件，具有操作頻率高、使用壽命長(zhǎng)以及適應(yīng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的開(kāi)關(guān)量傳感器，因此，其被廣泛的應(yīng)用于各種高精度、高靈敏限位、計(jì)數(shù)以及保護(hù)系統(tǒng)之中[3]。其主要的工作原理為：在有金屬裝置接近接近開(kāi)關(guān)時(shí)，其就可以感應(yīng)到信號(hào)，并觸發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選擇的接近開(kāi)關(guān)型號(hào)為E2E-X1R5E2，由歐姆龍公司生產(chǎn)。

2.4 頂錐機(jī)構(gòu)

頂錐機(jī)構(gòu)的主要作用是用于對(duì)軸承進(jìn)行自動(dòng)上料和卸料操作，主要是利用V 形折彎板來(lái)對(duì)被測(cè)軸承進(jìn)行測(cè)量之前的定位，在系統(tǒng)之中，對(duì)頂錐機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用了雙導(dǎo)軌對(duì)被測(cè)軸承進(jìn)行精準(zhǔn)的定位導(dǎo)向，其具有的兩個(gè)圓形氣缸會(huì)分兩次對(duì)被測(cè)軸承進(jìn)行頂錐上料。設(shè)計(jì)的頂錐機(jī)構(gòu)主要是由V 形折彎板、支架、滑軌、氣缸以及液壓緩沖器等部分構(gòu)成。

2.5 軸承旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)之中，軸承旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用是將頂錐機(jī)構(gòu)頂?shù)郊す鉁y(cè)徑儀V 形塊上來(lái)進(jìn)行對(duì)被測(cè)件的旋轉(zhuǎn)測(cè)量[4]。考慮到設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)激光測(cè)徑儀的激光是從中間發(fā)射出來(lái)的，要想避免軸承旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中和激光測(cè)徑儀之間相互干涉，系統(tǒng)在對(duì)軸承旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用從軸件兩端進(jìn)行夾緊和驅(qū)動(dòng)的方式，這種設(shè)計(jì)方式很好的保證被測(cè)軸承在測(cè)量過(guò)程中的穩(wěn)定性，而利用錐形銷(xiāo)釘則可以有效的保證被測(cè)軸承的對(duì)心。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)

從整體上看，設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的軸承直徑自動(dòng)化檢測(cè)裝置包含有電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電氣模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等多個(gè)模塊，其本身的控制系統(tǒng)也較為復(fù)雜，包含有電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、聯(lián)動(dòng)控制、次品篩選機(jī)構(gòu)電氣控制等，其具體的系統(tǒng)控制流程如圖2 所示。軸承直徑自動(dòng)檢測(cè)裝置的工作原理為：首先，啟動(dòng)檢測(cè)程序，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到待測(cè)軸承時(shí)，翻轉(zhuǎn)分料機(jī)開(kāi)始工作，將被測(cè)軸承傳送至V形槽內(nèi)，然后旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)至一定的角度后會(huì)自動(dòng)停止，此時(shí)被測(cè)軸承從V 形槽內(nèi)滑落至頂錐機(jī)構(gòu)內(nèi)，之后頂錐機(jī)構(gòu)控制氣缸的電磁閥開(kāi)始工作，將被測(cè)軸承傳送至激光測(cè)量?jī)x的V 形塊之上，在主顯示器顯示測(cè)量數(shù)據(jù)之后，軸件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)進(jìn)行全方位測(cè)量，待測(cè)量完成之后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)自動(dòng)復(fù)位，并將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄在系統(tǒng)之中。此時(shí)氣缸將被測(cè)軸承推出傳送帶，然后系統(tǒng)對(duì)所測(cè)軸承直徑數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，如果被測(cè)軸承為合格品，將其傳送至合格品筐之中，如果被測(cè)軸承直徑超出系統(tǒng)設(shè)定精度限制，將會(huì)出發(fā)傳感器，輸送帶停止工作，而此時(shí)次品篩選機(jī)將會(huì)啟動(dòng)，將直徑不合格的軸承傳輸至不合格品筐中待處理。

圖2 系統(tǒng)控制流程

3.2 控制模式設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該裝置主要用于對(duì)批量化的軸承直徑進(jìn)行檢測(cè)，因此需要考慮到不同精度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的不同檢測(cè)方式，以便充分發(fā)揮出自動(dòng)檢測(cè)裝置的作用。針對(duì)被檢測(cè)軸承精度的不同設(shè)計(jì)兩種不同的檢測(cè)模式，一種是對(duì)于精度要求較低的軸承直徑進(jìn)行測(cè)量，一種是對(duì)于精度要求較高的軸承直徑進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于精度要求較低的軸承直徑進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以采取滾動(dòng)式的測(cè)量模式，在這種模式下主要是由頂錐機(jī)構(gòu)將被測(cè)軸承推送至激光測(cè)量?jī)x之上進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)軸件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不參與檢測(cè)，在對(duì)精度要求較高的軸承直徑進(jìn)行測(cè)量時(shí)，則需要在頂錐機(jī)構(gòu)將被測(cè)軸承傳送至激光測(cè)徑儀上之后，此時(shí)的軸件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，帶動(dòng)被測(cè)軸承進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并在測(cè)量完成之后再由頂錐機(jī)將其推送至傳送帶上。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于STM32 系列單片機(jī)，采用一體式激光測(cè)徑儀對(duì)軸承直徑的自動(dòng)化檢測(cè)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要是由頂錐機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)測(cè)量機(jī)構(gòu)、次品篩選機(jī)構(gòu)等部分組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承直徑的自動(dòng)化檢測(cè)工作，并且具有檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠、工作效率較高的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)模式下對(duì)于軸承直徑的檢測(cè)需求。