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[導(dǎo)讀]摘要:文中所設(shè)計(jì)的基于AVR單片機(jī)的輪胎模具內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng),采用光柵尺和激光測(cè)距儀測(cè)量模具內(nèi)徑,單片機(jī)通過(guò)接收上位機(jī)的命令控制步進(jìn)電機(jī)改變測(cè)量點(diǎn),同時(shí)控制光柵尺數(shù)顯表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)返回給上位機(jī)。上位機(jī)將光

摘要:文中所設(shè)計(jì)的基于AVR單片機(jī)輪胎模具內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng),采用光柵尺和激光測(cè)距儀測(cè)量模具內(nèi)徑,單片機(jī)通過(guò)接收上位機(jī)的命令控制步進(jìn)電機(jī)改變測(cè)量點(diǎn),同時(shí)控制光柵尺數(shù)顯表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)返回給上位機(jī)。上位機(jī)將光柵尺數(shù)據(jù)和激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算后得到模具的內(nèi)徑,測(cè)量精度在4μm以內(nèi)。
關(guān)鍵詞:AVR;步進(jìn)電機(jī);光柵尺;激光測(cè)距儀

    輪胎模具用于成型輪胎,其加工質(zhì)量對(duì)輪胎的生產(chǎn)非常重要。為了生產(chǎn)出好的輪胎,必須對(duì)輪胎模具加工質(zhì)量提出高的要求。傳統(tǒng)的加工質(zhì)量檢測(cè)法主要是靠百分表,人為采集數(shù)據(jù)后分析得出加工質(zhì)量報(bào)告。這種辦法的局限性是需要操作者有一定的工作經(jīng)驗(yàn),而且取樣過(guò)程人為控制,精度受到一定影響。近幾年來(lái),輪胎模具工業(yè)隨著輪胎的大量需求而得到了快速發(fā)展,傳統(tǒng)的檢測(cè)方法不能滿足市場(chǎng)需求。光柵尺是一種數(shù)字位移測(cè)量設(shè)備,測(cè)量范圍可達(dá)幾十米,測(cè)量精確在微米級(jí);激光測(cè)距儀是一種非接觸測(cè)量設(shè)備,可以對(duì)不規(guī)則表面的目標(biāo)位移進(jìn)行測(cè)量,但是測(cè)量距離較小。將大范同的光柵尺和非接觸測(cè)量的激光測(cè)距儀結(jié)合起來(lái)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不規(guī)則面的目標(biāo)距離進(jìn)行測(cè)量。將光柵尺讀頭與激光測(cè)距儀固定在機(jī)械橫梁上,運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)控制橫梁的運(yùn)動(dòng),分別對(duì)模具不同層面的內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量。
    系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)和光柵尺數(shù)據(jù)讀取,通過(guò)接收上位機(jī)的控制命令,AVR單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng),數(shù)顯表數(shù)據(jù)和激光控制器位移數(shù)據(jù)自動(dòng)經(jīng)串口發(fā)送給上位機(jī),從而完成對(duì)模具內(nèi)徑的自動(dòng)測(cè)量。

1 系統(tǒng)組成
    基于AVR的輪胎內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)主要由AVR單片機(jī)、上位機(jī)、光柵尺、數(shù)顯表、激光測(cè)距儀、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、電子手輪、行程開(kāi)關(guān)等組成。其功能框圖如圖1所示。


    單片機(jī)選用的是愛(ài)特梅爾公司的ATmega16;上位機(jī)采用研華公司生產(chǎn)的ARK3360L工控機(jī),它擁有多個(gè)RS232接口;激光測(cè)距儀采用的是日本基恩士公司的LK-G85激光測(cè)距傳感器和LK-G3001V激光測(cè)距控制器,其分辨率為0.1μm,測(cè)量范圍-15~+15 mm,測(cè)量距離為80 mm;光柵尺采用廣州諾信數(shù)字測(cè)控設(shè)備有限公司的KA300型系列光柵位移測(cè)量設(shè)備,讀數(shù)由其公司的SDS6型數(shù)顯表實(shí)現(xiàn)。最終的內(nèi)徑計(jì)算由上位機(jī)接收到激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)和光柵尺數(shù)據(jù)后完成。

2 系統(tǒng)功能分析
2.1 模具內(nèi)徑測(cè)量方法
    輪胎模具置于靜止的工作平臺(tái)之上,旋轉(zhuǎn)測(cè)量平臺(tái)處于工作平臺(tái)的中心位置,在旋轉(zhuǎn)測(cè)量平臺(tái)上的橫梁和立柱可以沿徑向和垂直兩個(gè)方向移動(dòng),激光感測(cè)頭置于測(cè)量橫粱上。根據(jù)輪胎模具的內(nèi)徑不同,沿徑向移動(dòng)測(cè)量橫梁,將激光感測(cè)頭移動(dòng)至測(cè)量范圍內(nèi),即可測(cè)得激光感測(cè)頭至輪胎模具內(nèi)圓的距離,再通過(guò)利用光柵尺測(cè)量橫梁徑向移動(dòng)的距離,換算出輪胎模具的內(nèi)徑。通過(guò)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)測(cè)量平臺(tái),就可以按照節(jié)距逐一測(cè)量輪胎模具內(nèi)徑,從而得到輪胎模具的圓度。將測(cè)量橫梁沿立柱垂直移動(dòng),就可以測(cè)量輪胎模具不同垂向高度的內(nèi)徑,從而得到模具的圓錐度。
    測(cè)量系統(tǒng)一共有3個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制測(cè)量設(shè)備沿3方向運(yùn)動(dòng);兩把光柵尺讀取水平和垂直位移數(shù)據(jù),還有激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)非接觸位移測(cè)量,其測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖2所示。


2.2 測(cè)量原理和功能實(shí)現(xiàn)
    輪胎模具花紋塊剖面如圖3所示:花紋塊最上邊的是模具胎口,其加工的誤差一般較小,選取作為基準(zhǔn)。設(shè)胎口離花紋塊中心線X1的距離為RT,把這個(gè)內(nèi)圈設(shè)定為基準(zhǔn)圈。輪胎模具內(nèi)徑測(cè)量是基于模具胎口半徑RT已知的前提下,由程序控制整個(gè)測(cè)量過(guò)程。


    在保證待測(cè)模具的平面度和同心度狀態(tài)下,調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)和垂直位移電機(jī),使得激光感測(cè)頭位于被測(cè)點(diǎn)上方的已知胎口直徑位置。調(diào)整水平位移電機(jī),使得激光感測(cè)頭與胎口被測(cè)點(diǎn)的水平距離為80±0.5 mm,激光傳感器在這個(gè)距離下測(cè)量精度最高。
    根據(jù)胎口半徑RT和胎口被測(cè)點(diǎn)的激光測(cè)距值、水平光柵尺讀數(shù),可以得到如下等式:
   
    其中,XL是激光測(cè)距值,XR是水平光柵尺讀數(shù),這兩個(gè)值可以多次測(cè)量取平均,XS是系統(tǒng)裝配和放置待測(cè)模具時(shí)的固有值,即如圖設(shè)備中心X0離花紋圈中心X1的距離,相對(duì)于垂直方向的每個(gè)被測(cè)點(diǎn)而言,XS在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中是不變的,因此可以得到下式:
   
    當(dāng)測(cè)量臂垂直移動(dòng)至待測(cè)模具被測(cè)點(diǎn)的垂直位置后,平移激光感測(cè)頭至距離被測(cè)點(diǎn)80±0.5 mm處,然后讀取被測(cè)點(diǎn)的激光測(cè)距值XL’和水平光柵尺讀數(shù)XR’,則被測(cè)點(diǎn)的半徑滿足:
   
    只要按照上述方法逐點(diǎn)測(cè)量和計(jì)算出各個(gè)被測(cè)點(diǎn)的直徑,就可以完成圓度測(cè)量了。
    在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中,由于要避開(kāi)模具的花紋,因而對(duì)測(cè)量點(diǎn)有一定的要求。使用ATmega16精確控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行可以找到待測(cè)點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上加入手輪控制器微調(diào)步進(jìn)電機(jī)找到合適位置后再采集數(shù)據(jù),這樣就可以對(duì)人為設(shè)定的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。
2.3 設(shè)備的行程控制
    在測(cè)量設(shè)備水平和垂直移動(dòng)極限位置處放置行程開(kāi)關(guān)來(lái)保證運(yùn)行安全,為了降低成本,通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)盤(pán)的所有信號(hào)沒(méi)有采用電滑環(huán)而使用電纜直接連接。因此設(shè)備在旋轉(zhuǎn)時(shí)不能總是沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn),否則會(huì)扭斷電纜。本設(shè)計(jì)中旋轉(zhuǎn)角度不超過(guò)360°,為了區(qū)分旋轉(zhuǎn)的0°和36 0°,在測(cè)量轉(zhuǎn)盤(pán)指定的位置處分別放置兩個(gè)并排的行程開(kāi)關(guān)。通過(guò)判斷這兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作的先后次序來(lái)確定旋轉(zhuǎn)的位置,然后決定可旋轉(zhuǎn)的方向。

3 單片機(jī)設(shè)計(jì)
    主要思路:上位機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)量步驟的控制,通過(guò)發(fā)送命令使步進(jìn)電機(jī)沿設(shè)計(jì)思路正確測(cè)量數(shù)據(jù)。而在某些測(cè)量點(diǎn)上,需要人工干預(yù)時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪即可微調(diào)電機(jī)。而行程開(kāi)關(guān)可以限制機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的位置,也可以用于復(fù)位設(shè)置。
3.1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)
    步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)頻率成正比,步進(jìn)角度與脈沖數(shù)目成正比。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí),必須有升速、降速過(guò)程,升降速的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。如果設(shè)計(jì)不合適,將引起步進(jìn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)、失步、升降速過(guò)程慢等問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)升降速,用階梯型頻率變化來(lái)模擬頻率線性變化過(guò)程。如圖4所示。


    步進(jìn)電機(jī)脈沖的產(chǎn)生由定時(shí)器1和定時(shí)器2實(shí)現(xiàn),ATmega16控制器接收到上位機(jī)的命令后,首先獲取需要轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù),然后根據(jù)相應(yīng)命令打開(kāi)相應(yīng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能??刂瞥绦蛑杏枚〞r(shí)器1控制二路脈沖輸出,定時(shí)器2控制一路脈沖輸出,從而完成3路電機(jī)的控制。
    定時(shí)器2使用CTC模式,匹配中斷使能。通過(guò)匹配中斷,在OCR2端口可以輸出脈沖,通過(guò)設(shè)定寄存器OCR2寄存器的值可以改變輸山脈沖頻率。定時(shí)器1使用相位與頻率修正模式,在不同串口命令下分別設(shè)置ICR1、OCR1A和OCR1B寄存器的值并打開(kāi)不同的匹配中斷,從而可以分別在OC1A和OC1B端口輸出匹配脈沖。其輸出頻率控制和定時(shí)器2原理一樣,只是還需要改變計(jì)數(shù)上限值ICR1。由于3路電機(jī)不同時(shí)運(yùn)動(dòng),因此每次只有一個(gè)定時(shí)器處于打開(kāi)狀態(tài),其余則需要關(guān)閉。
    在程序運(yùn)行中,設(shè)置了一個(gè)全局變量保存電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)。在收到上位機(jī)的命令后,控制程序首先將該步數(shù)寫(xiě)入片內(nèi)EEPROM中再執(zhí)行。由于EEPROM數(shù)據(jù)掉電不丟失,因此系統(tǒng)掉電后復(fù)位時(shí)可以從EEPROM中取出數(shù)據(jù)然后執(zhí)行下一次操作。
3.2 手輪微調(diào)控制
    手輪的作用主要是實(shí)現(xiàn)微調(diào)設(shè)備找到合適的測(cè)量點(diǎn)。電子手輪一共有兩路脈沖輸出,兩路脈沖相位差決定了手輪的旋轉(zhuǎn)方向。手輪的控制采用定時(shí)器0,使用計(jì)數(shù)模式。定時(shí)器0沒(méi)置為CTC模式,上升沿觸發(fā),OCR0為1,計(jì)數(shù)初始值為0,中斷使能。當(dāng)外部上升沿觸發(fā)時(shí)計(jì)數(shù)到1時(shí)觸發(fā)中斷,在中斷子程序里面根據(jù)手輪狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖輸出。
    在手輪中斷子程序中,首先將計(jì)數(shù)器自動(dòng)清零等待下一個(gè)手輪脈沖。然后判斷正反信號(hào)和手輪檔位狀態(tài),ATmega16根據(jù)狀態(tài)信息通過(guò)延時(shí)方法產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)。手輪狀態(tài)共有Z、Y、X 3個(gè)方向,X1、X10、X100 3個(gè)檔位。若手輪在X檔位則在相應(yīng)端口(該端口同時(shí)也是定時(shí)器脈沖輸出口)輸出一定數(shù)目的脈沖。改變延時(shí)的大小可以改變輸出頻率,但是由于延時(shí)輸出脈沖的最大頻率決定于晶振,因此輸出脈沖受到一定影響。延遲方法產(chǎn)生的脈沖不能精確控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度,但是可以用于微調(diào)。
    手輪的正反信號(hào)通過(guò)D觸發(fā)器來(lái)判斷。將手輪脈沖A作為CLK信號(hào),脈沖B為CP信號(hào),復(fù)位端和置位端接高電平。當(dāng)手輪正轉(zhuǎn)時(shí)脈沖A脈沖與脈沖B的相位差為正90度,D觸發(fā)器輸出高電平;若反轉(zhuǎn)A脈沖與B脈沖的相位差為負(fù)90度,輸出低電平。
3.3 串口模塊
    上位機(jī)和單片機(jī)主要采用UART異步通信,收發(fā)按字節(jié)處理。單片機(jī)接收上位機(jī)命令時(shí)采用UART查詢方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。其通信格式為:起始字+控制字節(jié)+步數(shù)+結(jié)束字,數(shù)據(jù)使用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼格式,如表1所示。


    設(shè)計(jì)過(guò)程中使用ICCAVR編譯器編寫(xiě)單片機(jī)控制程序,可以使用atoi函數(shù)將ASCII碼格式步數(shù)轉(zhuǎn)化為整型數(shù)據(jù)。


    單片機(jī)對(duì)上位機(jī)通信主要是使用兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送手輪狀態(tài)信息和行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息。單片機(jī)在接收到查詢命令后,將兩字節(jié)狀態(tài)信息返回給上位機(jī),每次執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)命令后也需要向上位機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息,將執(zhí)行結(jié)果返回給上位機(jī)。其定義如表2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中基于AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套輪胎模具內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng),可以接收電子手輪和上位機(jī)信息分時(shí)控制多路步進(jìn)電機(jī)并能控制光柵尺讀數(shù)。
    該系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)過(guò)安裝后,選取標(biāo)準(zhǔn)鋼板作為測(cè)試目標(biāo),在垂直方向選定若干個(gè)測(cè)試點(diǎn),結(jié)果證明其測(cè)量誤差在2μm以內(nèi)。然后選取子午線輪胎模具作為測(cè)試目標(biāo),與人工測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,測(cè)量誤差在4 μm以內(nèi),達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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