利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的輪胎模具內(nèi)徑測量系統(tǒng)設(shè)計

輪胎模具用于成型輪胎，其加工質(zhì)量對輪胎的生產(chǎn)非常重要。為了生產(chǎn)出好的輪胎，必須對輪胎模具加工質(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)量報告。這種辦法的局限性是需要操作者有一定的工作經(jīng)驗，而且取樣過程人為控制，精度受到一定影響。近幾年來，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)的檢測方法不能滿足市場需求。光柵尺是一種數(shù)字位移測量設(shè)備，測量范圍可達(dá)幾十米，測量精確在微米級；激光測距儀是一種非接觸測量設(shè)備，可以對不規(guī)則表面的目標(biāo)位移進(jìn)行測量，但是測量距離較小。將大范同的光柵尺和非接觸測量的激光測距儀結(jié)合起來就可以實現(xiàn)對不規(guī)則面的目標(biāo)距離進(jìn)行測量。將光柵尺讀頭與激光測距儀固定在機(jī)械橫梁上，運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)控制橫梁的運(yùn)動，分別對模具不同層面的內(nèi)徑進(jìn)行測量。

系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)實現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)和光柵尺數(shù)據(jù)讀取，通過接收上位機(jī)的控制命令，AVR單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動，數(shù)顯表數(shù)據(jù)和激光控制器位移數(shù)據(jù)自動經(jīng)串口發(fā)送給上位機(jī)，從而完成對模具內(nèi)徑的自動測量。

1 系統(tǒng)組成

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

單片機(jī)選用的是愛特梅爾公司的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RS232接口；激光測距儀采用的是日本基恩士公司的LK-G85激光測距傳感器和LK-G3001V激光測距控制器，其分辨率為0．1μm，測量范圍-15～+15 mm，測量距離為80 mm；光柵尺采用廣州諾信數(shù)字測控設(shè)備有限公司的KA300型系列光柵位移測量設(shè)備，讀數(shù)由其公司的SDS6型數(shù)顯表實現(xiàn)。最終的內(nèi)徑計算由上位機(jī)接收到激光測距儀數(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)徑測量方法

輪胎模具置于靜止的工作平臺之上，旋轉(zhuǎn)測量平臺處于工作平臺的中心位置，在旋轉(zhuǎn)測量平臺上的橫梁和立柱可以沿徑向和垂直兩個方向移動，激光感測頭置于測量橫粱上。根據(jù)輪胎模具的內(nèi)徑不同，沿徑向移動測量橫梁，將激光感測頭移動至測量范圍內(nèi)，即可測得激光感測頭至輪胎模具內(nèi)圓的距離，再通過利用光柵尺測量橫梁徑向移動的距離，換算出輪胎模具的內(nèi)徑。通過控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)測量平臺，就可以按照節(jié)距逐一測量輪胎模具內(nèi)徑，從而得到輪胎模具的圓度。將測量橫梁沿立柱垂直移動，就可以測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。

測量系統(tǒng)一共有3個步進(jìn)電機(jī)控制測量設(shè)備沿3方向運(yùn)動；兩把光柵尺讀取水平和垂直位移數(shù)據(jù)，還有激光測距儀實現(xiàn)非接觸位移測量，其測量結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．2 測量原理和功能實現(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，把這個內(nèi)圈設(shè)定為基準(zhǔn)圈。輪胎模具內(nèi)徑測量是基于模具胎口半徑RT已知的前提下，由程序控制整個測量過程。

在保證待測模具的平面度和同心度狀態(tài)下，調(diào)整轉(zhuǎn)動電機(jī)和垂直位移電機(jī)，使得激光感測頭位于被測點上方的已知胎口直徑位置。調(diào)整水平位移電機(jī)，使得激光感測頭與胎口被測點的水平距離為80±0．5 mm，激光傳感器在這個距離下測量精度最高。

根據(jù)胎口半徑RT和胎口被測點的激光測距值、水平光柵尺讀數(shù)，可以得到如下等式：

其中，XL是激光測距值，XR是水平光柵尺讀數(shù)，這兩個值可以多次測量取平均，XS是系統(tǒng)裝配和放置待測模具時的固有值，即如圖設(shè)備中心X0離花紋圈中心X1的距離，相對于垂直方向的每個被測點而言，XS在整個測量過程中是不變的，因此可以得到下式：

當(dāng)測量臂垂直移動至待測模具被測點的垂直位置后，平移激光感測頭至距離被測點80±0．5 mm處，然后讀取被測點的激光測距值XL’和水平光柵尺讀數(shù)XR’，則被測點的半徑滿足：

只要按照上述方法逐點測量和計算出各個被測點的直徑，就可以完成圓度測量了。

在整個測量過程中，由于要避開模具的花紋，因而對測量點有一定的要求。使用ATmega16精確控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行可以找到待測點，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)，這樣就可以對人為設(shè)定的測量點進(jìn)行測量。

2．3 設(shè)備的行程控制

在測量設(shè)備水平和垂直移動極限位置處放置行程開關(guān)來保證運(yùn)行安全，為了降低成本，通過測量轉(zhuǎn)盤的所有信號沒有采用電滑環(huán)而使用電纜直接連接。因此設(shè)備在旋轉(zhuǎn)時不能總是沿一個方向旋轉(zhuǎn)，否則會扭斷電纜。本設(shè)計中旋轉(zhuǎn)角度不超過360°，為了區(qū)分旋轉(zhuǎn)的0°和36 0°，在測量轉(zhuǎn)盤指定的位置處分別放置兩個并排的行程開關(guān)。通過判斷這兩個行程開關(guān)動作的先后次序來確定旋轉(zhuǎn)的位置，然后決定可旋轉(zhuǎn)的方向。

3 單片機(jī)設(shè)計

主要思路：上位機(jī)對電機(jī)進(jìn)行測量步驟的控制，通過發(fā)送命令使步進(jìn)電機(jī)沿設(shè)計思路正確測量數(shù)據(jù)。而在某些測量點上，需要人工干預(yù)時通過轉(zhuǎn)動手輪即可微調(diào)電機(jī)。而行程開關(guān)可以限制機(jī)械轉(zhuǎn)動的位置，也可以用于復(fù)位設(shè)置。

3．1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(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)啟動時，必須有升速、降速過程，升降速的設(shè)計至關(guān)重要。如果設(shè)計不合適，將引起步進(jìn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)、失步、升降速過程慢等問題。為了實現(xiàn)升降速，用階梯型頻率變化來模擬頻率線性變化過程。如圖4所示。

步進(jìn)電機(jī)脈沖的產(chǎn)生由定時器1和定時器2實現(xiàn)，ATmega16控制器接收到上位機(jī)的命令后，首先獲取需要轉(zhuǎn)動的步數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)命令打開相應(yīng)定時器的計數(shù)功能。控制程序中用定時器1控制二路脈沖輸出，定時器2控制一路脈沖輸出，從而完成3路電機(jī)的控制。

定時器2使用CTC模式，匹配中斷使能。通過匹配中斷，在OCR2端口可以輸出脈沖，通過設(shè)定寄存器OCR2寄存器的值可以改變輸山脈沖頻率。定時器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器2原理一樣，只是還需要改變計數(shù)上限值ICR1。由于3路電機(jī)不同時運(yùn)動，因此每次只有一個定時器處于打開狀態(tài)，其余則需要關(guān)閉。

在程序運(yùn)行中，設(shè)置了一個全局變量保存電機(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現(xiàn)微調(diào)設(shè)備找到合適的測量點。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器0，使用計數(shù)模式。定時器0沒置為CTC模式，上升沿觸發(fā)，OCR0為1，計數(shù)初始值為0，中斷使能。當(dāng)外部上升沿觸發(fā)時計數(shù)到1時觸發(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，首先將計數(shù)器自動清零等待下一個手輪脈沖。然后判斷正反信號和手輪檔位狀態(tài)，ATmega16根據(jù)狀態(tài)信息通過延時方法產(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個方向，X1、X10、X100 3個檔位。若手輪在X檔位則在相應(yīng)端口（該端口同時也是定時器脈沖輸出口）輸出一定數(shù)目的脈沖。改變延時的大小可以改變輸出頻率，但是由于延時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)。

手輪的正反信號通過D觸發(fā)器來判斷。將手輪脈沖A作為CLK信號，脈沖B為CP信號，復(fù)位端和置位端接高電平。當(dāng)手輪正轉(zhuǎn)時脈沖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)命令時采用UART查詢方法實現(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)使用國際通用標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼格式，如表1所示。

設(shè)計過程中使用ICCAVR編譯器編寫單片機(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)對上位機(jī)通信主要是使用兩個字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送手輪狀態(tài)信息和行程開關(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

文中基于AVR單片機(jī)設(shè)計了一套輪胎模具內(nèi)徑測量系統(tǒng)，可以接收電子手輪和上位機(jī)信息分時控制多路步進(jìn)電機(jī)并能控制光柵尺讀數(shù)。

該系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)過安裝后，選取標(biāo)準(zhǔn)鋼板作為測試目標(biāo)，在垂直方向選定若干個測試點，結(jié)果證明其測量誤差在2μm以內(nèi)。然后選取子午線輪胎模具作為測試目標(biāo)，與人工測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，測量誤差在4 μm以內(nèi)，達(dá)到設(shè)計要求。