高精度皮革检测控制系统设计

胡 清， 李海涛

(商丘职业技术学院， 河南 商丘 476000)

高精度皮革检测控制系统设计

胡 清， 李海涛

(商丘职业技术学院， 河南 商丘 476000)

提出了一个用于皮革检测的高精度皮革检测控制系统设计方案。根据皮革检测的要求，从机械结构和运动控制、数据采集三个方面对系统进行设计，该系统通过单片机精密控制电控移位台上下移动，进行弯曲、顶伸、压缩性能检测，通过光栅尺传感器和压力传感器采集数据，并将数据送入控制器处理，最后将检测的结果进行比较，获得皮革质量的品级。该系统具有机械结构简单、功能性强、成本低的特点，能够广泛应用于中小规模生产厂家。

皮革检测；步进电机；光栅尺；压力传感器；STC15F2K60S2

0 引言

随着社会生产力的不断进步，人们的生活水平不断提高，以皮革为原材料的高档服装面料逐渐进入到我们的生活当中。这种面料以轻柔、华丽、保暖效果好等特点深受广大消费者的喜爱。根据皮革质量的差异，其档次也分为不同的品级。产品质量是产品生存的关键因素，皮革服装产业中获得优质的皮革原材料是保证优质产品的第一道工序，因此对皮革原材料的检测就显得尤为重要。目前，国际上对于皮革质量优劣的判别，主要从皮革柔软度、丰满度和弹性等几个方面进行性能评测[1，2]。

近几年我国的皮革产业虽然发展迅猛，但是与国际相比起步较晚，检测技术也相对落后。传统的检验皮革的柔软度、丰满度、弹性等指标主要以人工为主，即利用有经验的工人凭手感评定皮革的质量。采用人工检测的方式对皮革质量进行评判，评判过程中因人的认识不同，掺杂的主观因素较多，使得产品的质量也良莠不齐，造成价格一直低于国际市场。国际上已经研制出皮革检测的设备，但是价格昂贵，因此，本项目设计了一款能通过量化方式检测皮革质量的高精度皮革检测控制系统，以适应国内中小规模厂家的需要。

1 系统的总体设计

皮革性能的优劣主要取决于皮革的柔软度和丰满度，本项目通过对皮革性能量化指标进行分析，制定了三项检测内容：弯曲性能检测、顶伸性能检测及压缩性能检测。每项检测都可通过光栅尺传感器和压力传感器获得相应的信息，通过综合评判得到皮革的质量品级。

本设计精度要求：弯曲位移量精度为0.01mm，顶伸位移量精度为0.01mm,压缩位移量精度为0.001mm。因为压缩位移量是三个参数中最小的，所以要充分保证其精度，定为 0.001mm。

本系统由单片机及其外围电路、步进电机、减速器、滑块丝杆、光栅尺传感器、压力传感器、测头装置及夹具组成。其中步进电机、减速器以及滑动丝杆构成了电控位移台；光栅尺传感器、压力传感器及其外围电路构成了数据采集系统。

系统工作原理：该系统通过单片机精密控制电控移位台上下移动，进行弯曲、顶伸、压缩性能检测，通过光栅尺传感器和压力传感器采集数据，并将数据经过AD变换送入控制器处理，将检测的结果进行比较，最终通过显示器显示。系统的总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计图

2 系统的硬件结构设计

2.1 系统机械结构设计

本系统的机械设计包括机械传动设计、测头设计、皮革夹具设计三部分，整体结构如图2所示。其中， 3为步进电机；4为行星齿轮减速器；5是连轴；6和7构成精密滑块丝杆；3～7构成了系统的移位部分，依靠精密丝杠的推动做上下往复运动；8和9组成了光栅尺传感器，用于测量检测中产生的位移；10是拉压式力传感器，用于测量检测中产生的力载荷；位移传感器和力传感器同时都固定在滑块7上，可以保持两组皮革力学性能指标的同步测定；11为测头、2为皮革夹具，针对弯曲性能、顶伸性能及压缩性能检测要求，分别设计了三套测头、夹具设备；1为内部是空心腔体的工作台。

图2 机械结构整体设计

弯曲性能测试部件如图3所示，夹具2A是一个带有凹槽的光滑的部件，凹槽宽度为50mm，高度为25mm。测量时，将待测皮革卷成长100mm、直径为50mm的圆筒，并将两端固定，置于凹槽中。11A为末端带有长方形底板的弯曲测头，在测量过程中，通过11A对被测皮革施压，皮革产生变形，通过光栅尺和压力传感器将采集的位移和力载荷数据传送给控制器。

顶伸性能测试部件如图4所示，夹具2B是外径136mm、内径80mm的平滑圆环，测量时，将一块无破损的完整皮革介于2B与1之间，用螺丝固定好，测头11B向下对皮革施力，以一定时间间隔自动对光栅尺和压力传感器采集数据，当顶到一定程度后，保持10s后去除外力，此后仍以一定时间间隔自动记载顶伸回复力和回复位移大小，送给控制器。

图3 弯曲性能测试部件

图4 顶伸性能测试部件

压缩性能测试部件如图5所示，夹具2C是一块外径为136mm的平滑圆台，测量时将2C与1固定在一起，将一块完整皮革置于2C上方，测头11C向下对皮革施力，以一定时间间隔自动记载光栅尺和压力传感器采集的数据，当压缩达到一定厚度时，保持10s后去除压力，此后仍以一定时间间隔自动记载压缩回复力和回复位移大小，送给控制器。

图5 压缩性能测试部件

2.2 系统控制硬件结构设计

2.2.1 MCU设计

系统核心芯片采用宏晶公司的低功耗高性能的STC15F2K60S2单片机，该芯片采用增强型8051内核，1个(时钟)机器周期，执行速度比标准的8051快8～12倍[3]，主要性能如下：

(1)内部集成60KB Flash程序存储器、1KB数据Flash、2048字节的SRAM。

(2)拥有42个I/O口，可设置四种工作模式，每个I/O口的驱动能力均可达20mA。

(3)3个16位定时/计数器。

(4)3通道(捕获/比较)单元，还可用于实现3路D/A或3个定时器或3个外部中断。

(5)2个全双工异步通信口(UART)和1个高速同步通信口(SPI)。

(6)8通道的10位ADC。

(7)内置高可靠复位电路和硬件看门狗电路(WDT)。

(8)内部集成高精度R/C时钟，无需外加晶振时钟电路。

2.2.2 运动控制模块设计

步进电机有反应式、永磁式、混合式三种[4]。反应式步进电机结构简单、成本低、步距角小，但动态性能差；永磁式步进电动机静力矩大，动态性能好，但步距角大；混合式步进电动机具有反应式步进电动机和永磁式步进电动机两者的优点，步距角小，静力矩大，动态性能好，因此本系统选用的是混合式57BYG 两相步进电机，其工作参数如表1。

表1 步进电机57BYG型参数

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移或线位移的执行机构。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，因此可以通过控制脉冲频率的方式来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。实际电路中需要通过一个步进电机驱动器实现控制器对步进电机的开环控制，根据本系统的步进电机性能参数，选用了乐创公司的DMD402A型驱动器，完整的步进电机驱动电路如图6所示。其中，Pul为脉冲信号，控制器每发出一个高电平信号，对应光耦导通一次，驱动电机步进一个步距角；Dir为方向信号，用于改变电机的运动方向；Ena为使能信号，当与其连接的光耦不导通时为使能状态，即电机正常工作，否则为禁止状态，电机相电流被切断，电机停止工作；DC-和DC+分别接GND和VCC直流电源，允许范围14V～40V；A+、A-、B+、B-为电机的A相和B相；Pul+ 、Dir+、 Ena+分别与+5V相连。设计中要注意DC的选择，若电压太高，容易造成失步，而且容易损坏部件，电机低速工作时震动较大；若电流太高，电机和驱动部件发热会比较严重，对正常工作产生不利影响。因此，应合理设置电压和电流的大小。

图6 步进电机驱动电路

2.2.3 位移检测模块设计

基于本系统低速、位移范围小、精度要求高的特点，选用了JCXE1型光栅尺作为位移检测传感器。光栅尺是一种将光信号转换为电信号的位移传感器，以数字脉冲形式输出表示位移量[5]。光栅尺由主光栅和副光栅组成(如图7)，使用时将主光栅固定，将副光栅安装在滑块上，运动机构工作时，利用光的衍射原理及干涉原理，产生以一定规则间隔排列的莫尔条纹，得到具有正弦或者方波形式的电信号。由于光栅尺输出的脉冲信号较弱，需通过放大电路、整形电路处理，然后产生能直接被控制器处理的方波或正弦信号。

1主光栅;2副光栅;3连接电缆图7 光栅尺传感器

2.2.4 压力检测模块设计

本系统压力检测模块选用的是西安新敏电子科技有限公司生产的MS-1拉压式称重传感器(图8)和BSQ-1 单路称重变送器。MS-1型压力传感器是具有“S”形的钢制称重传感器，输出对称性好，结构性紧凑，便于安装。压力传感器[6]输出的信号非常微弱，必须进行放大处理，因此选用了与之相配套的BSQ-1单路称重变送器将压力传感器输出信号转换成标准的0～5V电压信号输出，并由处理器STC15F2K60S2的AD转换电路进行处理。

图8 MS-1拉压式称重传感器

3 系统的软件设计

数据采集及处理是皮革检测系统的核心，运动机构在MCU的控制下驱动测头装置对被测皮革作用时，压力传感器会产生微弱信号，经压力变送器放大后产生标准的0～5V电压，同时以中断的方式启动光栅尺传感器，产生与之对应的位移量。由单片机对两组信号进行相应处理，并由显示模块显示经过处理后的实验数据。系统软件设计流程如图9所示。当压力传感器检测值达到一定阈值时，以中断方式让步进电机停止工作，起到系统保护的作用。

图9 系统软件设计流程

4 系统的测试

本课题将皮革性能指标的测定与皮革力学性能测定联系在一起，以此方法测定皮革的力学性能参数，反映皮革性能指标的数值参数特征。

用最小二乘法曲线建立数学模型如下：

(1)

(2)

(3)

经研究表明，相同的测试环境下，式1中的弯曲功与柔软度有关，wb值越小，皮革越柔软；式2中的压缩功与丰满度有关，wp值越大，皮革越丰满；式3中的顶伸功与弹性有关，wd值越小，皮革弹性越好；Fb、Fp、Fd分别为加载在皮革上的弯曲力、压缩力、顶伸力。

采用皮革检测系统对3块不同的皮革进行弯曲性能测试、顶伸性能测试、压力性能测试，测试数据如表2、表3、表4所示。对测试结果进行分析，分析结果表明，1号革的柔软度最好，2号革的弹性最好， 2号革的丰满度最好。同时用传统的人工方法进行检测，与系统测试所得结果一致。

表2 弯曲力测试数据

表3 顶伸力测试数据

表4 压缩力测试数据

5 结语

本设计完成的高精度皮革测试控制系统，能够以量化方法对皮革性能进行检测，大大减少了传统皮革质量检测中的人为因素影响，同时本系统与国外设备相比，具有机械结构简单、功能性强、成本低的特点，能够广泛应用于中小规模生产厂家，为提高我国皮革服饰质量品级提供了技术保障。

[1] 张晓镭.皮革性能量化评价的研究进展[J].中国皮革，2008，37(1)：23-27.

[2] 王博. 皮革感官参数测试仪控制系统及评价体系研究[D].陕西：陕西科技大学，2011.

[3] 徐爱均. 增强型8051单片机C语言编程与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2014.

[4] 王晓丹. 基于单片机的步进电机细分驱动系统的研究[D].湖南：中南大学，2008.

[5] 杨可可，温丽萍. 光栅尺传感器的应用与维护[J].科学与财富，2013(8)：16.

[6] 沈金鑫，夏静. 硅压阻式压力传感器智能校准系统设计[J].仪表技术与传感器， 2014(3):1-3.

[责任编辑吴保奎]

DesignofHighPrecisionLeatherInspectionandControlSystem

HU Qing, LI Hai- tao

(Shangqiu Polytechnic, Shangqiu 476000, China)

A design scheme of high-precision leather detection and control system for leather inspection is proposed. According to the testing requirements of leather, the system is designed from the mechanical structure, motion control and data acquisition; through the control of electronic control units shifting up and down, bending, stretching, compression top performance test, data acquisition through the grating sensor and pressure sensor, data processing and afterwards into the controller, the test results are compared, the quality of the leather grade obtained. The system has the characteristics of simple mechanical structure, strong function and low cost. It can be widely used in small and medium scale manufacturers.

leather inspection; stepper motor; grating ruler; pressure transducer; STC15F2K60S2

2017-05-18

胡清(1977-)，女，河南商丘人，硕士，讲师，研究方向：精密仪器及机械。

10.3969/j.issn.1671-7864.2017.05.005

TP274

：A

：1671- 7864(2017)05- 0013- 05