基于STM32的螺母自动检测分选机设计

张静雅，罗昱文，符茂胜

汽车紧固件广泛应用于汽车装配中，作为汽车紧固件[1]的螺母其尺寸至关重要，尺寸越准确，连接的传动件运动越精密，传递精度越高，于是对螺距、厚度、垂直度、中径等参数均有严格要求。目前国内外对于汽车紧固件的检测手法众多，例如通规、止规、千分尺、工具显微镜、激光法等[2]。通规、止规法操作简单但是不能确定螺母具体参数值，且可能导致螺母损伤变形[3]；千分尺过度依靠人工，误差大且易出现错误；工具显微镜虽然读数准确但检测缓慢大多用于实验室测量；激光法成本过高。本文介绍一款基于STM32的螺母自动检测和分选系统，同时实现螺母厚度和中径的准确测量，并将测量数据通过DGUS屏显示，便于读取，检测完成后可实现合格品和次品的分选操作，系统配备一套完善的机械和气动系统，保证检测和分选自动化[4]。

1 设计方案

1.1 器件选型

分选机采用STM32F103xzet6单片机[5]进行各部分控制，阀门控制气路带动各个气缸运动，使螺母依次进入测量区域，测量螺母中径和厚度，完成测量后将合格品和次品分开。

合格螺母的中径范围为44.15mm-44.35mm，高度为5.80mm-6.20mm，为了满足设计精度的要求，选用2个量程为5mm的电阻式精密位移传感器[6]分别测量中径和厚度，其电阻值范围为1.8 KΩ～2.2 KΩ，线性精度为0.2%，电路采用3v电压供电，其电压误差最大为6mv，产生的位移偏差仅为10um，因此与传统检测手段相比较，该系统具有检测精度较高这一优势。

机械部分选用5个气缸，分别为标准SC气缸SC32*75、气动手指气缸NHBDPG-16[7]、滑台气缸MXS12-40、导杆气缸MGPL12-20。气路部分选用调压过滤器GFR200-06、速度控制阀AS2301F-01-06S SMC[8]、压力开关PK510用以保证气路的稳定[9]。

1.2 分选机工作流程

分选机的机械部分如图1所示。

图1 机械机构图

单片机向F4口写“0”，光耦通过电信号、光信号、电信号的两步转换，实现三极管Q12导通，此时M4端口电压为低电平"0"，阀门导通。反之F4口接收“1”信号，阀门关闭。电阻R31和R43起到分压作用，保证光耦输出端电压合适，电阻R52为上拉电阻防止F4端口信号不定时阀门误导通。

在整个测量和分选过程中基本实现自动化，除了向六方筒内加入螺母的上料过程必须依赖人工操作以外，其他步骤均可自动不间断完成，上料过程的自动化操作仍在研制中。

本系统通过二位三通的电磁阀控制气路开闭，为了保证气压的稳定，加入压力开关，当气压偏离要求值时压力开关关闭，气路不通，由于压力开关的加入保证了整个气路压力在要求的范围内，不会出现推不动气缸或者气压过大而损坏气缸的情况。气路被二位三通电磁阀分为五支，控制五个气缸运动，五个二位五通电磁阀分别控制支气路通断，加入调压过滤器调节压力、过滤气体，使用速度调节阀维持气缸稳定运行。

2 机械和气动机构设计原理

2.1 机械系统设计原理

系统的机械结构主要包括：底座、推板、磁性开关气缸、滑台等几个部分，系统选用磁性开关气缸，其结构为：在普通气缸的活塞上加上磁环，缸筒上加上磁性开关[10]，利用磁环和磁性开关的相互影响，可以精确的判断出气缸的位置，从而控制其运动。

“你已被她妖艳的容貌所迷惑！”族长和师父的话语同时在他的脑海中响起，他愣愣地，觉得心底恶魔的种子再一次舒展了筋骨。

2.2 气动机构系统设计原理

外祖母没有办法，依了她。给她在家里请了一位老先生，就在自己家院子的空房子里边摆上了书桌，还有几个邻居家的姑娘，一齐念书。

超声检查、CT检查及MRI检查用于瘢痕妊娠合并子宫动静脉瘘中检出率无统计学意义（P＞0.05）；超声检查、CT检查及MRI联合检测检出率，高于单一超声检查、CT检查及MRI检查（P＜0.05），见表1。

3 硬件系统结构

3.1 硬件总体设计

系统硬件结构图如图2所示。

软件主流程图如图6所示。

图2 系统硬件结构图

系统选用STM32单片机作为核心控制器件，完成各部分系统的协同调用，通过单片机对阀门的控制实现对整个气动系统的监控，从而保证气缸合理运动，依靠位置判断模块和磁性开关判断气缸运动位置，将位移传感器采集的数据送入单片机，STM32单片机自带A/D转换功能，系统无需另加模数转换模块。采集的数据经单片机处理后送入DGUS屏进行显示[11]，并接收DGUS屏发出的控制指令，可通过DGUS屏输入合格品上下限或者调用上下限的存储值、以及发出开始检测和终止检测指令，为了保证操作者安全，加入安全光幕，当检测过程中有物体进入危险区域时，安全光幕采集危险信号送入单片机中，单片机进行报警操作，包括蜂鸣报警和终止系统运动。

3.2 信号预处理模块

系统采用RID-125-1224双路开关电源，可提供24V和12V供电，使用LM7805将12V转换为5V作为单片机供电电源，AD780将5V电压转换为3V为传感器供电，传感器选用PM11精密微型位移传感器，输出电压为0-3V，单片机AD参考电压为3V，传感器输出信号与AD匹配无需分压，但必须采用电压跟随器作为缓冲、隔离级，防止信号被前级输出电阻损耗[12]。

选用MAX44251构成电压跟随器，该芯片精度高、噪声低、可连续自校准，满足设计需要。信号预处理模块如图3所示，SENSOR1和SENSOR2分别为中径和厚度信号。

图3 信号预处理模块电路图

3.3 阀门控制模块

设计中包含阀门控制模块，如图4所示，阀门控制气路通断，实现对气缸的控制。气动阀门的通断由电磁线圈控制，为了防止反向电动势影响单片机，必须进行电气隔离，选用光电耦合器件TLP521完成隔离功能，其集电极最大承受电流为50mA，无法驱动电磁阀，因此加入NPN型三极管，利用三极管电流放大作用，其型号为BC639-16，TLP521先驱动三极管从而控制阀门动作。

图4 阀门控制模块电路图

下面对分选流程进行简单描述：推板被气缸1向前推出将螺母推入检测区域中；螺母进入待测区域后，导致上方的传感器1测头压缩，提取传感器1的测量数据并与标准件产生的位移数据相比较，由于标准件参数已知，通过比较测量法便可得出被测螺母厚度；气缸2在气路的作用下下移， 气缸3伸入被测件的孔内，为测量中径做好准备，气缸3张开至与螺母内壁贴合，导致右侧传感器2测头压缩，将输出数据与标准件测量值比较，得出被测件中径值。若中径、厚度均合格，判定为合格品，在下一个被测件推入测量区域时，合格件被推出，落入合格工件箱中；若中径和厚度有任一值不在要求范围内，判定为次品，气缸4,5分别向两侧运动，将次品通道打开，次品落入底部废品槽中，完成整个测量和分选工作。

某日几位男同事闲聊，不知怎么说到了私房钱，众人正在感慨无论怎样都会被老婆发现时，小辉默默地说：“我都存银行。”众人问：“那存折或卡呢？”他憨厚一笑：“烧掉或毁掉，要用的时候再拿身份证到银行去补。”

3.3 位置判断模块

系统上电后，完成整个系统初始化，此时气缸自复位，各气缸均回到初始位置，通过DGUS屏确定合格品上下限值，通过单片机发送指令进行螺母检测，测量值送入STM32的内部ADC[13]，判断螺母合格与否，分别就合格品和次品执行不同分选操作。光幕检测模块存在于测量每一步过程中，若此模块触发系统停止工作气缸复位。

图5 位置判断模块电路图

共有5个两线制接近开关S1、S2、S3、S4、S5，若气缸运动到S1附近时，接近开关和Q8均接通，W1-1发出0信号；相反的当气缸没有运动到位时，Q8截止，W1-1发出1信号。把W1-1的输出送入单片机中，通过读取此端口的信号，便可知道气缸是否运动到位。同理3与4端、5与6端、7与8端、9与10端之间的接近开关也可对气缸位置进行判断。

4 系统的软件设计

4.1 系统流程设计

定理2[11] 在中，算子是关于内积〈·,·〉的伴随算子，A*是A关于内积〈·,·〉在Cn的伴随算子.这里线性算子与分别被定义为

习近平总书记指出： “中国革命历史是最好的营养剂。多重温我们党领导人民进行革命的伟大历史，心中就会增添很多正能量。”湖南有124个爱国主义教育基地，24个国家红色旅游经典景区。湖南要充分发挥自身的区位、资源和生态建设等优势，抓住机遇，加快开放步伐，积极对接 “一带一路”建设，讲好湖南红色故事，让红色文化资源“走出去”，助力湖南开放崛起。

设计中需要对气缸的位置做出判断，以确定气缸是否到位，为下一步的控制做准备，为此，选用接近开关进行检测。此模块的电路图如图5所示：

虽然蒋介石有类似传统圣贤的做派，希望通过亲身垂范，影响属下，但效果不彰。1932年底，蒋介石给陈诚的手谕，告以:“如稍有暇，应将曾胡各全集及王阳明、戚继光诸书再看一遍，则养气断事，必有长进也。”对此，陈诚回复道:“虽读戚王曾胡之书，实际只可供参考资取法而已。若须与往哲精神同游，无论在事实上所不可能，亦可不必。盖勉力学之，终难避画虎不成之讥也。职除受总理遗教之熏陶外，固无一事不以钧座之意旨为意旨也。”㊸可见，陈诚对于蒋所提圣贤书并不认同。陈诚是蒋黄埔的嫡系学生，尚且对领袖思想持如此观感，遑论一般党员及民众。

图6 软件主流程图

4.2 AD采集程序设计

AD采集程序流程如图7所示。

图7 AD采集程序流程

首先对ADC进行初始化设置，对于螺母参数测量值连续50次采样，采用均值滤波法进行软件滤波，保证数据准确可靠[14]。由于STM32F103xzet6单片机转换速率最大为1Mhz，ADC时钟频率最大不能超过14Mhz，否则严重影响采样准确率。

进行单次转换时，ADC仅转换一次，可通过将ADC_CR2的ADON位置位或外部触发方式启动单次转换，转换结果置于ADC_DR寄存器， EOC置位标志转换结束，若EOCIE使能会产生中断。

5 实验结果与分析

图8为螺母自动检测分选机的实物结构图，机械、气动、硬件、软件部分均装载完毕，可以进行测量。

图8 分选机实物图

为了检测系统工作是否稳定可靠，对已知厚度为5.03mm，中径为32.52mm的标准螺母进行1000次测量，厚度数据波动范围为5.01mm至5.05mm之间，中径测量值出现一个错误数据：30.15 mm，其他值均在32.50mm至32.54mm之间，对中径的错误数据进行分析，此错误由于量爪和螺母内径没有啮合，螺母的齿顶和量爪的齿顶贴合导致，此类错误数据出现率小于万分之一，经检测此系统满足设计要求。

6 总结

设计一款基于STM32的螺母自动检测分选机系统，使用比较测量法实现厚度、中径测量，并可进行分选操作，测试表明本系统稳定可靠，错误率低于万分之一，且精度满足设计要求，本产品已投入企业实际生产检测，其上料过程的全自动化仍在研发中。

[参 考 文 献]

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