王程桂，岳 東，葛 輝，李根平

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基于STM32的五金鉗弧面磨削系統(tǒng)設計

王程桂1,2，岳 東1,2，葛 輝1,2，李根平1

(1. 南京郵電大學先進技術研究院，江蘇 南京 210023；2. 南京郵電大學自動化學院，江蘇 南京 210023)

以廣泛應用的五金鉗類工具為加工對象，以STM32F103ZET6為硬件電路的核心處理器，設計完成了一套自動化磨削裝備人機交互操作系統(tǒng)，并根據(jù)該系統(tǒng)設計完成了機械磨削平臺。該系統(tǒng)集成了一套基于嵌入式系統(tǒng)的五金鉗類工具磨削加工的自動化裝備，同時嵌入了弧面磨削的動態(tài)調(diào)節(jié)算法，可根據(jù)弧面尺寸和形狀的不同，動態(tài)調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)，自動計算出插補運動的路徑，完成自動化磨削加工。調(diào)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)運行平穩(wěn)，差補準確。

五金鉗；STM32F103ZET6；弧面磨削

隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，同時伴隨著中國社會老齡化進程的加劇，中國的人口紅利正在消失。制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本，中國政府提出了中國制造2025的目標[1]。在人口紅利消耗殆盡的今天，五金工具的加工工藝依舊非常的落后，大量依賴人工，加工工藝還是采用傳統(tǒng)手工和部分工藝半自動化的生產(chǎn)相結(jié)合的方式，這種生產(chǎn)方式和工藝，對作業(yè)人員要求高，同時培訓周期長，作業(yè)效率較低，除此之外加工環(huán)境也對工人健康危害較大[2]。

世界發(fā)達國家五金鉗類行業(yè)較富盛名的企業(yè)有易爾拓工具、日本的田島工具、美國的世達工具和史丹利五金工具以及德事隆旗下的力易得工具。上述公司的五金鉗拋光打磨產(chǎn)線都達到了高度自動化，這主要得益于其鉗子粗胚加工是在高度自動化產(chǎn)線上完成的，自動化產(chǎn)線主要是通過高靈活度的機械臂(即通過機械臂來模擬人的手臂完成抓取、放置、移位等動作)夾持鉗子粗胚來完成后期的打磨拋光工作[3-4]。而這也是國內(nèi)中小型五金企業(yè)未能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)而不及國外同行的地方，由此拉大了國內(nèi)與國外同行的現(xiàn)實差距，即從前期粗胚的生產(chǎn)到后期粗胚的打磨拋光都缺乏有效的工業(yè)化自動化手段[5]。

目前，我國五金行業(yè)生產(chǎn)的五金鉗一般以澆鑄為主，這樣生產(chǎn)出來的鉗子粗胚抗高溫能力差、硬度低，無法作為粗胚使用國外的自動化機械臂產(chǎn)線來拋光磨削[6]。現(xiàn)有弧面磨削工序主要靠工人手工操作，有少數(shù)企業(yè)已經(jīng)嘗試使用弧面插補來進行弧面磨削。圓弧插補[7-9]技術受到精度和速度的約束，速度快、精度低會導致磨削后的弧面不夠光滑、凹凸不平；精度高、速度慢則無法滿足工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。因此，設計完成一套具有柔性的智能多工位一體化五金鉗類工具自動化磨削裝備意義重大[10]。

本文介紹的基于STM32的五金鉗弧面磨削系統(tǒng)，以SolidWorks三維設計圖為基礎，結(jié)合圓弧插補技術和運動控制技術，從而實現(xiàn)五金鉗弧面的自動磨削。結(jié)果顯示磨削效率高、磨削結(jié)果滿足設計要求。

1 弧面磨削插補原理及功能設計

五金鉗粗胚需要磨削的部位包括大面、小面、倒角、弧面等部分，其中大面、小面以及倒角皆為平面磨削，難度相對較小，磨削難點在于弧面磨削。本文針對弧面磨削系統(tǒng)進行設計，目標實現(xiàn)弧面的自動化磨削。

鑒于五金鉗的加工特點，磨削需求主要在磨削速度上，而對于磨削精度要求相對較低?，F(xiàn)有的五金鉗粗胚弧面設計要求皆為圓弧面，針對這一特點，設計以單片機為核心，采用兩軸圓弧插補技術、控制技術來構(gòu)成控制系統(tǒng)。采用固定磨削轉(zhuǎn)輪，通過兩軸抓取五金鉗粗胚走弧線的方案，實現(xiàn)轉(zhuǎn)輪對其表面進行磨削。

1.1 五金鉗的弧面磨削插補原理

通過圖1~2，可幫助理解五金鉗的弧面磨削插補原理。圖1是五金鉗弧面磨削過程中轉(zhuǎn)輪與弧面相切示意圖，其中中間部分為五金鉗的平面圖，左邊的大圓為五金鉗待磨削弧面所在的平面圓；右邊3個圓為磨削轉(zhuǎn)輪在磨削過程中的不同位置，分別對應起點、中途和結(jié)束。圖2中整個圓即為圖1中的五金鉗弧面所在圓，其中實線段為五金鉗待磨削弧面示意圖，其中點為坐標原點也是弧線上頂點，點為弧線所在圓心，為弧線下坐標，點為弧線與軸的交點，為圓的半徑。其坐標分別是(0,0)，(,)，(,)，(0,)。

圖1 五金鉗弧面在磨削時與轉(zhuǎn)輪相切示意圖

圖2 待磨削弧面示意圖

由圓內(nèi)三角關系可得

由五金鉗弧面的實物磨削特點可知，只有當五金鉗弧面所在圓和轉(zhuǎn)輪弧面所在圓之間的圓心距保持在一定的范圍以內(nèi)才能完成弧面的磨削，所以本次弧面磨削的設計將以此為原則。如圖3所示，五金鉗待磨削弧面圖中實線段，點為轉(zhuǎn)輪所在圓的圓心，點為待磨削圓弧磨削起點所在的圓心位置，點為待磨削圓弧磨削終點所在的圓心位置；其中點，1點分別為磨削終點和磨削起點時的切點位置，2點為轉(zhuǎn)輪所在圓與軸的交點。，分別為圓弧和轉(zhuǎn)輪的半徑。

圖3 五金鉗弧面磨削起點和終點示意圖

其坐標分別為(0,0)，1(1,1)，2(0,2)，(3,3)，(4,4)，(5,5)。

軸方向伺服電機步長為D，步數(shù)為

在得到軸方向步數(shù)后，即可開始進行磨削工作。具體步驟如下：

1.2 系統(tǒng)功能設計要求

考慮到本系統(tǒng)需要重復進行磨削動作，即每一次五金鉗粗胚弧面工序磨削完成后，磨削系統(tǒng)都需要回到原位準備下一次磨削，同時由于五金鉗的種類多樣性，其規(guī)格和尺寸都不盡相同，本系統(tǒng)需要完成以下設計要求：

(1)通過軟件控制系統(tǒng)，手動控制兩個軸的移動，既可以單獨控制某軸移動，也可以同時控制兩個軸配合進行插補；

(2)通過控制系統(tǒng)，在完成磨削工作后能夠使各軸回到設計的起始點；

(3)進行兩軸圓弧插補，即在控制系統(tǒng)選擇五金鉗樣式后，可根據(jù)提前存儲好的五金鉗圖紙數(shù)據(jù)自動計算插補路徑并完成五金鉗的弧面磨削。

2 機械磨削平臺設計

系統(tǒng)的機械部分主要包括：軸滑臺、同步夾持機構(gòu)以及磨削機構(gòu)。

軸滑臺包括軸滑臺、軸滑臺、伺服電機、同步輪以及同步輪帶，如圖4所示。每個滑臺通過一對伺服電機及驅(qū)動器來控制其在滾珠絲杠上來回移動的方向和步數(shù)，兩軸配合完成五金鉗弧面的插補。

圖4 XZ軸滑臺

(1.軸滑臺；2.軸滑臺及滾珠絲杠)

同步夾持機構(gòu)，包括夾持安裝座、安裝在夾持安裝座上的同步機構(gòu)、安裝在同步機構(gòu)上的夾具以及安裝在夾持安裝座上的電磁閥(氣缸)，如圖5所示。同步夾持機構(gòu)左右兩個夾持鉗口分別通過鉗口固定板固定在左右兩個電磁閥上，兩個電磁閥將五金鉗粗坯緊密地擠壓夾持在中間位置。在磨削時，兩個電磁閥配合完成五金鉗的夾持直到磨削完成再轉(zhuǎn)移。

圖5 同步夾持機構(gòu)

(1. 電磁閥(夾持元件)；2.軸滾珠絲杠)

磨削機構(gòu)的基座上有一個滑臺控制磨削機構(gòu)上下移動，由主動輪、從動輪以及張緊輪相互配合形成緊繃的砂帶，三相電機緊貼砂帶形成一個完整的五金鉗磨削機構(gòu)，如圖6所示。在磨削時，控制系統(tǒng)通過控制伺服電機帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)來調(diào)整磨削機構(gòu)的上下位置直至達到設定要求。磨削機構(gòu)保持不動，保持三相電機持續(xù)旋轉(zhuǎn)帶動砂帶旋轉(zhuǎn)完成磨削。

圖6 磨削機構(gòu)

(1. 支撐基座；2. 磨削張緊輪；3. 三相電機；4. 滾珠絲杠；5. 磨削輪)

在磨削過程中，需將五金鉗由其他工位移至到弧面磨削機所在工位的同步夾持機構(gòu)上，隨即調(diào)整磨削機構(gòu)到所設定的原點位置(一般一批工件調(diào)整一次即可)并保持固定狀態(tài)，然后軸滑臺配合夾持機構(gòu)夾持五金鉗進行磨削工作，如圖7所示。

圖7 機械機構(gòu)示意圖

3 硬件電路設計與搭建

3.1 電路系統(tǒng)總體設計

根據(jù)磨削系統(tǒng)的設計要求，首先對軸滑臺實現(xiàn)特定弧線的重現(xiàn)，其次應考慮結(jié)構(gòu)簡單、低成本、系統(tǒng)可靠性高等因素。

基于以上考慮，本系統(tǒng)選用STM32F103ZET6作為控制芯片(圖8)，該芯片資源豐富、可擴張能力強、運算速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)弧面磨削系統(tǒng)的機械運動控制等功能，完成程序的執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理；使用型號為AMS60-M01330的伺服電機并搭配CZA0423L驅(qū)動器作為滑臺和磨削機構(gòu)的移動驅(qū)動單元；選擇型號為YS90S-2的三相異步電機來驅(qū)動磨削機構(gòu)。上下位機間實現(xiàn)RS-232串口通信，該通信協(xié)議簡單、操作快捷方便?；∶婺ハ飨到y(tǒng)和自動化產(chǎn)線系統(tǒng)使用RS-485通信。機械平臺的相關參數(shù)見表1。

系統(tǒng)硬件配置(圖8)為STM32系列，其是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位閃存微控制器，采用Thumb-2指令集，專為要求高性能、低功耗、低成本的嵌入式系統(tǒng)設計，時鐘頻率可達72 MHz，內(nèi)置最高達128 K閃存。同時，該系列MCU拓展性能強，運算速度快，具備串口和調(diào)試接口，便于系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

圖8 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

表1 機械運動平臺參數(shù)表

3.2 光耦隔離電路

本控制系統(tǒng)主要用于控制電磁閥的電路、電機的轉(zhuǎn)動方向以及電機驅(qū)動器的脈沖給定等。特別是電磁閥類型的感性負載，在通斷時，可能會產(chǎn)生回流干擾。為了避免干擾，需采用隔離電路發(fā)送信號?？紤]到TLP114和P521都是光耦，不同的是二者響應時間不同，前者為0.8 ms，后者為3 ms。系統(tǒng)給電機方向和電磁閥的輸出信號都屬于開關量，而給與伺服電機驅(qū)動器的信號為速度非常快的脈沖信號，需要很快地響應速度及頻率，設計采用TLP114作為伺服電機驅(qū)動器的輸出信號隔離單元，P521作為剩余所有開關信號的隔離單元。如圖9所示，上方的隔離電路為控制系統(tǒng)輸入電路，下方的兩個電路為控制系統(tǒng)的輸出電路。

圖9 光耦隔離電路

3.3 通信電路

通信電路用于弧面磨削工位和自動化產(chǎn)線總控芯片之間的信號傳輸，在自動化產(chǎn)線系統(tǒng)中，由總控芯片向本工位控制芯片STM32發(fā)送磨削任務，然后本工位進行磨削任務的操作，在任務完成后需要向總控芯片反饋完成信息并等待下一個任務信息的到來，如圖10所示。圖中上方3個TLP118電路為信號隔離電路，使得芯片控制端與電機控制端不直接相連，第4個則是485通信電路，用于芯片間的通信。

圖10 通信電路

MAX3485是用于RS-485與RS-232通信的芯片，具有一個驅(qū)動器和一個接收器，傳輸速率最高可實現(xiàn)10 Mbp，屬于半雙工應用設計。驅(qū)動器具有短路電流限制，并可以通過熱關斷電路設置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率耗損。同時接收器具有失效保護性，即當輸入開路時，能夠確保邏輯高電平輸出。在接收數(shù)據(jù)時，需要使得控制管腳為低電平；在發(fā)送數(shù)據(jù)時，控制管腳為高電平。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要是為了控制系統(tǒng)的運行并確保機械磨削平臺能夠準確運作，主要包括系統(tǒng)初始化模塊、通信模塊、電機控制模塊、傳感器模塊。在系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)一直掛起等待流水線系統(tǒng)主控芯片的磨削任務信息，待五金鉗到達預設定位置，主控芯片由金屬接近開關反饋的信息向弧面磨削系統(tǒng)發(fā)送磨削任務信號。弧面磨削系統(tǒng)在接到磨削任務信號后即根據(jù)得到的信息從預先存儲的數(shù)據(jù)中得到本次任務所對應的數(shù)據(jù)，從而計算待磨削弧面的方向、角度以及步數(shù)，然后磨削系統(tǒng)開始進行弧面磨削。磨削完成后，向主控發(fā)送本工位磨削任務已完成的信息，若沒有得到下一個任務的信息，系統(tǒng)就一直處于等待狀態(tài)。系統(tǒng)軟件控制流程圖如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)軟件控制流程圖

為了面向不同型號的五金鉗磨削對象，秉承著多參數(shù)可調(diào)節(jié)的原則，盡可能在最大程度上實現(xiàn)磨削自動化并實現(xiàn)單步測試，特設計如圖12所示的人機交互系統(tǒng)。其中包括：圖12(a)可根據(jù)待磨削對象的尺寸需求，設置電機的運動方向和距離，并進行夾持氣缸等多種電磁閥的單步調(diào)試；圖12(b)可根據(jù)待磨削對象的位置需求，結(jié)合具體情況設置磨削轉(zhuǎn)輪的合適起點位置和電機運行速度。

圖12 人機交互界面

5 系統(tǒng)磨削效果測試

為了驗證該系統(tǒng)的實際磨削能力，選用五金鉗實物進行系統(tǒng)測試。系統(tǒng)測試目的是檢測系統(tǒng)的實用性、穩(wěn)定性以及存在的問題。在系統(tǒng)調(diào)試時，先將系統(tǒng)初始化，然后將五金鉗按照設計擺放位置放定，隨即在人機交互系統(tǒng)上選定五金鉗待磨削類型和尺寸并根據(jù)實際條件調(diào)整轉(zhuǎn)輪的位置，最后進行系統(tǒng)磨削效果測試。

五金鉗磨削前后的實物對比如圖13所示。通過實物磨削測試，可以看出，即便磨削前的五金鉗弧面粗糙不堪，磨削后的弧面光滑明亮，與市面上售賣的五金鉗弧面光滑程度無差異。說明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)五金鉗弧面的自動化磨削，達到了預期的效果。

圖13 五金鉗弧面磨削測試

6 結(jié) 論

本文設計了一種基于STM32的五金鉗弧面磨削系統(tǒng)，搭建了該系統(tǒng)的機械系統(tǒng)、硬件電路和控制方法，在工作過程中，針對五金鉗磨削需求的特點將弧面所在圓心和轉(zhuǎn)輪圓心距離保持在一個特定的范圍，針對性完成五金鉗弧面手工磨削的機器換人策略。經(jīng)過測試，一次弧面磨削耗時約為10~15 s，與之相對的是手工磨削耗時數(shù)以分鐘計，可以看出，該系統(tǒng)可以極大地提高磨削效率，能夠滿足工業(yè)磨削需求，具有很強的工業(yè)價值和實用意義。

[1] 周濟. 智能制造—“中國制造2025”的主攻方向[J]. 中國機械工程, 2015, 26(17): 2273-2284.

[2] 中國制造網(wǎng). 2016年上半年五金工具行業(yè)分析報 告[EB/OL]. (2016-10-26) [2017-03-28]. http://service. made-in-china.com/market-analysis/industry-analysis-report/695064.html.

[3] BEUDAERT X, LAVERNHE S, TOURNIER C. Direct trajectory interpolation on the surface using an open CNC [J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 75(1-4): 535-546.

[4] BJERKENG M, SCHRIMPF J, MYHRE T, et al. Fast dual-arm manipulation using variable admittance control:implementation and experimental results [C]//Proceeding of the IEEE/RSJ International Conference on Inrelligent Robots and Systems. New York: IEEE Press, 2014: 4728-4734.

[5] ZHENG K J, SHANG B. Circular interpolation algorithms of 5-axis simultaneous CNC system [C]//Pcoceeding of the International Symposium on Sigital Manufacture. Wuhan: Wuhan University of Technology Press, 2006: 407-411.

[6] 蔣平. 我國五金行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[R]. 北京: 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院, 2015.

[7] 唐慧峰. 改進逐點比較法圓弧插補的研究與仿真[J]. 微計算機信息, 2006, 22(5-3): 240-241.

[8] 王帥夫, 劉景林. 基于軌跡控制的改進的直接函數(shù)法圓弧插補算法[J]. 測控技術, 2011, 30(9): 112-115.

[9] QIAN W H. Four-arc approximation to elipses: the best in general [J]. Computer Aided Geometric Design, 2011, 28(4): 257-269.

[10]岳東, 葛輝, 解相朋, 等. 智能多工位一體化五金鉗類工具自動化磨削裝備及其方法: 中國, 2016100646130 [P/OL]. [2016-11-09]. http://epub.sipo.gov.cn/ pam.action.

Design of Arc Grinding System for Hardware Clamp Based on MCU STM32

WANG Chenggui1,2, YUE Dong1,2, GE Hui1,2, LI Genping1

(1. Institute of Advanced Technology, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing Jiangsu 210023, China; 2. College of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing Jiangsu 210023, China)

In this paper, a variety of widely used hardware clamp tools were taken as the processing object, and STM32F103ZET6 was adopted as the core processor of the hardware circuit to design a human-computer interaction system of automation grinding equipment. Meanwhile, a completed mechanical grinding platform according to the system was designed as well and grinding automation equipment was integrated based on embedded hardware clamp tools. The system contains a dynamic adjustment of the arc grinding algorithm, which can adjust the input parameters dynamically according to the different arc sizes and shapes. This system will automatically calculate the interpolation of the movement of the path to complete the automated grinding. Finally, the debugging result shows that the system is running smoothly and the interpolation is accurate.

hardware clamp; STM32F103ZET6; arc grinding

TH 164

10.11996/JG.j.2095-302X.2018010116

A

2095-302X(2018)01-0116-07

2017-06-04；

2017-06-22

王程桂(1992–)，男，江蘇興化人，碩士研究生。主要研究方向為智能制造及工業(yè)自動化裝備。E-mail：653092656@qq.com

岳 東(1964–)，男，河南新鄉(xiāng)人，教授，博士。主要研究方向為網(wǎng)絡化控制、智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析與協(xié)調(diào)控制、物聯(lián)網(wǎng)及應用、先進制造裝備與系統(tǒng)。E-mail：medongy@vip.163.com