微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陶冶博，吳湘蓮，沈旭東，張?jiān)剑鯌c祥，柯美鑫

（1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314036；2.嘉興佳利電子有限公司，浙江嘉興，314033）

0 引言

微波介質(zhì)工藝技術(shù)是首先制備各種介電常數(shù)的高溫?zé)Y(jié)陶瓷粉，并通過成型、燒結(jié)、研磨、制電極、組裝、調(diào)試等工藝，生產(chǎn)出微波頻率器件，微波介質(zhì)陶瓷坯體在1200℃以上溫度燒結(jié)而成，具有高Q 值、小尺寸、低溫度系數(shù)等優(yōu)勢。微波介質(zhì)陶瓷器件生產(chǎn)的最后一個工藝環(huán)節(jié)是調(diào)試，需要有經(jīng)驗(yàn)的調(diào)試人員通過打磨使器件的S 參數(shù)符合工藝要求。而無法通過調(diào)試要求的器件以及存在故障的器件需要被計(jì)量，計(jì)量結(jié)果可用于管理人員對生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，從而對工藝進(jìn)行改進(jìn)，提高生產(chǎn)質(zhì)量。因此，對微波介質(zhì)陶瓷器件不良品類別與數(shù)量進(jìn)行計(jì)量具有重要的意義。

本文以嘉興佳利電子有限公司微波介質(zhì)陶瓷器件生產(chǎn)線為背景?，F(xiàn)階段，由于不同型號的元器件尺寸差異大、定制化器件無法上機(jī)生產(chǎn)、調(diào)試環(huán)節(jié)需要人工進(jìn)行等原因，佳利電子采用人工計(jì)數(shù)的方式進(jìn)行不良品類別與數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，并規(guī)定每2 小時通過手持?jǐn)?shù)據(jù)采集機(jī)上報的方式，將數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺?，F(xiàn)階段采取的人工方式計(jì)量存在數(shù)據(jù)上報不及時、容易出錯、增加調(diào)試人員大量工作量等缺點(diǎn)。因此，迫切需要研制一套可以自動對微波介質(zhì)陶瓷器件不良品類別與數(shù)量進(jìn)行計(jì)量并上傳云平臺的設(shè)備。本文設(shè)計(jì)的微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置，該設(shè)備能夠?qū)Σ煌?guī)格的微波介質(zhì)陶瓷器件進(jìn)行類別和數(shù)量的計(jì)量，并將計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時上傳。該設(shè)備解決了企業(yè)生產(chǎn)管理過程中的實(shí)際問題，減少了數(shù)據(jù)采集人員的工作量，提高了生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)的實(shí)時性，為后續(xù)工藝改進(jìn)、產(chǎn)品升級奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文通過對嘉興佳利電子有限公司微波介質(zhì)陶瓷器件生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)地考察調(diào)研，并與相關(guān)生產(chǎn)工藝人員進(jìn)行交流討論，根據(jù)調(diào)研與討論的結(jié)果確定微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)方案。

通過實(shí)地使用場景及設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，了解現(xiàn)有調(diào)試工位的布局，現(xiàn)不良品收集盒最多5 個，放置在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀前方，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀尺寸為490mm×427mm×234mm(寬×深×高)。為了增加聯(lián)網(wǎng)可靠性要求通過有線網(wǎng)絡(luò)連接。為了便于安裝和維護(hù)，所有接插件需要方便插拔，同時要盡可能減少線纜數(shù)量，降低部署成本。

圖1 工位布局圖

通過與生產(chǎn)工藝人員交流討論，了解到現(xiàn)有不良品數(shù)量和類別數(shù)據(jù)的采集過程如下：調(diào)試崗位放置多個不良品收納盒，調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)不良品后，將不良品投入對應(yīng)類別的收納盒中，不良品種類最多5 類。每2 小時會有專人進(jìn)行人工計(jì)數(shù)，并通過手持?jǐn)?shù)據(jù)采集機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

通過上述兩種方式進(jìn)行調(diào)研，并根據(jù)調(diào)研結(jié)果得出現(xiàn)有方案存在數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、更新不及時、增加工人工作量等問題。為了解決上述問題確定設(shè)計(jì)方案如下。該設(shè)備包含：進(jìn)料結(jié)構(gòu)、電感式計(jì)數(shù)傳感器、單片機(jī)控制采集電路、數(shù)據(jù)采集器、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺。

系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

電感式計(jì)數(shù)傳感器：通過金屬改變電感感值的原理實(shí)現(xiàn)金屬材質(zhì)物料計(jì)數(shù)功能，需要調(diào)節(jié)靈敏度，使得不同類型的物料能夠檢測的同時，盡可能地減少干擾，例如金屬工具的干擾。

單片機(jī)控制電路：采集計(jì)數(shù)傳感器輸出的脈沖個數(shù)，同時具有顯示、清零按鈕。最后將采集的數(shù)據(jù)通過RS485 接口MODBUS 協(xié)議輸出到數(shù)據(jù)采集器。

數(shù)據(jù)采集器：通過RS485 接口連接多個微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置，并通過MODBUS 協(xié)議輪詢的方式進(jìn)行采集，將所有采集的數(shù)據(jù)通過WiFi 或網(wǎng)線MQTT 協(xié)議上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺：通過MQTT 協(xié)議獲取采集到的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)看板顯示輸出，提供給各層級人員進(jìn)行生產(chǎn)管理。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要兼容現(xiàn)有的調(diào)試工藝流程和習(xí)慣，以降低車間師傅的學(xué)習(xí)成本，同時需要兼容現(xiàn)有的物料杯。此外，采用的材料需要綜合考慮加工難度，成本等問題。本文采用六角銅柱+亞克力板的方式。結(jié)構(gòu)整體尺寸需要盡可能地緊湊，以減少工作臺的占用。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案效果圖與實(shí)物圖如圖3、圖4 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)渲染圖

圖4 設(shè)備實(shí)物圖

3 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)包括兩部分組成：微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置和數(shù)據(jù)采集器。其中數(shù)據(jù)采集器使用佳利電子公司現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集器即可實(shí)現(xiàn)功能，微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置需要重新研發(fā)。微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置功能包括：（1）電感式計(jì)數(shù)傳感器信號采集；（2）數(shù)碼管顯示當(dāng)前計(jì)數(shù)值；（3）輕觸按鍵實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)清零功能；（4）RS485 通信接口，實(shí)現(xiàn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器。

■3.1 電感式計(jì)數(shù)傳感器

電感式計(jì)數(shù)傳感器采用浙江比克電器有限公司的型號為HX-DGS-30N 的傳感器，該傳感器供電為DC6-36V，NPN型輸出。使用時需要將信號引腳通過電阻上拉至VCC 后才能輸入至單片機(jī)引腳，并通過單片機(jī)的外部中斷功能進(jìn)行信號采集。此外，為了兼容NPN 與PNP 兩種輸出類型，同時防止外部線纜引入噪聲，本文設(shè)計(jì)了光耦隔離電路，對電感式計(jì)數(shù)傳感器的信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電感式計(jì)數(shù)傳感器實(shí)物圖與電路原理圖如圖5、圖6 所示。

圖5 電感式計(jì)數(shù)傳感器

圖6 光耦隔離輸入

■3.2 顯示電路

常用的顯示電路包括：數(shù)碼管、LCD 液晶屏、OLED屏、TFT 屏等，本文為了盡可能地降低設(shè)備的功耗與成本采用數(shù)碼管進(jìn)行測量結(jié)果的顯示。數(shù)碼管具體采用0.32英寸4 位數(shù)碼管，尺寸為28mm×11mm×5mm。此外，為了降低單片機(jī)IO 口的占用，本文通過TM1620 芯片對數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動。電路原理圖如圖7 所示。

圖7 數(shù)碼管及其驅(qū)動電路

■3.3 RS485 通信接口電路

為了方便設(shè)備的安裝部署，盡可能地降低連接線纜的數(shù)量。微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置與數(shù)據(jù)采集器之間采用RS485 接口進(jìn)行通信，RS485 接口電路采用SP3485E 芯片實(shí)現(xiàn)。電路原理圖如圖8 所示。

圖8 RS485 電路原理圖

■3.4 單片機(jī)電路

綜合考慮性能需要、價格、開發(fā)成熟性等因素，選用意法半導(dǎo)體公司的STM32 F103C8T6 單片機(jī)作為核心MCU，該單片機(jī)主頻72MHz，包含37 個可用IO 接口，具有7 個定時器、2 個I2C 接口、3個USART接口滿足設(shè)計(jì)需求，同時該單片機(jī)支持低功耗模式。單片機(jī)電路原理圖如圖9所示。

圖9 單片機(jī)電路原理圖

■3.5 供電電路

為了防止在安裝過程中正負(fù)極接反而損壞設(shè)備，本文在供電輸入端設(shè)計(jì)了SS34 二極管實(shí)現(xiàn)防反接功能。硬件部分功耗最高的是5 路數(shù)碼管顯示，本文給每個顯示電路單獨(dú)設(shè)計(jì)一路3.3V 輸出電源，每路可以提供最大1A 電流。其余電路采用一路3.3V 電源。3.3V 穩(wěn)壓電路使用線性穩(wěn)壓芯片AMS1117 實(shí)現(xiàn)。電路原理圖如圖10 所示。

圖10 供電電路原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括：微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置MCU 程序、數(shù)據(jù)采集器MCU 程序以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)展示軟件。其中工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺使用佳利電子現(xiàn)有平臺實(shí)現(xiàn)，只需要根據(jù)需求設(shè)計(jì)看板即可。數(shù)據(jù)采集器MCU 程序也可以使用佳利電子現(xiàn)有方案，只需使用485 接口的MODBUS 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至云平臺即可。因此，只需要開發(fā)微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置MCU 程序。

微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置MCU 程序的流程圖如圖11 所示。

圖11 程序流程圖

5 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置的測量效果，本文設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)。首先依次將尺寸為9.5mm×4.5mm× 2.5mm、10.8mm×4.2mm ×8.6mm、12.8mm× 3.8mm×4.4mm、16.4mm ×4.5mm× 6.2mm、22.5mm× 7.0mm×8.0mm、29.5mm× 9.0mm×8.0mm、41.9mm×17.1mm×9mm 共7 種尺寸的器件放入計(jì)量裝置，觀察測量結(jié)果如表1所示。

表1 各尺寸微波介質(zhì)陶瓷器件測量結(jié)果

結(jié)論：通過上述數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置，可以準(zhǔn)確測量9.5mm×4.5 mm×2.5mm～41.9mm×17.1mm×9mm 尺寸范圍內(nèi)的微波介質(zhì)陶瓷器件，滿足設(shè)計(jì)需求。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置利用電感式計(jì)數(shù)傳感器實(shí)現(xiàn)9.5mm×4.5mm×2.5mm～41.9 mm×17.1mm×9mm 尺寸范圍內(nèi)的微波介質(zhì)陶瓷器件數(shù)量的測量。通過亞力克板、銅柱、螺絲螺母等標(biāo)準(zhǔn)件組成機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，同時降低了成本與生產(chǎn)難度。該裝置的測量結(jié)果通過MODBUS 協(xié)議輪詢的方式輸出，可以通過一個主設(shè)備連接多個從設(shè)備，從而降低了設(shè)備安裝部署和后期維修維護(hù)的難度。最后本文通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的微波介質(zhì)陶瓷器件不良品自動計(jì)量裝置可以精確測量9.5mm×4.5m m×2.5mm～41.9mm×17.1mm×9mm 尺寸范圍內(nèi)微波介質(zhì)陶瓷器件的數(shù)量。