0 引言
硬度测量是工业生产特别是金属加工工业中广泛应用的传统测试技术。现代生产发展对硬度测量提出了新的要求。如汽车转向器齿杆的生产加工中，为维护价格昂贵的加工设备，迫切要求将待加工的齿杆硬度预先进行全员测试，选出硬度合格者进入后续加工工序，这是现有的台式或便携式硬度测量仪器所不能胜任的。
我们在深入研究比较各种测试原理和现有测试设备的基础上，采用里氏硬度测试原理和机电一体化设计方法，国内首次研制成功金属表面硬度全自动在线测试分选系统(以下简称“系统”)，并成功运行于汽车转向器齿杆生产线中。
1 设计要求
能批量连续自动测试各种汽车齿杆工件的里氏硬度值，并可转换成布氏、洛氏、维氏、肖氏等硬度值，所测工件划分为高硬度、低硬度和合格硬度 3 类，自动送到相应的储件箱内。主要技术指标为：
测量范围：LD ( 里氏硬度 ) 200～900
测量精度：示值误差 ±0.8%
测量对象：可扩充到钢和铸钢、合金工具钢、灰铸钢、球墨铸铁、铸铝合金、纯铜等。
2 系统组成、流程及软件
2.1 系统组成
按设计要求，系统组成如图 1 。
测头是系统的中心环节，它采用回弹式结构。测量时带有碳化钨冲击头的冲击体由弹簧力推向试件表面，冲击后反弹。由反弹电压和冲击电压即可求出试件表面的里氏硬度。我们设计的一体化测头还具有抓紧工件和释放工件的功能 。
2.2 测试流程
送料机构每次向传送带1 投放一根待测工件，传送带1 由3 相电机带动。工件由传送带1 带动穿过去磁机去磁后送入传送带2。去磁的目的是避免工件的磁化影响测量精度。传送带2由步进电机带动。工件由传送带 2 带动作精确步进运动，保证按预定测试位置进入测头。测头抓紧工件，测头触发，测头冲击体下落并回弹完成测量，然后测头释放、工件释放，工件精确位移，进入第2 点测量。如此重复完成 n 次测量。测量结果经下位机求
出后，以RS232 通信方式传给主机。主机将测量值与预先存入的技术要求值相比较，将工件划分到高硬度(过硬)、低硬度(过软)或合格硬度这3 档之中，并开启相应的分选箱小门。测完的工件滑入分选滑道，落入相应的分选箱内。
2.3 软件
系统软件由 V B 、V C 和汇编语言联合编写。VB 用于编写人机对话界面。因 VB 缺少控制硬件接口的语句，故用VC 嵌入汇编语言编写DLL 以控制接口，程序运行时由 V B 调用。
3 硬件设计
系统的硬件设计较为复杂，主要涉及光电检测电路设计(工件位置检测)、步进电机控制(工件精确位移控制)和机械动作控制(气动控制)。
3.1 光电检测
自行设计了发光电路和光接收电路，如图 2(a)、(b)。
集成芯片555 产生频率约1kHz 的脉冲驱动发光管发光，光电池接收到的信号经放大、检波后由射随输出。当光路连通时，输出为低电平;当工件到达时，光路切断，输出为高电平，微机通过检测输出电平判断工件是否到达预定位置。
3.2 步进电机控制
选用CH250芯片作为脉冲分配器[2],它将输入的单相脉冲分成3相脉冲输出,经步进电机驱动电路放大后,驱动步进电机工作。CH250 具有两种工作方式：3 相双3 拍和3 相单6 拍,现选用后者。
为控制步进电机工作，应给CH250提供如下控
制信号：
(1) 频率和个数可变的单相脉冲。此频率控制步进电机转速，脉冲个数则控制步进电机的转数( 步进数 )。
(2) 正、反转信号，即一组高、低电平信号。
(3) 一路启动和停转信号，启动时为低电平，停转时为高电平。
我们用可编程计数/定时器8253产生单相脉冲和步进电机的启停信号，用可编程并行接口芯片8255 产生步进电机的正反转信号。
3.3 机械动作控制
诸多机械动作由专门设计的机械装置完成。因气动安全可靠、传动反应快，故采用气动驱动机械装置动作。为此，我们提出了微机-接口-固态继电器(SSR )-气动的控制方案, 如图 3 。
图 3 中，微机发出指令，使接口输出高电平或低电平，使SSR 导通或截止。SSR 串接于气动电磁换向阀的供电回路中，因此使电磁换向阀通电或断电,驱动气动气缸前进或复原.从而带动机械装置动作。
将8255、8253综合设计成系统控制卡，如图4(步进电机驱动电路除外)。
图4 中，时钟发生器产生1.8432MHz 的时钟脉冲。8253的计数器1工作于分频方式，其分频系数决定了步进电机的转速。计数器2工作于计数方式，计数开始时，其输出端O2为低电平，计数结束O2 变为高电平，从而使CH250 停止工作，步进电机停转。因此计数器2的计数初值决定了步进电机的步进数即转数。
8255端口安排如下：
A 口 PA0 -光电检测输入。
B 口 PB0～PB7 -8 路气动。
C 口 PC0 -8253 门控信号，高电平时8253工作。
C 口 PC1、PC2 -CH250 方向信号。Jr=1、Jl=0 时，步进电机正转;Jr=0、Jl=1 时，步进电机反转。
驱动卡插于主机插槽中，完成光电检测、步进电机控制、机械动作控制等全部任务。
4 提高测试速度的措施
里氏硬度自动测试分选系统在生产现场在线运行，测试量大，对测试速度有较高要求。测试本身占用的时间是必须保证的。为提高系统的测试速度，只能尽量减少测试以外的时间消耗。为此，在测试前的传送阶段，要保证被测件一根紧跟一根的传送;在测试后的分选阶段，采用了特殊设计-斜坡状分选滑道。被测工件一经测试完毕，主机判断出该工件的硬度级别，立即发出指令信号，预先打开相应的分选门。此后微机程序直接转向投放新工件并进行测试，不再跟踪分选，测完的工件进入滑道后可自行落入相应的储件箱，从而缩短了测试周期，提高了测试速度。
5 结束语
国内首次研制成功金属里氏硬度自动检测分选系统，达到了设计要求并成功投入运行。进一步扩展系统的应用范围是我们继续研究的课题。
参考文献：
[1] 李惠敏，郝久玉. 里氏硬度全自动在线分选系统的研制[J].仪器仪表学报，1998(2):135-139.
[2] 李亮玉,等.步进电机脉冲分配器CH250及其应用[J].电子技术，1994(3)：28 - 30.
作者简介：郝久玉(1 9 4 5 —)，男，天津市人，天津大学教授，研究方向为机电一体化，智能控制，通信技术。
