微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置的设计与实现

陶冶博，吴湘莲，沈旭东，张越，王庆祥，柯美鑫

（1.嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036；
2.嘉兴佳利电子有限公司，浙江嘉兴，314033）

微波介质工艺技术是首先制备各种介电常数的高温烧结陶瓷粉，并通过成型、烧结、研磨、制电极、组装、调试等工艺，生产出微波频率器件，微波介质陶瓷坯体在1200℃以上温度烧结而成，具有高Q 值、小尺寸、低温度系数等优势。微波介质陶瓷器件生产的最后一个工艺环节是调试，需要有经验的调试人员通过打磨使器件的S 参数符合工艺要求。而无法通过调试要求的器件以及存在故障的器件需要被计量，计量结果可用于管理人员对生产工艺进行分析，从而对工艺进行改进，提高生产质量。因此，对微波介质陶瓷器件不良品类别与数量进行计量具有重要的意义。

本文以嘉兴佳利电子有限公司微波介质陶瓷器件生产线为背景。现阶段，由于不同型号的元器件尺寸差异大、定制化器件无法上机生产、调试环节需要人工进行等原因，佳利电子采用人工计数的方式进行不良品类别与数量的统计，并规定每2 小时通过手持数据采集机上报的方式，将数据上传至工业互联网云平台。现阶段采取的人工方式计量存在数据上报不及时、容易出错、增加调试人员大量工作量等缺点。因此，迫切需要研制一套可以自动对微波介质陶瓷器件不良品类别与数量进行计量并上传云平台的设备。本文设计的微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置，该设备能够对不同规格的微波介质陶瓷器件进行类别和数量的计量，并将计量数据实时上传。该设备解决了企业生产管理过程中的实际问题，减少了数据采集人员的工作量，提高了生产管理数据的实时性，为后续工艺改进、产品升级奠定了基础。

本文通过对嘉兴佳利电子有限公司微波介质陶瓷器件生产线进行实地考察调研，并与相关生产工艺人员进行交流讨论，根据调研与讨论的结果确定微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置的设计方案。

通过实地使用场景及设备进行调研，了解现有调试工位的布局，现不良品收集盒最多5 个，放置在矢量网络分析仪前方，矢量网络分析仪尺寸为490mm×427mm×234mm(宽×深×高)。为了增加联网可靠性要求通过有线网络连接。为了便于安装和维护，所有接插件需要方便插拔，同时要尽可能减少线缆数量，降低部署成本。

图1 工位布局图

通过与生产工艺人员交流讨论，了解到现有不良品数量和类别数据的采集过程如下：调试岗位放置多个不良品收纳盒，调试人员发现不良品后，将不良品投入对应类别的收纳盒中，不良品种类最多5 类。每2 小时会有专人进行人工计数，并通过手持数据采集机进行数据上传。

通过上述两种方式进行调研，并根据调研结果得出现有方案存在数据不准确、更新不及时、增加工人工作量等问题。为了解决上述问题确定设计方案如下。该设备包含：进料结构、电感式计数传感器、单片机控制采集电路、数据采集器、工业互联网云平台。

系统框图如图2 所示。

图2 系统框图

电感式计数传感器：通过金属改变电感感值的原理实现金属材质物料计数功能，需要调节灵敏度，使得不同类型的物料能够检测的同时，尽可能地减少干扰，例如金属工具的干扰。

单片机控制电路：采集计数传感器输出的脉冲个数，同时具有显示、清零按钮。最后将采集的数据通过RS485 接口MODBUS 协议输出到数据采集器。

数据采集器：通过RS485 接口连接多个微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置，并通过MODBUS 协议轮询的方式进行采集，将所有采集的数据通过WiFi 或网线MQTT 协议上传至工业互联网云平台。

工业互联网云平台：通过MQTT 协议获取采集到的数据，并通过数据看板显示输出，提供给各层级人员进行生产管理。

结构设计需要兼容现有的调试工艺流程和习惯，以降低车间师傅的学习成本，同时需要兼容现有的物料杯。此外，采用的材料需要综合考虑加工难度，成本等问题。本文采用六角铜柱+亚克力板的方式。结构整体尺寸需要尽可能地紧凑，以减少工作台的占用。

结构设计方案效果图与实物图如图3、图4 所示。

图3 结构渲染图

图4 设备实物图

本设备硬件结构包括两部分组成：微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置和数据采集器。其中数据采集器使用佳利电子公司现有数据采集器即可实现功能，微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置需要重新研发。微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置功能包括：（1）电感式计数传感器信号采集；
（2）数码管显示当前计数值；
（3）轻触按键实现计数清零功能；
（4）RS485 通信接口，实现将采集的数据发送给数据采集器。

■3.1 电感式计数传感器

电感式计数传感器采用浙江比克电器有限公司的型号为HX-DGS-30N 的传感器，该传感器供电为DC6-36V，NPN型输出。使用时需要将信号引脚通过电阻上拉至VCC 后才能输入至单片机引脚，并通过单片机的外部中断功能进行信号采集。此外，为了兼容NPN 与PNP 两种输出类型，同时防止外部线缆引入噪声，本文设计了光耦隔离电路，对电感式计数传感器的信号进行电平转换。电感式计数传感器实物图与电路原理图如图5、图6 所示。

图5 电感式计数传感器

图6 光耦隔离输入

■3.2 显示电路

常用的显示电路包括：数码管、LCD 液晶屏、OLED屏、TFT 屏等，本文为了尽可能地降低设备的功耗与成本采用数码管进行测量结果的显示。数码管具体采用0.32英寸4 位数码管，尺寸为28mm×11mm×5mm。此外，为了降低单片机IO 口的占用，本文通过TM1620 芯片对数码管进行驱动。电路原理图如图7 所示。

图7 数码管及其驱动电路

■3.3 RS485 通信接口电路

为了方便设备的安装部署，尽可能地降低连接线缆的数量。微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置与数据采集器之间采用RS485 接口进行通信，RS485 接口电路采用SP3485E 芯片实现。电路原理图如图8 所示。

图8 RS485 电路原理图

■3.4 单片机电路

综合考虑性能需要、价格、开发成熟性等因素，选用意法半导体公司的STM32 F103C8T6 单片机作为核心MCU，该单片机主频72MHz，包含37 个可用IO 接口，具有7 个定时器、2 个I2C 接口、3个USART接口满足设计需求，同时该单片机支持低功耗模式。单片机电路原理图如图9所示。

图9 单片机电路原理图

■3.5 供电电路

为了防止在安装过程中正负极接反而损坏设备，本文在供电输入端设计了SS34 二极管实现防反接功能。硬件部分功耗最高的是5 路数码管显示，本文给每个显示电路单独设计一路3.3V 输出电源，每路可以提供最大1A 电流。其余电路采用一路3.3V 电源。3.3V 稳压电路使用线性稳压芯片AMS1117 实现。电路原理图如图10 所示。

图10 供电电路原理图

软件部分主要包括：微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置MCU 程序、数据采集器MCU 程序以及工业互联网云平台数据展示软件。其中工业互联网云平台使用佳利电子现有平台实现，只需要根据需求设计看板即可。数据采集器MCU 程序也可以使用佳利电子现有方案，只需使用485 接口的MODBUS 协议进行数据读取，并将采集的数据上传至云平台即可。因此，只需要开发微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置MCU 程序。

微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置MCU 程序的流程图如图11 所示。

图11 程序流程图

为了验证本文设计的微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置的测量效果，本文设计了以下实验。首先依次将尺寸为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 种尺寸的器件放入计量装置，观察测量结果如表1所示。

表1 各尺寸微波介质陶瓷器件测量结果

结论：通过上述数据可知，本文设计的微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置，可以准确测量9.5mm×4.5 mm×2.5mm～41.9mm×17.1mm×9mm 尺寸范围内的微波介质陶瓷器件，满足设计需求。

本文设计的微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置利用电感式计数传感器实现9.5mm×4.5mm×2.5mm～41.9 mm×17.1mm×9mm 尺寸范围内的微波介质陶瓷器件数量的测量。通过亚力克板、铜柱、螺丝螺母等标准件组成机械结构部分，同时降低了成本与生产难度。该装置的测量结果通过MODBUS 协议轮询的方式输出，可以通过一个主设备连接多个从设备，从而降低了设备安装部署和后期维修维护的难度。最后本文通过实验，验证了所设计的微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置可以精确测量9.5mm×4.5m m×2.5mm～41.9mm×17.1mm×9mm 尺寸范围内微波介质陶瓷器件的数量。

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