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计件型电动起子控制板开发


电动螺丝刀(电批、电动起子)是现代工业中常用的生产装配工具,可提高工作效率和装配精度。由于传统电动螺丝刀以有刷串励电机为动力源,存在换向火花,易磨损、无智能控制等缺点,因此国内外开始研制采用电子换向的无刷直流电机(Brushless DC Motor,简称BLDC)作为驱动电机的新型电动螺丝刀。BLDC功率密度高、无磨损和火花、结构简单、维修方便,配以基于高性能微控制器的数字驱动控制器,可以实现数字无级调速,且可集成智能功能,增强了操作的舒适性,提高了产品附加值。

在汽车组装等精密装配领域,通常需要在一个工件上装配数量众多的螺丝,操作人员在装配的同时,还需花费脑力去计件来保证每个工件不漏装,增加了工作负担,且容易疲劳导致影响装配效率,甚至使产品存在安全隐患。因此,设计带有计件报警等功能的智能型无刷电动螺丝刀对装配行业具有重要意义。

本文在无刷电动螺丝刀控制系统的基础上,增加智能计件功能模块,详细叙述了数码管显示电路、按键设定电路、蜂鸣器提示电路和红外光电开关等电路组成的智能计件模块的设计,并讨论智能计件控制策略,最后试制了样机并进行了操作验证。

一、计件型电动螺丝刀工作原理

智能计件型无刷电动螺丝刀系统由启动操控板、正反转操控板、智能计件模块、驱动控制器、BLDC和减速制动机构等部件组成。驱动控制器接受用户操作产生的启动、待机、正转和反转等命令,经相应控制算法分析处理后,发送控制信号给功率驱动模块来驱动无刷直流电机运行,并经变速制动机构降速输出。当拧紧螺丝刀出现机械制动时,变速制动机构反馈制动信号给驱动控制器,控制电机制动停机。另外,智能计件模块用于实现对工件的螺丝装配计件,由数码管显示电路、按键设定电路、蜂鸣器提示电路和红外光电开关等组成,具有设定、计件和报警等配套功能。

二、智能电动螺丝刀硬件电路设计

本文分析数码管显示、按键设定、蜂鸣器提示和红外光电开关等电路组成的智能计件模块的设计。

2.1单片机及外围电路设计

单片机及外围电路中,以8位16 MHz主频的单片机STM8S103K3为控制核心。此单片机的主要功能有:

(1)集成EEPROM存储空间,具有掉电保存功能,可以用于保存用户对智能计件的设定值。(2)集成蜂鸣器驱动外设模块,可通过三极管直接驱动无源蜂鸣器发出各种音符。(3)有28个I/O口管脚,具有高吸收电流能力,可直接驱动数码管,满足智能计件模块电路对管脚数量和驱动能力要求。

与智能计件模块相关的引脚具体功能如下:(1)管脚PA1、PD7、PD5、PD2、PD6、PA3、PA2、PD3和PF4用于驱动数码管,其中管脚PD2和PD5复用为按键设定电路用检测脚。(2)管脚PD4受单片机的蜂鸣器驱动外设模块控制,作为驱动无源型蜂鸣器的信号脚。(3)管脚PD1除作为仿真器接口的SWIM脚外,还作为红外光电开关的信号脚。(4)START_IN、DIR_IN和BREAK_IN分别为启动信号、正反转信号和制动信号的接口。

2.2数码管显示电路设计

图3所示为数码管显示电路原理图,基于共阳极7段式数码管3162B。管脚AK通过PNP三极管T4及串联电阻R 15链接到5V电源。PF4为低电平时,T4集射极导通,使管脚AK通过电阻R 15上拉到5 V电位,此时只需通过控制数码管的A、B、C、D、E、F、G和DP脚的高低电平即可控制相应管段点亮或熄灭,组成对应的字符显示。PF4为高电平时,AK管脚无电压,数码管所有管段皆无法发亮。数码管管脚A和G对应的单片机管脚PA1和PA2不具备高吸收电流能力,须通过NPN三极管放大其驱动能力。

图3 智能电批的数码管显示电路原理图

2.3按键设定电路和蜂鸣器提示电路设计

受制于STM8S103K3的I/O管脚数量限制,将按键S1和S2的检测脚与数码管C和D脚共用单片机的PD2和PD5脚。如图4所示,PD2和PD5脚在程序设计时须配置成为外接上拉电阻的开漏输出模式,可避免管脚采用推挽式高电平输出而同时按键按下时导致的此管脚短路隐患。

基于单片机集成的蜂鸣器驱动外设模块,管脚PD4连接于三极管T3的基极,通过三极管的功率放大作用驱动蜂鸣器,可发出“哆来咪发唆啦嘻嘟”的音符,经具体分析设计后,作为智能计件功能的提示或报警使用。

图4 电批的按键设定电路和蜂鸣器提示电路原理图

2.4红外光电开关应用设计

红外光电开关是一种集发射与接收于一体的光电传感器,探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便,检测距离可以根据要求进行调节。将其安装在装配台上,当工件未放入装配台时,发出的红外光线无法反射到接收器,单片机接收到管脚PD1输出的低电平信号;当工件放入装配台时,发出的红外光线通过工件反射回到接收器,单片机接收到管脚PD1输出的高电平信号。

数码管显示电路、按键设定电路、蜂鸣器提示电路都集成在智能计件模块板上,红外光电开关通过接口与驱动控制器板连接。智能计件模块板叠加在驱动控制器板上。

三、计件型电批的控制策略设计

在无刷电动螺丝刀驱动控制策略基础上,增加智能计件控制策略。智能计件控制策略主要由数码管显示方法、蜂鸣器提示方法、按键操作方法和计件方法等组成。

3.1数码管显示方法设计

数码管主要用于显示计件数以及故障显示。设计相应程序,使其可以显示“0”~“9”以及“E”和“F”字符,为使这个数码管能显示更多的数值,定义数码管上的DP对应的小数点位表示计数值的十位值“1”,这样单数码管就可以计数0~19的范围,满足了绝大多数工件的计件数量要求。当系统出现欠压等可恢复故障时,数码管显示“F”来提示用户。当系统出现过压过流等严重的不可恢复错误时,数码管显示“E”来提示用户。

3.2计件功能启动方法设计

智能计件型无刷电动螺丝刀,可以工作于基本工作模式或计件工作模式。当螺丝刀上电后10 s内,如果红外光电开关没有检测到有工件放入装配台,单片机只接收到低电平信号,则螺丝刀将工作于基本工作模式,不启用计件功能;反之,如果上电后10 s内检测到有工件放入装配台,致使单片机检测到低电平跳变到高电平的过程,则认为红外光电开关工作正常,启用计件工作模式。

3.3按键操作方法设计

启用计件工作模式后,单片机从自身的EEPROM存储空间调出上次设置的计件设定值,并显示在数码管上。如需要调整计件设定值,可以同时按住按键S1和S2,过4 s后,进入设置状态,通过操作按键S1或S2,实现计件设定值的加减。设置完成后,须再次同时按住按键S1和S2,过4 s后,新的设置值确定,且重新存储回EEPROM相应存储空间。

3.4计件方法设计

当红外光电开关检测到工件已放入装配台后,启动计件功能。每当用户操作启动操控板使电动螺丝刀启动,单片机将计件值加1。当计件达到设定值时,一个工件装配完成,此时可将工件拿出装配平台,换上新的待装配工件后,计件值清0。如果计件未达到设定值,就将工件拿出装配台,计件值不清0,待重新放上未装配完的工件后,继续装配计件。

3.5蜂鸣器提示方法设计

蜂鸣器的提示音设计为“哆”“哆来咪”和“哆来咪发唆啦嘻嘟(下文简称哆—嘟)”3种音符,表1列出了需要发音的所有状况及对应提示音符,根据场合不同,其发音的次数也有所不同。

表1 电动螺丝刀蜂鸣器提示音说明表

四、智能电动螺丝刀的操作验证

首先,将无刷电动螺丝刀上电,10 s内,将工件放入装配台,或用手遮挡一下红外光电开关,单片机检测到红外光电开关信号的电平变化后,启动智能计件功能,并伴以蜂鸣器的“哆—嘟”声。

接下来根据工件待加工螺丝个数,设置计件设定值。同时按下按键S1和S2,4 s后,随着一声“哆来咪”,数码管显示初始设定值并闪烁;操作S1或S2调整计件设定值为19,然后同时按下按键S1和S2,随着一声“哆—嘟”,完成保存并退出了设置状态。

将工件放入装配台,红外光电开关输出高电平信号,数码管显示值清0,一声“哆—嘟”,提示此工件装配过程开始。每运行1次电动螺丝刀,数码管计数加1,运行结束时,伴以一声“哆来咪”。当计件个数达到19时,伴以一声“哆—嘟”的提示音符,此次工件装配完成。用户从装配台上拿出装配完成的工件,蜂鸣器伴以一声“哆—嘟”音符。将新的待装配工件放上装配台,红外光电开关检测到后,一声“哆—嘟”音符,数码管显示值清0,可以开始新的计数。

如计件个数达到16时,用户就将未完成装配的工件拿出装配台,蜂鸣器就会“哆”的连续声报警,直到工件重新放回装配台,报警音停止,用户可以继续完成余下的3次螺丝装配,有效保障了工件装配无遗漏。

总结

本文基于已开发的无刷直流电机驱动的电动螺丝刀控制系统,集成了由数码管显示电路、按键设定电路、蜂鸣器提示电路和红外光电开关等组成的智能计件模块,详细讨论了智能计件控制策略,最后试制了样机并进行了操作验证。结果表明智能计件型无刷电动螺丝刀控制系统硬件设计合理可靠,控制策略清晰有效,用户操作舒适,可应用于需计件智能化的工件装配场合。

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