電器與工具
計(jì)件型電動(dòng)螺絲刀控制板開發(fā)
電動(dòng)螺絲刀（電批、電動(dòng)起子）是現(xiàn)代工業(yè)中常用的生產(chǎn)裝配工具，可提高工作效率和裝配精度。由于傳統(tǒng)電動(dòng)螺絲刀以有刷串勵(lì)電機(jī)為動(dòng)力源，存在換向火花，易磨損、無智能控制等缺點(diǎn)，因此國(guó)內(nèi)外開始研制采用電子換向的無刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor，簡(jiǎn)稱BLDC）作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的新型電動(dòng)螺絲刀。BLDC功率密度高、無磨損和火花、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便，配以基于高性能微控制器的數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制器，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字無級(jí)調(diào)速，且可集成智能功能，增強(qiáng)了操作的舒適性，提高了產(chǎn)品附加值。
在汽車組裝等精密裝配領(lǐng)域，通常需要在一個(gè)工件上裝配數(shù)量眾多的螺絲，操作人員在裝配的同時(shí)，還需花費(fèi)腦力去計(jì)件來保證每個(gè)工件不漏裝，增加了工作負(fù)擔(dān)，且容易疲勞導(dǎo)致影響裝配效率，甚至使產(chǎn)品存在安全隱患。因此，設(shè)計(jì)帶有計(jì)件報(bào)警等功能的智能型無刷電動(dòng)螺絲刀對(duì)裝配行業(yè)具有重要意義。
本文在無刷電動(dòng)螺絲刀控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加智能計(jì)件功能模塊，詳細(xì)敘述了數(shù)碼管顯示電路、按鍵設(shè)定電路、蜂鳴器提示電路和紅外光電開關(guān)等電路組成的智能計(jì)件模塊的設(shè)計(jì)，并討論智能計(jì)件控制策略，最后試制了樣機(jī)并進(jìn)行了操作驗(yàn)證。
一、計(jì)件型電動(dòng)螺絲刀工作原理
智能計(jì)件型無刷電動(dòng)螺絲刀系統(tǒng)由啟動(dòng)操控板、正反轉(zhuǎn)操控板、智能計(jì)件模塊、驅(qū)動(dòng)控制器、BLDC和減速制動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成。驅(qū)動(dòng)控制器接受用戶操作產(chǎn)生的啟動(dòng)、待機(jī)、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等命令，經(jīng)相應(yīng)控制算法分析處理后，發(fā)送控制信號(hào)給功率驅(qū)動(dòng)模塊來驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)運(yùn)行，并經(jīng)變速制動(dòng)機(jī)構(gòu)降速輸出。當(dāng)擰緊螺絲刀出現(xiàn)機(jī)械制動(dòng)時(shí)，變速制動(dòng)機(jī)構(gòu)反饋制動(dòng)信號(hào)給驅(qū)動(dòng)控制器，控制電機(jī)制動(dòng)停機(jī)。另外，智能計(jì)件模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的螺絲裝配計(jì)件，由數(shù)碼管顯示電路、按鍵設(shè)定電路、蜂鳴器提示電路和紅外光電開關(guān)等組成，具有設(shè)定、計(jì)件和報(bào)警等配套功能。
二、智能電動(dòng)螺絲刀硬件電路設(shè)計(jì)
本文分析數(shù)碼管顯示、按鍵設(shè)定、蜂鳴器提示和紅外光電開關(guān)等電路組成的智能計(jì)件模塊的設(shè)計(jì)。
2.1單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)及外圍電路中，以8位16 MHz主頻的單片機(jī)STM8S103K3為控制核心。此單片機(jī)的主要功能有：
（1）集成EEPROM存儲(chǔ)空間，具有掉電保存功能，可以用于保存用戶對(duì)智能計(jì)件的設(shè)定值。（2）集成蜂鳴器驅(qū)動(dòng)外設(shè)模塊，可通過三極管直接驅(qū)動(dòng)無源蜂鳴器發(fā)出各種音符。（3）有28個(gè)I/O口管腳，具有高吸收電流能力，可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，滿足智能計(jì)件模塊電路對(duì)管腳數(shù)量和驅(qū)動(dòng)能力要求。
與智能計(jì)件模塊相關(guān)的引腳具體功能如下：（1）管腳PA1、PD7、PD5、PD2、PD6、PA3、PA2、PD3和PF4用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，其中管腳PD2和PD5復(fù)用為按鍵設(shè)定電路用檢測(cè)腳。（2）管腳PD4受單片機(jī)的蜂鳴器驅(qū)動(dòng)外設(shè)模塊控制，作為驅(qū)動(dòng)無源型蜂鳴器的信號(hào)腳。（3）管腳PD1除作為仿真器接口的SWIM腳外，還作為紅外光電開關(guān)的信號(hào)腳。（4）START_IN、DIR_IN和BREAK_IN分別為啟動(dòng)信號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)的接口。
2.2數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)
圖3所示為數(shù)碼管顯示電路原理圖，基于共陽極7段式數(shù)碼管3162B。管腳AK通過PNP三極管T4及串聯(lián)電阻R 15鏈接到5V電源。PF4為低電平時(shí)，T4集射極導(dǎo)通，使管腳AK通過電阻R 15上拉到5 V電位，此時(shí)只需通過控制數(shù)碼管的A、B、C、D、E、F、G和DP腳的高低電平即可控制相應(yīng)管段點(diǎn)亮或熄滅，組成對(duì)應(yīng)的字符顯示。PF4為高電平時(shí)，AK管腳無電壓，數(shù)碼管所有管段皆無法發(fā)亮。數(shù)碼管管腳A和G對(duì)應(yīng)的單片機(jī)管腳PA1和PA2不具備高吸收電流能力，須通過NPN三極管放大其驅(qū)動(dòng)能力。
2.3按鍵設(shè)定電路和蜂鳴器提示電路設(shè)計(jì)
受制于STM8S103K3的I/O管腳數(shù)量限制，將按鍵S1和S2的檢測(cè)腳與數(shù)碼管C和D腳共用單片機(jī)的PD2和PD5腳。如圖4所示，PD2和PD5腳在程序設(shè)計(jì)時(shí)須配置成為外接上拉電阻的開漏輸出模式，可避免管腳采用推挽式高電平輸出而同時(shí)按鍵按下時(shí)導(dǎo)致的此管腳短路隱患。
基于單片機(jī)集成的蜂鳴器驅(qū)動(dòng)外設(shè)模塊，管腳PD4連接于三極管T3的基極，通過三極管的功率放大作用驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，可發(fā)出“哆來咪發(fā)唆啦嘻嘟”的音符，經(jīng)具體分析設(shè)計(jì)后，作為智能計(jì)件功能的提示或報(bào)警使用。
2.4紅外光電開關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)
紅外光電開關(guān)是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便，檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。將其安裝在裝配臺(tái)上，當(dāng)工件未放入裝配臺(tái)時(shí)，發(fā)出的紅外光線無法反射到接收器，單片機(jī)接收到管腳PD1輸出的低電平信號(hào)；當(dāng)工件放入裝配臺(tái)時(shí)，發(fā)出的紅外光線通過工件反射回到接收器，單片機(jī)接收到管腳PD1輸出的高電平信號(hào)。
數(shù)碼管顯示電路、按鍵設(shè)定電路、蜂鳴器提示電路都集成在智能計(jì)件模塊板上，紅外光電開關(guān)通過接口與驅(qū)動(dòng)控制器板連接。智能計(jì)件模塊板疊加在驅(qū)動(dòng)控制器板上。
三、計(jì)件型電批的控制策略設(shè)計(jì)
在無刷電動(dòng)螺絲刀驅(qū)動(dòng)控制策略基礎(chǔ)上，增加智能計(jì)件控制策略。智能計(jì)件控制策略主要由數(shù)碼管顯示方法、蜂鳴器提示方法、按鍵操作方法和計(jì)件方法等組成。
3.1數(shù)碼管顯示方法設(shè)計(jì)
數(shù)碼管主要用于顯示計(jì)件數(shù)以及故障顯示。設(shè)計(jì)相應(yīng)程序，使其可以顯示“0”~“9”以及“E”和“F”字符，為使這個(gè)數(shù)碼管能顯示更多的數(shù)值，定義數(shù)碼管上的DP對(duì)應(yīng)的小數(shù)點(diǎn)位表示計(jì)數(shù)值的十位值“1”，這樣單數(shù)碼管就可以計(jì)數(shù)0~19的范圍，滿足了絕大多數(shù)工件的計(jì)件數(shù)量要求。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓等可恢復(fù)故障時(shí)，數(shù)碼管顯示“F”來提示用戶。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過壓過流等嚴(yán)重的不可恢復(fù)錯(cuò)誤時(shí)，數(shù)碼管顯示“E”來提示用戶。
3.2計(jì)件功能啟動(dòng)方法設(shè)計(jì)
智能計(jì)件型無刷電動(dòng)螺絲刀，可以工作于基本工作模式或計(jì)件工作模式。當(dāng)螺絲刀上電后10 s內(nèi)，如果紅外光電開關(guān)沒有檢測(cè)到有工件放入裝配臺(tái)，單片機(jī)只接收到低電平信號(hào)，則螺絲刀將工作于基本工作模式，不啟用計(jì)件功能；反之，如果上電后10 s內(nèi)檢測(cè)到有工件放入裝配臺(tái)，致使單片機(jī)檢測(cè)到低電平跳變到高電平的過程，則認(rèn)為紅外光電開關(guān)工作正常，啟用計(jì)件工作模式。
3.3按鍵操作方法設(shè)計(jì)
啟用計(jì)件工作模式后，單片機(jī)從自身的EEPROM存儲(chǔ)空間調(diào)出上次設(shè)置的計(jì)件設(shè)定值，并顯示在數(shù)碼管上。如需要調(diào)整計(jì)件設(shè)定值，可以同時(shí)按住按鍵S1和S2，過4 s后，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，通過操作按鍵S1或S2，實(shí)現(xiàn)計(jì)件設(shè)定值的加減。設(shè)置完成后，須再次同時(shí)按住按鍵S1和S2，過4 s后，新的設(shè)置值確定，且重新存儲(chǔ)回EEPROM相應(yīng)存儲(chǔ)空間。
3.4計(jì)件方法設(shè)計(jì)
當(dāng)紅外光電開關(guān)檢測(cè)到工件已放入裝配臺(tái)后，啟動(dòng)計(jì)件功能。每當(dāng)用戶操作啟動(dòng)操控板使電動(dòng)螺絲刀啟動(dòng)，單片機(jī)將計(jì)件值加1。當(dāng)計(jì)件達(dá)到設(shè)定值時(shí)，一個(gè)工件裝配完成，此時(shí)可將工件拿出裝配平臺(tái)，換上新的待裝配工件后，計(jì)件值清0。如果計(jì)件未達(dá)到設(shè)定值，就將工件拿出裝配臺(tái)，計(jì)件值不清0，待重新放上未裝配完的工件后，繼續(xù)裝配計(jì)件。
3.5蜂鳴器提示方法設(shè)計(jì)
蜂鳴器的提示音設(shè)計(jì)為“哆”“哆來咪”和“哆來咪發(fā)唆啦嘻嘟（下文簡(jiǎn)稱哆—嘟）”3種音符，表1列出了需要發(fā)音的所有狀況及對(duì)應(yīng)提示音符，根據(jù)場(chǎng)合不同，其發(fā)音的次數(shù)也有所不同。
四、智能電動(dòng)螺絲刀的操作驗(yàn)證
首先，將無刷電動(dòng)螺絲刀上電，10 s內(nèi)，將工件放入裝配臺(tái)，或用手遮擋一下紅外光電開關(guān)，單片機(jī)檢測(cè)到紅外光電開關(guān)信號(hào)的電平變化后，啟動(dòng)智能計(jì)件功能，并伴以蜂鳴器的“哆—嘟”聲。
接下來根據(jù)工件待加工螺絲個(gè)數(shù)，設(shè)置計(jì)件設(shè)定值。同時(shí)按下按鍵S1和S2，4 s后，隨著一聲“哆來咪”，數(shù)碼管顯示初始設(shè)定值并閃爍；操作S1或S2調(diào)整計(jì)件設(shè)定值為19，然后同時(shí)按下按鍵S1和S2，隨著一聲“哆—嘟”，完成保存并退出了設(shè)置狀態(tài)。
將工件放入裝配臺(tái)，紅外光電開關(guān)輸出高電平信號(hào)，數(shù)碼管顯示值清0，一聲“哆—嘟”，提示此工件裝配過程開始。每運(yùn)行1次電動(dòng)螺絲刀，數(shù)碼管計(jì)數(shù)加1，運(yùn)行結(jié)束時(shí)，伴以一聲“哆來咪”。當(dāng)計(jì)件個(gè)數(shù)達(dá)到19時(shí)，伴以一聲“哆—嘟”的提示音符，此次工件裝配完成。用戶從裝配臺(tái)上拿出裝配完成的工件，蜂鳴器伴以一聲“哆—嘟”音符。將新的待裝配工件放上裝配臺(tái)，紅外光電開關(guān)檢測(cè)到后，一聲“哆—嘟”音符，數(shù)碼管顯示值清0，可以開始新的計(jì)數(shù)。
如計(jì)件個(gè)數(shù)達(dá)到16時(shí)，用戶就將未完成裝配的工件拿出裝配臺(tái)，蜂鳴器就會(huì)“哆”的連續(xù)聲報(bào)警，直到工件重新放回裝配臺(tái)，報(bào)警音停止，用戶可以繼續(xù)完成余下的3次螺絲裝配，有效保障了工件裝配無遺漏。
總結(jié)
本文基于已開發(fā)的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)螺絲刀控制系統(tǒng)，集成了由數(shù)碼管顯示電路、按鍵設(shè)定電路、蜂鳴器提示電路和紅外光電開關(guān)等組成的智能計(jì)件模塊，詳細(xì)討論了智能計(jì)件控制策略，最后試制了樣機(jī)并進(jìn)行了操作驗(yàn)證。結(jié)果表明智能計(jì)件型無刷電動(dòng)螺絲刀控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)合理可靠，控制策略清晰有效，用戶操作舒適，可應(yīng)用于需計(jì)件智能化的工件裝配場(chǎng)合。
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