計件型電動螺絲刀控制板開發(fā)

電動螺絲刀（電批、電動起子）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)電動螺絲刀以有刷串勵電機為動力源，存在換向火花，易磨損、無智能控制等缺點，因此國內(nèi)外開始研制采用電子換向的無刷直流電機（Brushless DC Motor，簡稱BLDC）作為驅(qū)動電機的新型電動螺絲刀。BLDC功率密度高、無磨損和火花、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，配以基于高性能微控制器的數(shù)字驅(qū)動控制器，可以實現(xiàn)數(shù)字無級調(diào)速，且可集成智能功能，增強了操作的舒適性，提高了產(chǎn)品附加值。

在汽車組裝等精密裝配領域，通常需要在一個工件上裝配數(shù)量眾多的螺絲，操作人員在裝配的同時，還需花費腦力去計件來保證每個工件不漏裝，增加了工作負擔，且容易疲勞導致影響裝配效率，甚至使產(chǎn)品存在安全隱患。因此，設計帶有計件報警等功能的智能型無刷電動螺絲刀對裝配行業(yè)具有重要意義。

本文在無刷電動螺絲刀控制系統(tǒng)的基礎上，增加智能計件功能模塊，詳細敘述了數(shù)碼管顯示電路、按鍵設定電路、蜂鳴器提示電路和紅外光電開關等電路組成的智能計件模塊的設計，并討論智能計件控制策略，最后試制了樣機并進行了操作驗證。

一、計件型電動螺絲刀工作原理

智能計件型無刷電動螺絲刀系統(tǒng)由啟動操控板、正反轉(zhuǎn)操控板、智能計件模塊、驅(qū)動控制器、BLDC和減速制動機構(gòu)等部件組成。驅(qū)動控制器接受用戶操作產(chǎn)生的啟動、待機、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等命令，經(jīng)相應控制算法分析處理后，發(fā)送控制信號給功率驅(qū)動模塊來驅(qū)動無刷直流電機運行，并經(jīng)變速制動機構(gòu)降速輸出。當擰緊螺絲刀出現(xiàn)機械制動時，變速制動機構(gòu)反饋制動信號給驅(qū)動控制器，控制電機制動停機。另外，智能計件模塊用于實現(xiàn)對工件的螺絲裝配計件，由數(shù)碼管顯示電路、按鍵設定電路、蜂鳴器提示電路和紅外光電開關等組成，具有設定、計件和報警等配套功能。

二、智能電動螺絲刀硬件電路設計

本文分析數(shù)碼管顯示、按鍵設定、蜂鳴器提示和紅外光電開關等電路組成的智能計件模塊的設計。

2.1單片機及外圍電路設計

單片機及外圍電路中，以8位16 MHz主頻的單片機STM8S103K3為控制核心。此單片機的主要功能有：

（1）集成EEPROM存儲空間，具有掉電保存功能，可以用于保存用戶對智能計件的設定值。（2）集成蜂鳴器驅(qū)動外設模塊，可通過三極管直接驅(qū)動無源蜂鳴器發(fā)出各種音符。（3）有28個I/O口管腳，具有高吸收電流能力，可直接驅(qū)動數(shù)碼管，滿足智能計件模塊電路對管腳數(shù)量和驅(qū)動能力要求。

與智能計件模塊相關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)動數(shù)碼管，其中管腳PD2和PD5復用為按鍵設定電路用檢測腳。（2）管腳PD4受單片機的蜂鳴器驅(qū)動外設模塊控制，作為驅(qū)動無源型蜂鳴器的信號腳。（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的信號腳。（4）START_IN、DIR_IN和BREAK_IN分別為啟動信號、正反轉(zhuǎn)信號和制動信號的接口。

2.2數(shù)碼管顯示電路設計

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，T4集射極導通，使管腳AK通過電阻R 15上拉到5 V電位，此時只需通過控制數(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管段點亮或熄滅，組成對應的字符顯示。PF4為高電平時，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對應的單片機管腳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)動能力。

2.3按鍵設定電路和蜂鳴器提示電路設計

受制于STM8S103K3的I/O管腳數(shù)量限制，將按鍵S1和S2的檢測腳與數(shù)碼管C和D腳共用單片機的PD2和PD5腳。如圖4所示，PD2和PD5腳在程序設計時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按鍵按下時導致的此管腳短路隱患。

基于單片機集成的蜂鳴器驅(qū)動外設模塊，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)具體分析設計后，作為智能計件功能的提示或報警使用。

2.4紅外光電開關應用設計

紅外光電開關是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便，檢測距離可以根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)。將其安裝在裝配臺上，當工件未放入裝配臺時，發(fā)出的紅外光線無法反射到接收器，單片機接收到管腳PD1輸出的低電平信號；當工件放入裝配臺時，發(fā)出的紅外光線通過工件反射回到接收器，單片機接收到管腳PD1輸出的高電平信號。

數(shù)碼管顯示電路、按鍵設定電路、蜂鳴器提示電路都集成在智能計件模塊板上，紅外光電開關通過接口與驅(qū)動控制器板連接。智能計件模塊板疊加在驅(qū)動控制器板上。

三、計件型電批的控制策略設計

在無刷電動螺絲刀驅(qū)動控制策略基礎上，增加智能計件控制策略。智能計件控制策略主要由數(shù)碼管顯示方法、蜂鳴器提示方法、按鍵操作方法和計件方法等組成。

3.1數(shù)碼管顯示方法設計

數(shù)碼管主要用于顯示計件數(shù)以及故障顯示。設計相應程序，使其可以顯示“0”~“9”以及“E”和“F”字符，為使這個數(shù)碼管能顯示更多的數(shù)值，定義數(shù)碼管上的DP對應的小數(shù)點位表示計數(shù)值的十位值“1”，這樣單數(shù)碼管就可以計數(shù)0~19的范圍，滿足了絕大多數(shù)工件的計件數(shù)量要求。當系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓等可恢復故障時，數(shù)碼管顯示“F”來提示用戶。當系統(tǒng)出現(xiàn)過壓過流等嚴重的不可恢復錯誤時，數(shù)碼管顯示“E”來提示用戶。

3.2計件功能啟動方法設計

智能計件型無刷電動螺絲刀，可以工作于基本工作模式或計件工作模式。當螺絲刀上電后10 s內(nèi)，如果紅外光電開關沒有檢測到有工件放入裝配臺，單片機只接收到低電平信號，則螺絲刀將工作于基本工作模式，不啟用計件功能；反之，如果上電后10 s內(nèi)檢測到有工件放入裝配臺，致使單片機檢測到低電平跳變到高電平的過程，則認為紅外光電開關工作正常，啟用計件工作模式。

3.3按鍵操作方法設計

啟用計件工作模式后，單片機從自身的EEPROM存儲空間調(diào)出上次設置的計件設定值，并顯示在數(shù)碼管上。如需要調(diào)整計件設定值，可以同時按住按鍵S1和S2，過4 s后，進入設置狀態(tài)，通過操作按鍵S1或S2，實現(xiàn)計件設定值的加減。設置完成后，須再次同時按住按鍵S1和S2，過4 s后，新的設置值確定，且重新存儲回EEPROM相應存儲空間。

3.4計件方法設計

當紅外光電開關檢測到工件已放入裝配臺后，啟動計件功能。每當用戶操作啟動操控板使電動螺絲刀啟動，單片機將計件值加1。當計件達到設定值時，一個工件裝配完成，此時可將工件拿出裝配平臺，換上新的待裝配工件后，計件值清0。如果計件未達到設定值，就將工件拿出裝配臺，計件值不清0，待重新放上未裝配完的工件后，繼續(xù)裝配計件。

3.5蜂鳴器提示方法設計

蜂鳴器的提示音設計為“哆”“哆來咪”和“哆來咪發(fā)唆啦嘻嘟（下文簡稱哆—嘟）”3種音符，表1列出了需要發(fā)音的所有狀況及對應提示音符，根據(jù)場合不同，其發(fā)音的次數(shù)也有所不同。

四、智能電動螺絲刀的操作驗證

首先，將無刷電動螺絲刀上電，10 s內(nèi)，將工件放入裝配臺，或用手遮擋一下紅外光電開關，單片機檢測到紅外光電開關信號的電平變化后，啟動智能計件功能，并伴以蜂鳴器的“哆—嘟”聲。

接下來根據(jù)工件待加工螺絲個數(shù)，設置計件設定值。同時按下按鍵S1和S2，4 s后，隨著一聲“哆來咪”，數(shù)碼管顯示初始設定值并閃爍；操作S1或S2調(diào)整計件設定值為19，然后同時按下按鍵S1和S2，隨著一聲“哆—嘟”，完成保存并退出了設置狀態(tài)。

將工件放入裝配臺，紅外光電開關輸出高電平信號，數(shù)碼管顯示值清0，一聲“哆—嘟”，提示此工件裝配過程開始。每運行1次電動螺絲刀，數(shù)碼管計數(shù)加1，運行結(jié)束時，伴以一聲“哆來咪”。當計件個數(shù)達到19時，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，紅外光電開關檢測到后，一聲“哆—嘟”音符，數(shù)碼管顯示值清0，可以開始新的計數(shù)。

如計件個數(shù)達到16時，用戶就將未完成裝配的工件拿出裝配臺，蜂鳴器就會“哆”的連續(xù)聲報警，直到工件重新放回裝配臺，報警音停止，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)的無刷直流電機驅(qū)動的電動螺絲刀控制系統(tǒng)，集成了由數(shù)碼管顯示電路、按鍵設定電路、蜂鳴器提示電路和紅外光電開關等組成的智能計件模塊，詳細討論了智能計件控制策略，最后試制了樣機并進行了操作驗證。結(jié)果表明智能計件型無刷電動螺絲刀控制系統(tǒng)硬件設計合理可靠，控制策略清晰有效，用戶操作舒適，可應用于需計件智能化的工件裝配場合。

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