扭矩扳手檢定儀中步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

扭矩扳手檢定儀中步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅庚合，曹靜，康海

(西安航空學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710077)

摘要：為達(dá)到扭矩扳手檢定儀手動(dòng)、自動(dòng)和電子手輪控制要求，設(shè)計(jì)了以硬件電路為主的多功能步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，配合上位機(jī)及檢定儀中的扭矩傳感器、光電編碼器，扭矩扳手檢定儀可實(shí)現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)控制,控制系統(tǒng)除用于扭矩扳手檢定儀控制外，還可用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的位置和壓力控制等設(shè)備中。

關(guān)鍵詞：電子手輪;脈沖分頻;信號(hào)轉(zhuǎn)換;四倍頻;步進(jìn)電機(jī)

作者簡(jiǎn)介：羅庚合(1962-)，男，陜西西安人，副教授，從事機(jī)電一體化技術(shù)研究。

中圖分類號(hào)：TP216.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2014-09-03

基金項(xiàng)目：西安郵電大學(xué)研究生創(chuàng)新

0引言

扭矩扳手廣泛應(yīng)用于航空、汽車、輪船等制造業(yè)的零部件、整機(jī)的裝配過程，扭矩扳手的性能直接關(guān)系到產(chǎn)品零部件、整機(jī)的整體質(zhì)量的優(yōu)劣。扭矩扳手使用一段時(shí)間后，要進(jìn)行檢測(cè)、校驗(yàn)和調(diào)整。目前國內(nèi)的扭矩扳手檢定儀大多是手動(dòng)式機(jī)械加載檢定，對(duì)較大扭矩扳手檢測(cè)的扭矩加載，用戶感到費(fèi)力、費(fèi)時(shí)，有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)超載，損害扭矩扳手的情況，而且數(shù)據(jù)的記錄、處理和扳手等級(jí)和質(zhì)量的判別需要大量的計(jì)算。國外進(jìn)口的扭矩扳手檢定儀器價(jià)格太高，有些性能也不適合我國的要求，自動(dòng)加載的扭矩扳手檢定儀對(duì)扭矩扳手的鑒定意義重大。

1扭矩扳手檢定儀的控制要求

(1)操作方式：自動(dòng)、手動(dòng)和手輪控制。自動(dòng)就是由上位機(jī)進(jìn)行鑒定值、鑒定次數(shù)和轉(zhuǎn)角和扭矩極限保護(hù)等檢定參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載、卸載和記錄打印等。手動(dòng)包括加載、停止和卸載。手輪可實(shí)現(xiàn)由手搖脈沖發(fā)生器實(shí)現(xiàn)加載、停止和卸載，并要求倍頻加載和卸載。

(2)手動(dòng)及自動(dòng)加載速度選擇檔位1～8檔；手動(dòng)加、卸載速度可由該控制器產(chǎn)生，自動(dòng)控制時(shí)可由上位機(jī)產(chǎn)生。

(3)自動(dòng)方式下扭矩與轉(zhuǎn)角的聯(lián)合控制，利用安裝在扭矩扳手軸上的扭矩傳感器和光電編碼器實(shí)現(xiàn)扭矩和轉(zhuǎn)角的聯(lián)合控制和保護(hù)。

2扭矩扳手檢定儀中的步進(jìn)電機(jī)控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖

手動(dòng)、連續(xù)控制方式(或自動(dòng)控制方式)由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生基準(zhǔn)脈沖，經(jīng)過七位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)分頻，由操作面板的八選一波段開關(guān)或上位機(jī)擴(kuò)展板選擇后產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需的脈沖信號(hào)，電子手輪產(chǎn)生的正交脈沖信號(hào)經(jīng)過倍頻和四倍頻轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生脈沖、方向信號(hào)，經(jīng)過倍頻方式選擇后作為手輪控制方式脈沖信號(hào)，再經(jīng)過工作方式選擇開關(guān)電路選擇，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)連續(xù)加載、自動(dòng)加載還是手輪加載方式控制[1]，如圖1所示。自動(dòng)控制方式下可根據(jù)扭矩傳感器的扭矩值實(shí)現(xiàn)檢定過程的自動(dòng)控制，當(dāng)扭矩加載到測(cè)量值附近時(shí)，扭矩扳手會(huì)出現(xiàn)峰值保持，然后扭矩下降到峰值的5%~15%，檢測(cè)這一凹值，停止加載，卸載并記錄峰值，通過與設(shè)置值比較，判別扭矩扳手的質(zhì)量。角度編碼器可以測(cè)量加載和卸載的角度及其極限保護(hù)等功能[2]。

圖1　扭矩扳手檢定儀中的步進(jìn)電機(jī)控制器系統(tǒng)框圖

3扭矩扳手檢定儀中的步進(jìn)電機(jī)控制器系統(tǒng)的電路分析

3.1連續(xù)手動(dòng)/上位機(jī)自動(dòng)控制方式轉(zhuǎn)換及速度倍率轉(zhuǎn)換電路分析

如圖2基準(zhǔn)脈沖信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)CP0，經(jīng)過CD4024七位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)分頻，CD4024輸出Q1~Q7頻率分別是CP0的1/2、 1/4 、1/8 、1/16 、1/32、 1/64、 1/128?？紤]到加載時(shí)速度要,由快速逐步過渡到慢速的需要設(shè)置了8種倍率的速度。當(dāng)單刀9擲開關(guān)檔位在1～8,雙刀4擲開關(guān)在1～3位置時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)手動(dòng)方式下的加載、停止和卸載和加、卸載的速度倍率可調(diào)整。當(dāng)單刀9擲開關(guān)檔位置在9檔,雙刀4擲開關(guān)在4位置時(shí)，可由上位機(jī)計(jì)算機(jī)或PLC控制接口板或繼電器，根據(jù)扭矩傳感器和角度編碼器的需求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載、卸載或停止，其速度可以用本控制器的分頻信號(hào)，也可以由上位機(jī)另外產(chǎn)生脈沖信號(hào)[3]。工控機(jī)PCI接口板電路或PLC電路的鏈接不再贅述。

圖2連續(xù)手動(dòng)/上位機(jī)自動(dòng)控制方式轉(zhuǎn)換及速度倍率轉(zhuǎn)換電路圖

3.2電子手輪及其信號(hào)轉(zhuǎn)換與倍頻電路

3.2.1手搖脈沖放生器與正交脈沖

手搖脈沖發(fā)生器的原理等同于增量式光電式脈沖編碼器，由外加電源DC +5V~ ±5%，當(dāng)手搖脈沖手柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從A、B端產(chǎn)生的信號(hào)波形入圖3所示。

以RGT600-B01-100B-5E手搖脈沖發(fā)生器為例：電壓型輸出，TTL電平，每轉(zhuǎn)100P/r；

圖中當(dāng)手搖脈沖停止時(shí)，A 、B輸出為0，當(dāng)手搖脈沖順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的波形，相位都相差90°,順時(shí)針A超前B相位90°，逆時(shí)針B超前A相位90°。載空比是0.5T±0.1T，當(dāng)占空比偏差太大時(shí)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后電機(jī)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)和爬行現(xiàn)象[4]。

圖3　手搖脈沖發(fā)生器正交脈沖波形和外形圖

3.2.2正交信號(hào)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖信號(hào)與方向控制信號(hào)

圖4手搖脈沖一倍頻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路及波形圖

電路如圖4所示,手搖脈沖發(fā)生器HA、HB信號(hào)作為D觸發(fā)器74LLS74的輸入和觸發(fā)脈沖，D觸發(fā)器的輸出端Q作為方向信號(hào)DIR1 ，手輪正轉(zhuǎn)HA超前HB，所以Q=1,反轉(zhuǎn)時(shí)HB超前HA，所以Q=0，HA、HB經(jīng)過與門電路后仍作為計(jì)數(shù)信號(hào)，CP1跟HA或HB的脈沖信號(hào)數(shù)目相同，故稱為一倍頻轉(zhuǎn)換電路[5]。

3.3手輪正交信號(hào)四倍頻轉(zhuǎn)換電路原理分析

基準(zhǔn)脈沖信號(hào)CP0的頻率要求大于手輪HA、HB頻率的5倍以上，在第一個(gè)CP0上升沿后U3A所存HA,觸發(fā)器輸出信號(hào)Q為A1信號(hào)、/Q為/A1，第二個(gè)CP0上升沿后U3B所存A1信號(hào)，輸出Q為A2信號(hào)、輸出/Q為/A2信號(hào)[6]。同理在第一個(gè)CP0上升沿后U4A所存HB,觸發(fā)器輸出信號(hào)Q為B1信號(hào)、/Q為/B1，第二個(gè)CP0上升沿后U4B所存B1信號(hào)，輸出Q為B2信號(hào)、輸出/Q為/B2信號(hào)。A1 、/A1 、A2、 /A2、 B1 、/B1 、B2、 /B2 信號(hào)經(jīng)過8個(gè)74LS11與門電路和2個(gè)CD4002或非門電路，輸出信號(hào)邏輯為：

圖5　電子手輪正交信號(hào)四倍頻轉(zhuǎn)換電路原理分析

Y1、Y2經(jīng)過兩個(gè)與非門74LS00組成的RS觸發(fā)器和一個(gè)與非門組成的CP4 檢測(cè)電路，輸出四倍頻的方向控制信號(hào)DIR4和4倍頻脈沖信號(hào)CP4，對(duì)應(yīng)波形圖如圖5所示?？梢娊?jīng)過該電路輸出CP4頻率是HA、HB頻率的4倍，而且能夠辨別出手搖脈沖的轉(zhuǎn)向。由波形圖可見在一個(gè)HA或HB變化周期內(nèi)。A1 、/A1 、B1 、/B1 信號(hào)共有4次上升沿，CP4的脈沖信號(hào)寬度為一個(gè)基準(zhǔn)脈沖CP0的周期[7]。

3.4手輪倍率信號(hào)選擇電路

3.4.1手輪倍率選擇信號(hào)電路

插座JP2外接面板帶燈自鎖的開關(guān)，開關(guān)按下時(shí)0—1 ，74HC257選擇端為低電平，DIR1 和CP1 輸出，ENB信號(hào)始終為0有效，因?yàn)槭州啿粍?dòng)作，故沒有CP信號(hào)輸出。開關(guān)彈起時(shí)0-2，74HC257選擇端為高電平，DIR4 、CP4為四倍頻輸出,如圖6所示。

圖6　倍率選擇電路圖

3.4.2手輪、手動(dòng)連續(xù)及自動(dòng)選擇電路

圖7　工作方式選擇電路

電路如圖7所示，開關(guān)SW3的0-1，74HC257選擇端為低電平，為自動(dòng)或手動(dòng)連續(xù)控制方式，開關(guān)SW3的0-2，4HC257選擇端為高電平，為手輪控制方式[8]。

4控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接

一般步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)為差分方式輸入，該控制器為單端輸出式，使用時(shí)需要將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)CP+ 、DIR+、 ENB+端連在一起接+5V,JP1的CP、DIR、ENB分別連接到驅(qū)動(dòng)器的CP- 、DIR- 、ENB-[8]。

5擴(kuò)展與總結(jié)

用上位機(jī)自動(dòng)方式工作時(shí)，控制器中的分頻器也可以作為速度倍率控制，減少了上位機(jī)程序設(shè)計(jì)的工作量，該四倍頻電路還可以用于增量式光電編碼器的倍頻，提高了檢測(cè)精度?？刂破髦饕攸c(diǎn)是使用通用組合邏輯和時(shí)序電路，邏輯關(guān)系明確，工作穩(wěn)定。手輪操作方式在數(shù)顯扳手鑒定中發(fā)揮較大作用，通過在扭矩扳手檢定儀中的實(shí)際應(yīng)用，該控制器工作穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單方便，經(jīng)濟(jì)適用。

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：郝杰]

Design of Stepping Motor Control System in Torque Wrench Calibrator

LUOGeng-he,CAOJing,KANGHai

(School of Mechanical Engineering, Xi'an Aeronautical University, Xi'an 710077, China)

Abstract：The torque wrench calibrator calls for different control modes, such as manual mode, automatic mode and mode of control by electronic handwheel. Therefore, the multifunctional stepping motor control system based on hardware circuit is designed. With the support of upper computer and torque transducer as well as optical-electric encoder, torque wrench calibrator can realize open-loop and close-loop controls. Apart from torque wrench calibrator, the control system can also be used for the control of the position and pressure of stepping motor driver.

Key words：electronic handwheel; pulse frequency; signal conversion; quadruplicated frequency; stepping motor