一種全自動(dòng)螺絲供料機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析*

趙佳媞，傘紅軍

(昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明650550)

0 引言

在自動(dòng)化生產(chǎn)線中，常用產(chǎn)品裝配中的擰緊螺絲環(huán)節(jié)，采用自動(dòng)化設(shè)備鎖附螺絲已經(jīng)成為了大勢(shì)所趨。 而螺絲供料機(jī)是自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)的重要組成部分，它將機(jī)、電、氣融為一體，是一種自動(dòng)將螺釘排列并輸送的機(jī)構(gòu)，為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的主要技術(shù)設(shè)備之一。 螺絲供料機(jī)合理的結(jié)構(gòu)和可靠的供料系統(tǒng)，是螺絲供料機(jī)能夠安全可靠工作的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)的螺絲供料機(jī)芯片采用AT89C51 單片機(jī)作為核心，占用空間大，需要在配套電批上手動(dòng)調(diào)節(jié)電批的扭力，輸送螺釘程序沒有經(jīng)過優(yōu)化導(dǎo)致卡料率高[1]。 因此本設(shè)計(jì)采用STC12C5410 單片機(jī)為主控芯片，此款單片機(jī)為28 個(gè)引腳封裝，可以實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)節(jié)省空間，不造成浪費(fèi)。 本文控制開發(fā)了螺絲供料機(jī)的控制系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠使其穩(wěn)定高效地工作。 傳統(tǒng)的螺絲供料機(jī)配套電批采用手動(dòng)調(diào)節(jié)電批扭力，以適應(yīng)不同型號(hào)的螺絲。 本文設(shè)計(jì)了一種可對(duì)電批的扭力進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到一定扭力制動(dòng)的電路，以適用于不同工件的擰螺絲工序。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)與仿真，為今后對(duì)配套電機(jī)的功能改進(jìn)提供了思路，具有很好的應(yīng)用前景。

1 供料機(jī)工作原理及控制方案

1.1 供料機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)

以自動(dòng)化生產(chǎn)線上手動(dòng)擰緊螺絲的工序?yàn)榛A(chǔ)，采用機(jī)電結(jié)合的供料方案解決手動(dòng)打螺絲電批的自動(dòng)供料問題。 供料電機(jī)驅(qū)動(dòng)料倉(cāng)旋轉(zhuǎn)，料倉(cāng)內(nèi)的葉片不斷攪動(dòng)螺絲使其掉落入直振料道中，再由掃把電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃把往復(fù)運(yùn)動(dòng)掃落未垂直落入直振料道中的螺絲。直振料道下方有振動(dòng)盤送料器產(chǎn)生振動(dòng)，將排列好的螺釘向前移動(dòng)，完成螺釘輸送，最后由分料止動(dòng)止動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)將單顆螺絲分出輸送到電批批頭上[2]。

螺絲供料機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)由供料部分、分料部分、報(bào)警部分和空氣過濾部分四個(gè)部分組成。 其模型示意如圖1 所示。

圖1 螺絲供料機(jī)模型示意圖

(1)供料部分由供料電機(jī)和掃把電機(jī)提供動(dòng)力，供料電機(jī)使旋轉(zhuǎn)圓盤不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，攪動(dòng)螺絲使其落入直振料道，掃把電機(jī)為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)掃把將未垂直落入料道的螺絲篩出。

(2)分料部分由分料止動(dòng)氣缸和電批止動(dòng)氣缸組成，分料止動(dòng)氣缸外部有U 型槽，直振料道中的螺絲只可單顆進(jìn)入U(xiǎn) 型槽內(nèi)，由U 型槽分料片隨著分料止動(dòng)氣缸動(dòng)作進(jìn)行分料動(dòng)作，動(dòng)作一次單顆螺絲落入分料臺(tái)下的通孔中進(jìn)入氣管。

(3)電磁閥控制部分由電磁閥控制氣源進(jìn)氣以控制分料止動(dòng)氣缸和電批止動(dòng)氣缸動(dòng)作?？諝膺^濾部分由空氣過濾器組成，用于將氣源凈化過濾。 報(bào)警部分由安裝在料道上方的接近開關(guān)和蜂鳴器組成，由接近開關(guān)檢測(cè)料道有無螺絲，若無螺絲信號(hào)傳遞給蜂鳴器報(bào)警。

(4)空氣過濾部分由空氣濾清器組成，檢測(cè)氣壓過濾空氣。

1.2 螺絲供料機(jī)的控制方案

系統(tǒng)由電源單元、電機(jī)控制單元、缺料報(bào)警單元、擰緊制動(dòng)單元和電磁閥控制單元組成[3]。 電源單元啟動(dòng)供電，通過光電開關(guān)檢測(cè)是否缺料，缺料時(shí)開始供料和篩出未垂直落入料道的螺絲。一段時(shí)間后再次檢測(cè)，若仍缺料，則蜂鳴器報(bào)警，由人工進(jìn)行加料；之后若進(jìn)行加料，則蜂鳴器關(guān)閉。檢測(cè)料送滿后一段時(shí)間停止供料，停止供料后一段時(shí)間停止掃落螺絲[4]。 供料工作的同時(shí)檢測(cè)是否需要輸送螺絲，接收到信號(hào)后迅速分料并將單顆螺絲輸送到供料機(jī)配套電批的批頭上。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所 示[5]。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 主控電路部分設(shè)計(jì)與分析

2.1 電源部分電路設(shè)計(jì)

控制板上單片機(jī)供電電壓為5 V，但外部電路電源為24 V 供電，所以需要將24 V 電壓轉(zhuǎn)換為5 V 電壓。 此處采用L7805CV 電壓轉(zhuǎn)換芯片，它是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，電路設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。

2.2 報(bào)警部分電路設(shè)計(jì)

報(bào)警部分控制電路采用料道上方的光電開關(guān)作為檢測(cè)信號(hào)輸入。光電開關(guān)是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，又同步回路選通電路，從而檢測(cè)遮擋物體，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。通過檢測(cè)螺釘是否通過料道來判斷是否缺料。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過輸入電路傳送入單片機(jī)，單片機(jī)分析后發(fā)出指令使供料電機(jī)和掃把電機(jī)工作，若缺料則發(fā)出指令暫停工作使蜂鳴器缺料報(bào)警[6]。

圖3 電源部分電路圖

2.3 分料部分電路設(shè)計(jì)

分料部分控制電路如圖5 所示。 以擰緊螺絲后配套電批發(fā)出的剎車信號(hào)為信號(hào)輸入，單片機(jī)接收到信號(hào)后發(fā)出指令控制供氣、分料止動(dòng)氣缸、電批止動(dòng)氣缸和電批啟動(dòng)正轉(zhuǎn)信號(hào)配合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)輸送螺絲的全過程。

2.4 力矩調(diào)節(jié)控制電路的設(shè)計(jì)分析

力矩調(diào)節(jié)控制電路如圖6 所示，主要運(yùn)用PWM 脈寬調(diào)制調(diào)速原理對(duì)電機(jī)進(jìn)行進(jìn)行調(diào)速，從而對(duì)電批扭力進(jìn)行調(diào)整。

電機(jī)調(diào)速部分電路主要由LM324 芯片、場(chǎng)效應(yīng)管、L7824CV 穩(wěn)壓塊組成。 LM324 芯片內(nèi)的u1a 和u1d 可以組成振蕩器電路，提供一定頻率的方波。 由U1c 產(chǎn)生的參考電壓作為振蕩器的虛擬地，設(shè)置為6 V。U1b 接成比較器的形式，其反相輸入端(6 腳)為比較器的參考電壓，由單片機(jī)提供，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 參考電壓與u1d 的輸出端(14 腳)的三角形波電壓進(jìn)行比較輸出PWM 波形。 通過單片機(jī)輸出電壓信號(hào)改變U1b 的6 腳電位，使其與輸入三角形波電壓進(jìn)行比較，就可改變方波寬度，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)。

圖6 中Q1 為N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管作為功率開關(guān)管，可以起到電流放大后驅(qū)動(dòng)負(fù)載的作用。 D1 用來防止電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)損壞Q1，C3兩端接繼電器和電批電機(jī)。

制動(dòng)控制部分由NE555、78L12、LM393 和繼電器組成。 按下啟動(dòng)按鈕SB2 后，繼電器KM1 開始工作。 同時(shí)U5 通電，U4 時(shí)基電路開始工作，延時(shí)1 s 使繼電器KA3通電可避開電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)大電流。 輸送給調(diào)節(jié)R6可改變2 腳的電位，2 腳電位可根據(jù)電機(jī)的額定電流進(jìn)行設(shè)置。 比較器2、3 腳的電位比較，當(dāng)3 腳電位低于2腳電位時(shí)，1 腳輸出低電平，此時(shí)電機(jī)繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)電流增大使3 腳電位高于2 腳電位時(shí)，1 腳輸出高電平三極管T 飽和導(dǎo)通，繼電器KA1、KA2 線圈吸合，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，之后按下復(fù)位開關(guān)SB1 可以復(fù)位，由此實(shí)現(xiàn)打螺絲的制動(dòng)過程。

以用于塑料的自攻螺釘為例，螺紋類型為GB8280-85螺釘規(guī)格為ST2.6 切削型螺釘，擰緊力矩參考值查表1，得值為0.4 N·m。

表1 用于塑料的自攻螺釘擰緊力矩參考值

直流電機(jī)的功率計(jì)算公式為：

式中，U 為供電電壓，I 為工作電流，η 為電機(jī)效率，一般取0.8。 供電電壓為固定值，所以功率值的變化隨著電流的大小變化而變化。 打螺絲時(shí)，螺釘?shù)臄Q緊力矩等于電批電機(jī)的扭矩，電批電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為：

圖4 報(bào)警部分電路圖

式中，n 為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，P為電機(jī)功率(kW)。 設(shè)電機(jī)的力矩稍大于螺釘?shù)臄Q緊力矩為0.5 N·m，轉(zhuǎn)速公式為：

式中Ud為電機(jī)兩端電壓，Id為電樞回路電流，Rd為電樞回路電阻，Ce為電磁時(shí)間常數(shù)。

圖5 分料部分電路圖

圖6 力矩調(diào)節(jié)控制電路圖

Ce的計(jì)算公式為：

其中，p 為電機(jī)極對(duì)數(shù)，n 為電樞總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)， 本文采用BSD-101 直流電機(jī)，根據(jù)電機(jī)參數(shù)帶入式(4)中求得Ce為0.05，帶入式(3)中求得所需轉(zhuǎn)速n=333.5 rad/min。將轉(zhuǎn)速帶入式(2)中，求得電流值為0.91 A。

電機(jī)通電時(shí)，由于有高頻分量的電磁干擾，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通巴特沃斯濾波器進(jìn)行濾波[7]。 由設(shè)計(jì)要求，一階的LC 低通濾波器的通頻帶為0～1.4 kHz，濾波器的截止頻率應(yīng)為2 kHz。 一階巴特沃斯低通濾波器的特征阻抗選為1 Ω，截止頻率變換：

阻抗特征變換：

一階巴特沃斯低通濾波器的歸一化LPF 基準(zhǔn)濾波器參數(shù)，設(shè)L1=1.414 2 H，C1=1.414 2 μF，得：

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 供料主程序部分設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)利用軟件對(duì)螺絲供料機(jī)的工作流程進(jìn)行控制，主要采用變換流的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)工藝流程，采用條件分支結(jié)構(gòu)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰且便于調(diào)試和修改。按下螺絲供料機(jī)開關(guān)電源后開始執(zhí)行供料主程序控制流程，供料主程序流程圖如圖7 所示，具體的工作流程為：

(1)程序執(zhí)行過程中檢測(cè)是否有電批信號(hào)輸入，若有輸入則中斷執(zhí)行吐螺絲程序。

(2)供料電機(jī)啟動(dòng)后，齒輪傳動(dòng)料筒轉(zhuǎn)動(dòng)使料倉(cāng)里的螺絲回轉(zhuǎn)，使螺絲落入直振料道。 同時(shí)接近開關(guān)檢測(cè)是否缺料。

(3)同時(shí)掃把電機(jī)工作將未垂直落入料道的螺絲篩出料道，剩余螺釘在直振料道中向外輸送。 接近開關(guān)檢測(cè)不缺料5 s 后供料電機(jī)停止工作，之后5 s 掃把電機(jī)也停止工作。

(4)若接近開關(guān)檢測(cè)缺料超過10 s，則執(zhí)行缺料報(bào)警，直至加料后在料道上檢測(cè)到螺絲后報(bào)警解除。

3.2 分料子程序部分設(shè)計(jì)

檢測(cè)到需要執(zhí)行輸送螺絲信號(hào)時(shí)需執(zhí)行分料子程序，分料子程序執(zhí)行時(shí)各部分工作要節(jié)拍適當(dāng)且工作流暢。 首先電磁閥控制電批止動(dòng)氣缸伸出并輸送管供氣，使上一顆在輸送管中的螺絲迅速到電批批頭上，之后電批短暫空轉(zhuǎn)使電批批頭與螺帽槽紋配合，確保穩(wěn)定配合之后電磁閥電批止動(dòng)氣缸縮回。上一顆螺絲輸送完畢后需分出下一顆螺絲進(jìn)入輸送管內(nèi)準(zhǔn)備，此時(shí)電磁閥停止輸送管供氣，電磁閥控制分料止動(dòng)氣缸伸出，使單顆螺絲落入輸送管內(nèi)，然后電批停止空轉(zhuǎn)。 確認(rèn)電批停止空轉(zhuǎn)后電磁閥控制分料止動(dòng)氣缸收回完成整個(gè)輸送螺絲的動(dòng)作。 經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和程序調(diào)試，為使各部分動(dòng)作流暢進(jìn)行了大量調(diào)整， 吐螺絲程序流程圖如圖8 所示，可以實(shí)現(xiàn)輸送螺絲高效流暢，卡料率低，實(shí)現(xiàn)螺絲供料機(jī)的全部功能，供料機(jī)控制板的詳細(xì)程序本文省略[8]。

4 實(shí)驗(yàn)分析

螺絲供料機(jī)實(shí)物圖如圖9 所示，通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性。

4.1 電機(jī)力矩控制部分驗(yàn)證

圖7 供料主程序流程圖

圖8 吐螺絲子程序流程圖

圖9 螺絲供料機(jī)實(shí)物圖

通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將電批電機(jī)接出，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是否可調(diào)節(jié)電機(jī)的扭力與電機(jī)制動(dòng)。用面包板將整個(gè)力矩調(diào)節(jié)控制電路搭出并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 工作電壓為24 V，按照電路原理按下開關(guān)SB1 使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并用人工干預(yù)的方式使電機(jī)停轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定的擰緊力矩值并進(jìn)行制動(dòng)。并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，連接電路如圖10 所示。

圖10 電機(jī)控制連接電路

首先將電機(jī)調(diào)速部分電路輸出電壓與示波器相連，通過調(diào)節(jié)電位器電壓，改變占空比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電批的擰緊力矩的作用。示波器顯示電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下輸出的占空比如圖11 所示。

圖11 輸出不同占空比電壓圖

通過讀出示波器中PWM 波占空比的變化可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，從而可以控制配套電批的擰緊力矩的變化，途中方波連續(xù)平滑，且無明顯突變，證明電機(jī)輸出穩(wěn)定。 其次設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速固定，運(yùn)用LabVIEW 軟件和NI采集卡，在LabVIEW 中設(shè)置兩路電壓輸出分別接LM393的2、3 引腳，控制正向輸入端與反向輸入端的電壓。 并接一路輸出測(cè)繼電器電流的導(dǎo)通電流和截止電流大小。當(dāng)LM393 正向輸入端電壓為4.1 V，反向輸入端電壓為4.7 V 時(shí)，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，流經(jīng)繼電器的電流為20 mA。將3 引腳的電壓改為正常電路提供，并用NI 采集卡采集3 腳電壓，手動(dòng)干預(yù)電機(jī)停轉(zhuǎn)，3 腳當(dāng)正向輸入端電壓為6.5 V 大于反向輸入端電壓4.7 V 時(shí)， 流經(jīng)繼電器的電流為40 mA。 由于電增大到足以使繼電器穩(wěn)定動(dòng)作電機(jī)停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，如圖12 所示。實(shí)驗(yàn)表明，電機(jī)力矩控制電路可以提供電批電機(jī)在打不同規(guī)格的螺釘時(shí)有相應(yīng)的扭力，并且可實(shí)現(xiàn)擰緊螺釘后的制動(dòng)，顯示了其合理性與實(shí)用性。

為了驗(yàn)證濾波有校與否，采用MATLAB 編寫低通濾波器進(jìn)行仿真得濾波信號(hào)圖如圖13 所示。 圖中低通時(shí)域圖與原始時(shí)域圖對(duì)比，明顯起到了濾波作用。

4.2 供料機(jī)供料部件驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證螺絲供料機(jī)工作的可靠性與穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了螺絲供料機(jī)控制系統(tǒng)，供料機(jī)控制板連接圖如圖14 所示。 先讓螺絲供料機(jī)料倉(cāng)保持缺料狀態(tài)，開機(jī)后觀察供料電機(jī)與掃把電機(jī)是否開始工作，之后觀察10 s延時(shí)后蜂鳴器是否報(bào)警，報(bào)警后將螺絲加入料倉(cāng)中，觀察蜂鳴器是否停止報(bào)警，是否正常供料。 供料滿后觀察掃把電機(jī)和供料電機(jī)是否停止工作。在螺絲供料機(jī)能正常供料的情況下，雙擊電批觀察是否能正常輸送螺絲，使用電批正常打螺絲，達(dá)到指定扭矩后放開電批按鈕觀察是否能正常輸送螺絲。結(jié)果表明螺絲供料機(jī)能夠穩(wěn)定控制正常工作，圖15 為輸送螺絲和供料成功實(shí)例。

5 結(jié)論

圖12 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)與制動(dòng)情況圖

圖13 濾波信號(hào)仿真圖

圖14 供料機(jī)控制板連接圖

圖15 供料和輸送螺絲成功實(shí)例

本文通過對(duì)螺絲供料機(jī)的功能和現(xiàn)有問題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了以STC12C5410 為核心元件的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了螺絲供料機(jī)的系統(tǒng)功能。 經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)螺絲供料機(jī)的缺料報(bào)警、輸送螺釘、調(diào)節(jié)電批扭力的功能，并且具有系統(tǒng)運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。本文還在現(xiàn)有的條件下設(shè)計(jì)了調(diào)整電批扭力和控制電機(jī)制動(dòng)的電路，并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，為之后此功能集成到配套電批中使用提供了思路，在今后的工作中可以提高和擴(kuò)展其功能。