摘要：介紹一種電動(dòng)多軸螺母擰緊機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理及硬件和軟件原理。該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，每個(gè)軸都由一個(gè)以89C51為核心的控制單元控制，保證了定扭矩?cái)Q緊實(shí)現(xiàn)。獨(dú)特的高速總線使上位單元與控制單元快速交換信息，保證了各軸間協(xié)調(diào)工作，以完成特定的擰緊工藝。
關(guān)鍵詞：擰緊機(jī)；單片機(jī)；總線

1引言

目前，國(guó)內(nèi)許多廠家生產(chǎn)的電動(dòng)多軸螺母擰緊機(jī)，其擰緊精度往往達(dá)不到生產(chǎn)要求，或性能不穩(wěn)定。其主要原因是，多數(shù)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)加各種板卡組成控制核心，或采用可編程序控制器(PLC)控制，但由于這兩種方法微機(jī)或PLC響應(yīng)速度慢，勢(shì)必影響擰緊精度。該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，自行開發(fā)以89C51為核心的上位協(xié)調(diào)單元及單軸控制單元，在擰緊過程中每個(gè)單元獨(dú)立工作，以保證快速響應(yīng)。上位單元根據(jù)工藝要求協(xié)調(diào)軸間擰緊步驟，同時(shí)采用串行通信與管理計(jì)算機(jī)交換信息，既保證了擰緊精度，又具有計(jì)算機(jī)監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理功能。

2系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

電動(dòng)多軸螺母擰緊機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示(以十軸系統(tǒng)為例)。

圖1擰緊機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖
管理計(jì)算機(jī)設(shè)置擰緊的工藝參數(shù)(如擰緊的轉(zhuǎn)角起始扭矩、轉(zhuǎn)角值、扭矩值及要求的誤差范圍等)及系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)(如系統(tǒng)每個(gè)擰緊過程使用的速度、各種保護(hù)參數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隔等)；班組的作業(yè)管理，接收協(xié)調(diào)單元傳送的各軸擰緊過程及擰緊結(jié)果并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，具有擰緊結(jié)果的查找及打印功能；接收協(xié)調(diào)單元傳送的指定軸擰緊過程曲線并實(shí)時(shí)顯示，有價(jià)值的曲線可根據(jù)要求存入硬盤，可隨時(shí)調(diào)出顯示或打印，曲線反映的扭矩上升下降過程及屈服點(diǎn)的情況，可用于分析被擰緊件的材料和加工情況；管理計(jì)算機(jī)還配備了質(zhì)量分析軟件，根據(jù)存儲(chǔ)的擰緊結(jié)果計(jì)算出某年、月、日或班的擰緊質(zhì)量分布圖直方圖，根據(jù)存儲(chǔ)的擰緊結(jié)果及工藝要求和設(shè)定的采樣分組值，采用正態(tài)分布算法計(jì)算出擰緊質(zhì)量趨勢(shì)圖及UCL、LCL、Cp、Cpk等分析值，曲線可顯示及打印，用于指導(dǎo)生產(chǎn)，避免殘次品的出現(xiàn)。

協(xié)調(diào)單元帶有非易失RAM存儲(chǔ)系統(tǒng)的工藝參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)，其本身帶有LED燈及數(shù)碼管和小鍵盤，用于顯示和修改這些參數(shù)。系統(tǒng)上電或參數(shù)變化時(shí)，將參數(shù)通過總線寫入每個(gè)控制單元中；協(xié)調(diào)單元具有數(shù)字輸入，用于接收自動(dòng)擰緊信號(hào)和多軸擰緊信號(hào)輸入，在條件滿足的情況下，通過總線向控制單元發(fā)出擰緊指令；協(xié)調(diào)單元循環(huán)掃描各控制單元的狀態(tài)，當(dāng)各單元狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，通過串行口向管理計(jì)算機(jī)傳送此軸的狀態(tài)，自動(dòng)擰緊過程結(jié)束時(shí)，顯示本次擰緊是否成功及本班作業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)；自動(dòng)擰緊過程中監(jiān)視各軸的狀態(tài)，全部達(dá)到轉(zhuǎn)角扭矩時(shí)發(fā)出同步轉(zhuǎn)角擰緊指令；根據(jù)參數(shù)設(shè)定，在自動(dòng)擰緊過程中定時(shí)讀取指定軸的擰緊動(dòng)態(tài)扭矩和角度值，通過串行口傳送給管理計(jì)算機(jī)。

控制單元內(nèi)設(shè)一片8155，用于存儲(chǔ)參數(shù)和動(dòng)態(tài)值，協(xié)調(diào)單元可通過總線進(jìn)行讀寫8155的RAM；當(dāng)擰緊狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，協(xié)調(diào)單元將當(dāng)前的狀態(tài)、扭矩及角度寫入RAM中，使協(xié)調(diào)單元及時(shí)讀到；控制單元帶有LED燈及數(shù)碼管，兩排數(shù)碼分別顯示當(dāng)前扭矩和角度，擰緊結(jié)束時(shí)顯示本次擰緊結(jié)果，LED燈用于顯示電源、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及擰緊結(jié)果的扭矩高、成功、扭矩低；控制單元的數(shù)字輸入用于接收單軸的正反轉(zhuǎn)擰緊信號(hào)，模擬量輸入用于接收單軸的檢測(cè)單元處理的扭矩輸入，光耦輸入可接收伺服單元分頻處理的角度脈沖信號(hào)用于計(jì)算轉(zhuǎn)角，數(shù)字輸出及模擬量輸出用于輸出信號(hào)給伺服單元來(lái)控制伺服電機(jī)，以完成擰緊過程。

3系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

3.1自定義總線的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)的核心是系統(tǒng)總線。由于協(xié)調(diào)單元與控制單元之間的通信特點(diǎn)是控制單元獨(dú)立完成擰緊分步過程，協(xié)調(diào)單元控制擰緊步驟并將控制單元的數(shù)據(jù)傳送到管理計(jì)算機(jī)。考慮到這一特點(diǎn)及單片機(jī)89C51資源情況，設(shè)計(jì)了以共享8155的256字節(jié)RAM為中心的總線結(jié)構(gòu)。圖2為協(xié)調(diào)單元電路原理圖的總線接口部分。當(dāng)協(xié)調(diào)單元需要讀寫某一控制單元時(shí)，首先根據(jù)GAL16V8的74LS273尋址將軸號(hào)(0-31)和總線使能信號(hào)ZBE寫入74LS273鎖存，然后檢查控制單元的返回信號(hào)ANS是否為有效(低電平)，有效后即可根據(jù)GAL16V8的總線RAM的尋址讀寫此控制單元8155的內(nèi)容。讀寫操作與一般的RAM相同，圖中U3和U5的74LS245芯片用于總線驅(qū)動(dòng)。

圖2協(xié)調(diào)單元總線接口圖
圖3為控制單元電路原理圖的總線接口部分。由于8155的RAM是共享資源，因此，必須保證協(xié)調(diào)單元和控制單元不同時(shí)讀寫。由于協(xié)調(diào)單元對(duì)8155的RAM的讀寫內(nèi)容較少，采用申請(qǐng)時(shí)間在前優(yōu)先的原則，搶占不成功則等待對(duì)方操作結(jié)束。控制單元設(shè)有撥碼開關(guān)DIP1，用于設(shè)置控制單元軸號(hào)。當(dāng)總線的使能BE有效且Z0-Z4的軸號(hào)與撥碼開關(guān)設(shè)置一致時(shí)，74HC521輸出ZHCS有效，89C51根據(jù)ZHCS信號(hào)檢測(cè)到協(xié)調(diào)單元占用8155，同時(shí)GAL16V8組合出信號(hào)封鎖U2，使U5和U6總線操作有效?？刂茊卧獙?duì)8155讀寫時(shí)，首先檢測(cè)ZHCS是否有效，有效則等待其結(jié)束，如無(wú)效則立即發(fā)出RMZY封鎖ANS的輸出。為了避免同時(shí)檢測(cè)沖突，控制單元應(yīng)等待4個(gè)周期，看ZHCS是否出現(xiàn)，如出現(xiàn)應(yīng)取消RMZY信號(hào)。等待協(xié)調(diào)單元讀寫結(jié)束再繼續(xù)續(xù)寫。協(xié)調(diào)單元讀寫8155時(shí)，確認(rèn)ANS有效后也應(yīng)等待4個(gè)周期，以保證讀寫的可靠。


圖3控制單元總線接口圖
3.2通信隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)

在多軸擰緊過程中，由于協(xié)調(diào)單元需要向管理計(jì)算機(jī)傳送每個(gè)軸的擰緊狀態(tài)，同時(shí)還要傳送曲線數(shù)據(jù)，因此必須開辟一個(gè)通信緩沖區(qū)。本系統(tǒng)構(gòu)造了一個(gè)通信隊(duì)列形式，使得通信操作高效可靠地進(jìn)行。首先定義通信格式，本系統(tǒng)通信為三字節(jié)方式，第一字節(jié)為標(biāo)識(shí)碼(D0-FF)，第二字節(jié)、第三字節(jié)為數(shù)據(jù)，如E0-EA為一號(hào)軸至十號(hào)軸的曲線數(shù)據(jù)，第一字節(jié)為扭矩值，第二字節(jié)為角度值。在RAM中，開辟256字節(jié)作為通信緩沖區(qū)，同時(shí)定義存放指針和傳送指針。當(dāng)兩個(gè)指針相等時(shí)，說(shuō)明沒有數(shù)據(jù)需要傳送；當(dāng)有數(shù)據(jù)需傳送時(shí)，CPU將數(shù)據(jù)按當(dāng)前存放指針順序放入隊(duì)列緩沖區(qū)并修改存放指針；當(dāng)串行口發(fā)送寄存器空時(shí)，CPU檢查傳送指針與存放指針，如不相等則從傳送指針位置取出一個(gè)字節(jié)發(fā)送，同時(shí)修改傳送指針。這里256字節(jié)循環(huán)使用，使用一個(gè)8位寄存器作為指針，使用資源少且運(yùn)行效率高。