一種扭矩實時反饋的螺絲槍檢測電路設(shè)計

李淑敏，王睿墉，張彬，蔡成煒

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215104）

在中國制造2025 與工業(yè)4.0 的大背景下，我國制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)生機勃勃的態(tài)勢，制造規(guī)模和制造水平得到了比較可觀的改善和提高[1]。在企業(yè)生產(chǎn)中，螺絲鎖付是生產(chǎn)裝配中一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，鎖付工具也從最初的人工鎖付發(fā)展到機器人自動化鎖付，而自動化鎖付對電動螺絲槍的選用要求頗高，市面上大多數(shù)電動螺絲槍都裝有調(diào)節(jié)和限制扭矩的裝置，這種螺絲槍只能對螺絲擰緊的結(jié)果有一個初步的質(zhì)量控制，但很難做到對鎖付過程的扭力精確可控和對每顆螺絲鎖付參數(shù)可記錄、可跟蹤。本文設(shè)計的電路方案能對螺絲槍鎖付過程中的工作電流進行實施采樣處理，實時換算其工作扭矩，并將數(shù)據(jù)傳輸給上位機實現(xiàn)全程扭矩精確監(jiān)控，實時反饋相關(guān)數(shù)據(jù)并提供數(shù)據(jù)追溯功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

扭矩實時反饋螺絲槍檢測系統(tǒng)由電源電路、參考源電路、電流采樣電路、AD 采樣電路、單片機處理電路、動作信號檢測電路、網(wǎng)絡(luò)通信電路，結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。本設(shè)計的核心也在于螺絲槍功率部分電流的檢測，通過電流霍爾采樣傳感器，利用ADC 轉(zhuǎn)換電路將螺絲槍電機的電流實時檢測出來，檢測出來的數(shù)據(jù)經(jīng)過標定計算再通過網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送到支持TCP/IP 的終端。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 螺絲槍扭矩檢測原理

研究發(fā)現(xiàn)螺絲槍在擰緊過程中不同扭矩下的功率電流是不一樣的，而這兩者之間存在著某的關(guān)系如(1)式：

式中：T為螺絲槍工作扭矩；n為螺絲槍電機轉(zhuǎn)速；P為螺絲槍電機有功功率。

市面上的大多數(shù)螺絲槍在工作時，它的轉(zhuǎn)速固定可調(diào)，工作電壓U 一般也是恒定不變的，由公式P=UI可知，只要檢測到螺絲槍工作時的功率電流，就能換算出它的工作扭矩。

本電路設(shè)計核心就是怎樣高速精確地采樣電機的功率電流，并能有效地把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行數(shù)據(jù)傳輸。

3 硬件電路設(shè)計

■3.1 電源電路設(shè)計

由于市面上螺絲槍選型種類的繁多，供電電壓種類也較多，所以我們需要一個輸入范圍很寬的電源電路，XL7015是一款高效、高壓降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器，固定150kHz 開關(guān)頻率，可提供最高0.8A 輸出電流能力，低紋波，出色的線性調(diào)整率與負載調(diào)整率[2]。XL7015 內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補償電路，簡化了電路設(shè)計；本設(shè)計支持市面上24V ～60V 的手槍鉆電源，將24V ～60V 轉(zhuǎn)換成稍低的電壓15V，再通過PD1509P5 將15V 轉(zhuǎn)換成5V 供IC 供電（雙芯片降壓的目的主要因為XL7015 輸出電流較小，要保證輸出功率所以采用二級降壓），得到的5V 電壓經(jīng)過AMS1117-3V3 轉(zhuǎn)換成3.3V，供MCU 和部分芯片運行，設(shè)計如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)電源電路設(shè)計

■3.2 功率電流AD 采集電路

功率電流采樣電路采用了萊姆霍爾電流互感器，能夠?qū)⒄撾娏餍盘柾ㄟ^線性霍爾與運算放大電路轉(zhuǎn)換成0V~5V 便于ADC 芯片采樣，ADC 采樣電路核心采用的是ADS8866 芯片，它是一款16 位、100kSPS 單端輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此器件以 2.5V ~ 5V 的外部基準運行，本設(shè)計采用的5VREF 基準，從而在無需額外的信號調(diào)節(jié)情況下提供寬信號范圍。此基準電壓設(shè)置獨立于并且可超過模擬電源電壓(AVDD)。該器件提供一個兼容的 SPI 串口，該串口也支持菊花鏈方式以實現(xiàn)多個器件級聯(lián)[3]。此器件支持 -0.1V ~ VREF + 0.1V 范圍的單極單端模擬輸入。如圖3 所示，ADS8866 的3 腳接的是霍爾電流互感器傳輸過來的信號，轉(zhuǎn)換數(shù)字信號后通過7 腳輸出給單片機，為了保證轉(zhuǎn)換精度，必須保證基準源的穩(wěn)定性，采用德州儀器REF5050ID 芯片設(shè)計基準電源，該芯片溫度系數(shù)為±0.1%，靜態(tài)工作電流8ppm/℃，1.2mA噪 聲(0.1Hz~10Hz)，3uVp-p。輸入端反向串聯(lián)了一個5.1V 穩(wěn)壓管，防止因為輸入電壓過高使得芯片溫度升高影響芯片的性能。

圖3 功率電流AD 采集電路

■3.3 主控電路設(shè)計

霍爾電流數(shù)據(jù)采集后，需要將數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行分析、扭矩算法轉(zhuǎn)換和扭矩數(shù)據(jù)存儲[4]，采用STM32F103C8T6 單片機作為核心控制器，如圖4 所示，CD4051 是一個八選一的模擬選通開關(guān)，螺絲槍的電流信號可以從CD4051 中A0~A7 任何一個引腳輸入，通過單片機S0、S1、S2 三個引腳選通其中的一路電流信號從3腳輸出，采用4 個CD4051 的設(shè)計方案，實際上最大能支持32 個螺絲槍扭矩檢測，Senser IN 腳連接的是ADS8866的3 腳（AD 輸入腳），單片機的PA4，A5，PA6 控制ADS8866 芯片讀取AD 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取后，通過PA9、PA10配置UART通信網(wǎng)口協(xié)議，與上位機軟件進行數(shù)據(jù)交互。另外，該電路還連接了螺絲槍各種交互信號的接口，可以控制螺絲槍的正反轉(zhuǎn)、啟停等功能，集合控制反饋于一體，既可以發(fā)出控制信號，又可以檢測當(dāng)前的控制狀態(tài)[5]。

圖4 單片機主控電路

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要由通道選擇程序、扭矩測量算法程序、通訊數(shù)據(jù)交互等組成。通道選擇程序是類似流水燈方式輪詢切換模擬開關(guān)通道，通過通道的不斷切換獲取AD 數(shù)據(jù)；扭矩的算法是系統(tǒng)的核心部分，測量Uref 和Ux 電壓數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行標定通過標準的扭力計錄入數(shù)據(jù)從而適應(yīng)學(xué)習(xí)扭矩；通訊數(shù)據(jù)交互主要是通過網(wǎng)口（RJ45）TCP/IP 實現(xiàn)，通過協(xié)議類型的選定、IP 地址的設(shè)定、端口號的設(shè)定并通過約定的指令集實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，主程序流程設(shè)計如圖5 所示。

圖5 程序主流程圖

系統(tǒng)通過ADS8866 芯片進行數(shù)據(jù)采集，采用軟件模擬SPI 總線的方式讀取螺絲槍工作電流。在軟件進行SPI 工作時工作精度可以達到微秒級。依次設(shè)置啟動起始位、停止位、主機應(yīng)答位、主機反應(yīng)應(yīng)答位，獲取從機應(yīng)答信號，主設(shè)備開始準備向從設(shè)備發(fā)送一個字節(jié)，觀察是否接收由主設(shè)備傳遞過來的一個字節(jié)[6]。

系統(tǒng)ADC 核心程序如下所示：

u16 ADS8866_ReadData_Time(u16 tData) //ADS8866 端口SPI 數(shù)據(jù)讀取

{

ADS8866_NSS_LOW;

while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) //發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生時鐘

;

SPI_I2S_SendData(SPI1, tData);

while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET) //接收數(shù)據(jù)

;

return (SPI_I2S_ReceiveData(SPI1));

}

u16 ADS8866_OneAcq(u16 tData)

//AD7685 端口SPI 數(shù)據(jù)讀取

{

u16 Data = 0;

ADS8866_NSS_LOW;

delay_us(1);

ADS8866_NSS_HIGH;

delay_us(5);

Data = ADS8866_ReadData_Time(tData) ;

delay_us(1);

ADS8866_NSS_HIGH;

return Data;

}

5 系統(tǒng)測試與分析

系統(tǒng)上電后，先進行目標扭矩、扭矩系數(shù)等參數(shù)設(shè)定，如圖6 所示。

圖6 目標螺絲擰緊參數(shù)設(shè)定

根據(jù)上位機通信參數(shù)，設(shè)置好TCP/IP 協(xié)議， IP、子網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)等參數(shù)，數(shù)據(jù)能成功發(fā)送網(wǎng)口。如圖7 所示。

圖7 網(wǎng)口通信參數(shù)設(shè)定

此時，電腦上位機串口軟件可以接受螺絲槍采樣到的實時扭矩信息，扭矩數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)口進行設(shè)置和監(jiān)測，如圖8所示。

圖8 串口扭矩數(shù)據(jù)監(jiān)測

通訊數(shù)據(jù)交互首先要設(shè)置好參數(shù)，工作方式一般設(shè)置為TCP Client 或者TCP Server，當(dāng)下位機設(shè)置為TCP Client，上位機則需要設(shè)置為TCP Server，反之則同理，模塊的IP 地址則按照局域網(wǎng)內(nèi)PC 地址進行合理的設(shè)置，不可有局域網(wǎng)其他設(shè)備有網(wǎng)段沖突，子網(wǎng)掩碼通常為255.255.255.0；默認網(wǎng)關(guān)可以參照電腦的IP，因為在同一個局域網(wǎng)；串口波特率設(shè)置為460800，這是單片機與網(wǎng)關(guān)模塊通信的波特率，校驗/數(shù)據(jù)/停止與單片機程序設(shè)置有關(guān)，以一幀數(shù)據(jù)“FE FF 00 00 02 CC 00 01 00 01 00 02 00 01 00 03 00 02 00 01 00 02 00 02 00 03 00 04 00 03 00 03 00 03 00 02 00 02 00 02 00 02 00 03 00 03 00 03 00 01 00 01 00 02 00 02 00 03 00 03 00 03 00 03 FF FF”介紹，一幀數(shù)據(jù)為66 個字節(jié)，前兩個字節(jié)“FE FF”為幀頭，最后2個字節(jié)“FF FF”為幀尾；幀頭后面的2 個字節(jié)“00 00”為發(fā)送的數(shù)據(jù)組數(shù)，從0-65535；當(dāng)然第二組為“00 01”，后面緊挨著的60 個字節(jié)為AD 采樣的數(shù)據(jù)，30 路，每路2個字節(jié)。

數(shù)據(jù)測試成功后，連接系統(tǒng)上位機軟件，進行扭矩數(shù)據(jù)的儲存、分析和曲線顯示，讓用戶能直觀地知曉每一顆螺絲的擰緊的狀態(tài)，如圖9 所示。

圖9 上位機扭矩多重曲線顯示

6 結(jié)論

本文提出了采用電流互感扭矩檢測方案，解決裝配過程參數(shù)無實時反饋問題，配備TCP 網(wǎng)關(guān)終端，將鎖付過程參數(shù)上傳到上位機或者云端，這樣能實現(xiàn)全程扭矩精確控制，實時反饋相關(guān)數(shù)據(jù)并提供數(shù)據(jù)追溯功能，實驗證明，數(shù)據(jù)測試精確，功耗低，再配合良好的人機界面，螺絲鎖付合格率大大提高。