本文探討研究了電動多軸螺母擰緊機的控制系統(tǒng)研發(fā)相關(guān)內(nèi)容。

　　介紹一種電動多軸螺母擰緊機控制系統(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)，每個軸都由一個以89C51為核心的控制單元控制，保證了定扭矩擰緊實現(xiàn)。獨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。

　　1　引言

　　目前，國內(nèi)許多廠家生產(chǎn)的電動多軸螺母擰緊機，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)控制計算機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或PLC響應(yīng)速度慢，勢必影響擰緊精度。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，在擰緊過程中每個單元獨立工作，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，同時采用串行通信與管理計算機交換信息，既保證了擰緊精度，又具有計算機監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理功能。

　　2　系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

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

圖1　擰緊機控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

　　管理計算機設(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時顯示，有價值的曲線可根據(jù)要求存入硬盤，可隨時調(diào)出顯示或打印，曲線反映的扭矩上升下降過程及屈服點的情況，可用于分析被擰緊件的材料和加工情況;管理計算機還配備了質(zhì)量分析軟件，根據(jù)存儲的擰緊結(jié)果計算出某年、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)分布算法計算出擰緊質(zhì)量趨勢圖及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，將參數(shù)通過總線寫入每個控制單元中;協(xié)調(diào)單元具有數(shù)字輸入，用于接收自動擰緊信號和多軸擰緊信號輸入，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，通過串行口向管理計算機傳送此軸的狀態(tài)，自動擰緊過程結(jié)束時，顯示本次擰緊是否成功及本班作業(yè)統(tǒng)計數(shù);自動擰緊過程中監(jiān)視各軸的狀態(tài)，全部達(dá)到轉(zhuǎn)角扭矩時發(fā)出同步轉(zhuǎn)角擰緊指令;根據(jù)參數(shù)設(shè)定，在自動擰緊過程中定時讀取指定軸的擰緊動態(tài)扭矩和角度值，通過串行口傳送給管理計算機。

　　控制單元內(nèi)設(shè)一片8155，用于存儲參數(shù)和動態(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，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，模擬量輸入用于接收單軸的檢測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用于計算轉(zhuǎn)角，數(shù)字輸出及模擬量輸出用于輸出信號給伺服單元來控制伺服電機，以完成擰緊過程。

　　3　系統(tǒng)主要技術(shù)特點

　　3.1　自定義總線的實現(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是控制單元獨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)傳送到管理計算機。考慮到這一特點及單片機89C51資源情況，設(shè)計了以共享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，首先根據(jù)GAL16V8的74LS273尋址將軸號(0-31)和總線使能信號ZBE寫入74LS273鎖存，然后檢查控制單元的返回信號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。

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讀寫。由于協(xié)調(diào)單元對8155的RAM的讀寫內(nèi)容較少，采用申請時間在前優(yōu)先的原則，搶占不成功則等待對方操作結(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。當(dāng)總線的使能BE有效且Z0-Z4的軸號與撥碼開關(guān)設(shè)置一致時，74HC521輸出ZHCS有效，89C51根據(jù)ZHCS信號檢測到協(xié)調(diào)單元占用8155，同時GAL16V8組合出信號封鎖U2，使U5和U6總線操作有效。控制單元對8155讀寫時，首先檢測ZHCS是否有效，有效則等待其結(jié)束，如無效則立即發(fā)出RMZY封鎖ANS的輸出。為了避免同時檢測沖突，控制單元應(yīng)等待4個周期，看ZHCS是否出現(xiàn)，如出現(xiàn)應(yīng)取消RMZY信號。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，確認(rèn)ANS有效后也應(yīng)等待4個周期，以保證讀寫的可靠。

圖3　控制單元總線接口圖

　　3.2　通信隊列的實現(xiàn)

　　在多軸擰緊過程中，由于協(xié)調(diào)單元需要向管理計算機傳送每個軸的擰緊狀態(tài)，同時還要傳送曲線數(shù)據(jù)，因此必須開辟一個通信緩沖區(qū)。本系統(tǒng)構(gòu)造了一個通信隊列形式，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)識碼(D0-FF)，第二字節(jié)、第三字節(jié)為數(shù)據(jù)，如E0-EA為一號軸至十號軸的曲線數(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)，同時定義存放指針和傳送指針。當(dāng)兩個指針相等時，說明沒有數(shù)據(jù)需要傳送;當(dāng)有數(shù)據(jù)需傳送時，CPU將數(shù)據(jù)按當(dāng)前存放指針順序放入隊列緩沖區(qū)并修改存放指針;當(dāng)串行口發(fā)送寄存器空時，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字節(jié)發(fā)送，同時修改傳送指針。這里256字節(jié)循環(huán)使用，使用一個8位寄存器作為指針，使用資源少且運行效率高。

　　4　結(jié)束語

　　該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于為一汽集團、江鈴集團等企業(yè)的擰緊系統(tǒng)中。系統(tǒng)運行可靠，系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)保證了控制單元對擰緊過程的快速響應(yīng)，保證了擰緊精度，系統(tǒng)中完善的分析和管理軟件為企業(yè)的生產(chǎn)管理提供了有力的手段。