车用电磁继电器后端制程计算机量测与控制系统研制硕士论文 范华 东风汽车公司职业教育培训中心（东风高级技工学校）.doc

题 目 车用电磁继电器后端制程计算机量测与控制系统研制 英文题目 Development of a Computer Measurement and ControlSystem for Back-end Processes of AutomobileElectromagnetic Relays摘 要国内许多车用电磁继电器制造商均没有车用电磁继电器装配及检测自动化生产设备，仅能依赖人工做逐一检测及装配，不仅耗费时间及人力成本，而且生产速度慢、产品质量不稳定。另外，面对淡旺季或订单多寡状况，人力的调节问题很难处理。因此，本文主要目的在研制一套适于车用电磁继电器装配及检测自动化设备计算机量测与控制系统，协助车用电磁继电器制造商将生产制程自动化，提升生产速度及产品质量。此计算机量测与控制系统硬件架构采用由 RS485 总线、个人电脑及自行设计 PIC 控制模块所建构成分布式监控系统架构，其中PC 当主控制器及以 PIC 控制模块为奴控制器，其中 PIC 控制模块包含自行设计检测及驱动电路。而软件部分包含以 LabVIEW 设计PC 端监控程序及 PIC 控制模块控制、通讯及量测程序。系统经测试，可达成装配及检测自动化控制，且检测数据可传送至计算机端存文件供建立产品履历。检测功能可达成电磁继电器电气接脚受力测试及电气特性量测，满足合作厂商需求。关键词：车用电磁继电器；分布式监控；计算机量测与控制；电气特性量测；接脚受力测试 AbstractMany automobile electromagnetic relay manufacturers lack automated assembling and measurement equipment, and the assembly and measurement processes can only rely on handwork. Thus, not only the cost in both time consuming and man power is large, but also the production speed is very slow and the product quality is quite unstable. Therefore, the main purpose of this thesis is to develop a computer measurement and control system for automated assembly and measurement of automobile electromagnetic relays. It can help manufacturers automate the production process and promote production speed and product quality.The developed computer measurement and control system in this thesis employs the distributed monitoring and control system architecture which consists of a RS485 bus, a personal computer (PC) and several self-designed PIC control modules being include measurement and driving circuits, and the PC plays the role of master controller and the PIC control modules play the roles of slave controllers. Besides, the developed software include the monitoring and control program in PC designed by using LabVIEW package and the control, measurement and communication programs in the PIC modules. The experiments approve that the developed system not only can functionally approach the automation in assembly and measurement, but also can successfully transmitte measured datum to PC and save them as the usage of product resume. Furthermore, the measurement function can implement force sustain test on electrical terminal and electrical characteristic measurement for the Car-used electromagnetic relay.Keywords: Car-used electromagnetic relay ; Distributed monitoring;Computer Measurement and Control ; Electrical Characteristics Measurement;Pin force test III目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论51.1 前言51.2 研究动机与目的51.3 车用电磁继电器简介61.4 參考文獻81.5 论文架构8第二章 产线加工站配置与各站动作流程92.1 第一站：半成品自动进料112.2第二站：电气接点视觉检测142.3 第三站：外盖进料与自动上盖142.4 第四站：外盖侧压162.5 第五、六站：继电器端子撞击测试172.6 第七、八站：电气特性量测192.7 第九站：不良品出料、分类212.8 第十站：良品雷射标印及出料23第三章 计算机量测与控制系统硬件设计263.1 分布式监控系统硬件架构263.2 PIC控制模組283.3 RS485串行通讯电路323.4 继电器端子撞击测试电路333.5 继电器驱动/检知电路343.6 接点阻值检测电路353.7 线圈阻值检测电路373.8 分度盘直流马达控制电路38第四章 计算机量测与控制系统软件设计404.1 通讯协议404.2 监控软件程序设计454.3 PIC控制模組量測方法494.3.1 继电器端子压力测试494.3.2 启动/释放电压量测514.3.3 启动/释放时间量测534.3.4 接点阻值量测554.3.5线圈阻值量测57第五章 量测结果与讨论595.1 量测结果595.2 量测重复性与精确性讨论71第6章 结论及未来展望766.1 结论766.2 未来展望76参考文献77附录 A78第1章 绪论1.1 前言近年来，随着市场的多样化需求及生产成本的提升，国内许多车用电子零件的制造商纷纷外移，留在国内的制造商唯有提升自己产品竞争力、功能及产品质量，才有办法生存下来。目前制造车用继电器的小型公司大量投入产品开发、设计，不断的提升竞争力，建立小量多样的产品线。但随着主要客户群的改变，市场的变化，为了满足客户需求及产能，必需将制程都改由自己厂内完成，以确保质量的稳定。汽车零件制造商积极且急欲将车用继电器产线自动化，藉此向客户证明制程能力，并于短时间内提升自动化生产程度，满足客户产能需求。1.2 研究动机与目的目前，国内某些制造车用电磁继电器的小公司或上市公司均没有车用电磁继电器自动化生产的自动化设备，仅能以人工方式逐一进行继电器的装配及各项电气特性或机械特性测量，量测结果为良品才由人工包装出货，因此相当耗费人力及时间，另外，在面对淡旺季或订单多寡状况，人力的调节问题也很难处理。国内某汽车零件制造商现行车用继电器组立装配流程如图 1 所示，图中大部份制程均为手工组装，只有端子压力测试单站自动化及量测标印单站自动化，离全线组装(含量测)自动化尚有很大努力空间。另外，现有端子压力测试机台亦存在暂用空间过大、整合不易或整合费用比重新设计费用高等问题。图 1 车用继电器组立装配流程图因此，本研究主要目的研制车用电磁继电器检测及装配自动化系统监控系统，整合车用继电器后段制程产线，达成继电器半成品3自动进料、自动上盖、端子压力测试、电器特性量测、不良品自动分类、良品雷射标印及出料、量测数据存盘后段制程生产自动化。1.3 车用电磁继电器简介汽车零件制造商提供的车用电磁继电器(型号为 806-03)，其半成品3如图.2 所示，继电器线圈额定电压为 DC24V，接点型态为1a、1b、1c型式。图 2 车用电磁继电器半成品3本研究量测该继电器相关电气特性数据，诸项电器特性定义如下：(1)端子压力测试：施予适当力量(约10kg)于继电器端子上，以确保日后继电器插入端子座时，不致于端子陷入。(2)启动电压(Operate voltage)：可使继电器线圈激磁作动最低电压。(3)释放电压(Release voltage)：可使继电器线圈失磁作动最高电压。(4)启动时间(Operate time)：驱动电路推动继电器激磁，接点由常闭到常开闭合的时间。(5)释放时间(Release time)：驱动电路推动继电器后，再使失磁，接点由常开到常闭闭合的时间。(6)接点电阻：接点闭合时接点二端的电阻值。(7)线圈电阻：电磁线圈二端的电阻值。诸项电气规格如表1所示：表1 车用电磁继电器电气规格电器特性电气规格启动电压16V释放电压2.4V10.0V启动时间释放时间接点阻值(NO)接点阻值(NC)线圈阻值1.4 參考文献遍寻市场上能测量汽车用继电器电气/机械规格的仪器1-7，这些量测仪器、专利或文献普遍存在单项仪器均只能测量汽车零件制造商所需量测规格其中部份规格、没提供任何电路或售价非常昂贵问题。另外，在雷射标印(Laser Marking)方面，有南桦电机有限公司8、德玺实业公司9雷射雕刻机、雕坊科技有限公司10雷射标印机、Telesis Technologies, Inc 11雷射标印机，这些雷射标印/雕刻机均无继电器进料、继电器电气特性量测及继电器良品/不良品选别等功能，不符车厂所需。高桥自动化科技公司12虽有继电器组立装配线，但此装配线需耗资数千万元，没有常期大量订单的小型公司是无此能力负担的且不符成本效益的。有关国内外车用继电器相关研究，文献13 研究车用电磁继电器机械及电器特性规格，文中并未对继电器线圈阻值数据量测，也无继电器装配的功能。文献14-15探讨雷射标印性能及算法。1.5 论文架构此论文共分为六章，以下分别针对各章内容做简单的介绍。第一章 绪论此章节说明本文研究动机与目的，介绍车用电磁继电器规格及其电器特性，以及相关文献探讨。第二章 产线加工站配置与各站动作流程此章节介绍系统各站加工配置，各加工站功能说明及其动作流程。第三章 计算机监控系统硬件设计此章节说明此系统硬件架构，设计控制电路、通讯电路及检测电路。第四章 计算机监控系统软件设计此章节说明此系统软件架构，介绍系统通讯的方式及编码，LabVIEW 监控软件设计，PIC 微控制器量测的方法。第五章 量测结果与讨论此章节呈现了利用此系统所做的实验结果，将结果数据分析及讨论。第六章 结论与未来展望此章节内容将实验结果做总结，并说明未来可深加研究的方向。第二章 产线加工站配置与各站动作流程为利于说明车用继电器检测及装配自动化系统计算机监控系统设计，本节就各加工站控制程序动作流程配合此系统加工站配置及机构设计(不属本文研究范围)方式做说明。此系统产线采圆形加工线配置，共需10个加工站，其配置图如图3所示。机构主体为一组十分割分度盘，分度盘由一减速直流马达驱动十分割凸缘法兰行精密间歇分割器带动，如图4、5所示。分度盘每一分割构成一加工站，每一个加工站设计其量测、装配及检测治具，装配及检测再由气压缸带动完成加工，一共分成10个加工站。第一加工站为半成品自动进料，第二加工站为电气接点错位及间隙视觉检测，第三加工站为外盖进料与自动上盖，第四加工站为外盖测压，第五、六加工站为电气接脚撞击测试，第七、八加工站为电气特性量测，第九加工站为不良品出料，第十加工站为雷射标印及成品出料，机台设计图如图 6所示。图 3 加工站配置图图4 十分割凸缘法兰行精密间歇分割器图5 分度盘直流马达图6 机构设计图各加工站详细功能说明如下：2.1 第一站：半成品自动进料第一站主要功能为半成品自动进料，其设计机构有半成品进料坡道、推料治具、推料拨片及挡片，其机构及致动器设计如图7所示。车用继电器半成品由人工放入进料坡道顶端，当半成品自动顺着坡道下滑至坡道末端，进料传感器感测有料，则移载缸延x+方向移动到进料点，移载缸到达进料点时，装置其上推料缸随即动作，延y+方向伸出，推料缸前装置其推料拨片，将继电器半成品推入分度盘治具，推入完成后，移载缸、推料缸相继回原点，等待下次的进料。第一站加工动作流程如图8所示。图7 第一站机构设计图 图 8 第一站加工动作流程图2.2第二站：电气接点视觉检测第二站主要功能为电气接点间隙及错位视觉检测，其机构设计如图9所示。此加工站以CCD摄影机撷取车用继电器电气接点影像(CCD1摄影机拍摄接点间隙、CCD2摄影机拍摄接点错位)，将影像透过撷取卡传进计算机，由LabView 计算机视觉软件量测其电气接点间隙及错位。视觉检测部分由另一名学长负责研究，所以本站将不在本文中论述。图9 第二站机构设计图2.3 第三站：外盖进料与自动上盖第三站主要功能为外盖进料与自动上盖，其设计机构有外盖进料坡道及上盖夹头治具，其机构及致动器如图 10 所示。外盖由人工放入进料坡道顶端，当外盖顺着坡道滑下至末端时，进料传感器感测有料，则夹料缸延z-方向伸出夹取外盖后缩回，移载缸延x-方向移动到上盖点，移载缸到达上盖点时，夹料缸延z-方向伸出进行上盖，上盖完毕则夹料缸缩回，移载缸回原点，等待下次的上盖。第三站加工动作流程如图11所示。图10 第三站机构设计图图 11 第三站加工动作流程图2.4 第四站：外盖侧压第四站主要功能为外盖侧压，目的是将上盖好继电器半成品进行侧边压盖，好让外盖与继电器半成品紧密结合，其设计机构及致动器如图12。当第三站上盖好继电器半成品转至这加工站时，侧压缸延 y+方向伸出，进行外盖侧压加工动作。侧压完毕，侧压缸缩回回点，等待下次侧压。第四站加工动作流程如图13所示。图12 第四站机构设计图图13 第四站加工动作流程图2.5 第五、六站：继电器端子撞击测试第五、六站主要功能为电气接脚撞击测试，利用撞击缸延z+方向推动一个撞击块撞击继电器电气接脚，每站各撞击一支接脚(NO及NC接脚)。撞击时，治具上方设有挡块，以至于继电器不会因为撞击而弹离治具。撞击后，电气接脚陷入情况判断是利用安置于撞击缸侧面线性位移传感器来检测，线性位移传感器设计有可伸缩探针，其设置位置使探针顶端在电气接脚未陷入状态时紧临分度盘底面但未触及；在电气端子陷入状态时探针顶端则因触及分度盘底面而缩入。探针缩入量会使线性位移传感器内部电阻产生改变(如同可变电阻)，若将电阻值转换为电压值，量测电路及可依据默认电压临界值判定电气端子陷入与否，并量测判定状况(不良品与否)传输至计算机，以作为第九站不良品排料及分类依据，其设计机构及致动器如图14。第五、六站加工动作流程如图15所示。五、六站检测的方法请参阅章节4.3.1。图14 第五、六站机构设计图图15 第五、六站加工动作流程图2.6 第七、八站：电气特性量测第七站功能为继电器启动电压、启动时间、释放电压、释放时间量测电气特性量测，第八站功能为线圈阻值及接点阻值电气特性量测。图16为第七、八站机结构设计图，图17为量测探针头设计图。量测探针头内装置量测探针，利用一量测缸带动一量测探针头延z+方向伸出，量测缸达上位点时，继电器线圈/接点接脚触及量测探针，开始进行电器特性量测，量测结果传送至计算机储存量测数据 ，并做为第九站不良品分类。量测完毕，量测缸缩回原点，等待下次量测。第七、八站加工动作流程如图18所示。七、八站检测的方法请参阅章节4.3.2、4.3.3、4.3.4。 图16 第七、八站机结构设计图图17 量测探针头设计图图18 第七、八站加工动作流程图2.7 第九站：不良品出料、分类第九站主要功能为不良品出料并将其依不合格种类分类，不良品的分类有接点间隙及错位不合格、电气特性规格不合格及端子陷入不合格三类，如果接点间隙及错位已经不合格了，则后续量测及加工不进行，以此类推。在不良品分类中，以最先检测出的不良品种类为第一不良品种类。不良品出料模块主要是由一勾料缸、钩料杆、不良品出料坡道A、不良品出料坡道B(分1、2、3 区)、串联式双气压缸(A、B)所构成，如图 19 所示。不良品坡道B固定于串联式双气压缸前端，由串联式双气压缸全缩回、一伸一缩、全伸出做x方向移动，达到多位置控制方式，使不良品由钩料缸延y+方向钩下至出料坡道A而滑下后，能顺利滑至不良品出料坡道B1、2或3区，达到分类目的。第九站加工动作流程如图 20 所示。 图19 第九站机构设计图图20 第九站加工动作流程图2.8 第十站：良品雷射标印及出料第十站功能为执行良品雷射标印及成品出料。雷射标印及成品出料模块主要是由一勾料缸、钩料杆、良品出料坡道及雷射标印机所构成，如图21所示。装配及检测完成继电器良品，由雷射标印机标印其继电器规格其制造日期完后，由勾料缸延 x-方向将良品勾出至良品出料坡道，完成一颗继电器良品装配及检测。第十站加工动作流程如图22所示。图21 第十站机构设计图图22 第十站加工动作流程图第三章 计算机量测与控制系统硬件设计此车用电磁继电器自动化装配及检测计算机量测与控制系统，依据车厂制造商在量测上电气规格量测需求，必须具备下列性能：(1)可检测继电器线圈驱动电压为DC24V/12V。(2)可量测规格项目包含启动电压、释放电压、启动时间、释放时间、接点阻值(NO、NC)及线圈阻值等项目。(3)半成品3自动进料、检测、上盖、出料及量测数据存盘全自动化。(4)用户可输入良品规格数据，量测结果不良品直接自动进入废料区，不需标印；良品则标印量测日期及时间，同时将量测日期时间及量测数据存盘。3.1 分布式监控系统硬件架构本文主要目的在于为车用电磁继电器装配及检测自动化设备设计计算机量测与控制系统，系统的加工需全部加工站同时进行加工，单独靠一个控制器无法达成，因此本系统采用分布式监控系统架构设计其硬件架构，其硬件架构如图所示。在控制器的选用上，表2为 PLC 与 PIC 控制器比较表，PLC与PC联机需透过OPC Server，PIC 则不用。然而OPC Server 数据更新时间最快也需要1秒因此在通讯时间上，使用PLC 会比 PIC 来得长，通讯时间越长，则系统加工的时间就越长，时间越长就无法符合厂商的需求。在分布式监控系统的架构上，每一加工站都需要一个控制器，如果每站都使用一个PLC的话，成本上也会比使用 PIC 来得高，因此本系统是选用PIC来当控制器。表2 PLC与PIC控制器比较控制器PLCPIC通訊時間1 Sec成本高低在硬件上，此计算机量测与控制系统是由传感器(磁簧开关、近接开关及线性位移传感器)、致动器(气压缸、及直流马达)、自行设计的量测探针头、自行研制的PIC控制模块(包含CPU模块、I/O模块、继电器端子撞击测试电路、接点阻值检测电路、线圈阻值检测电路、直流马达控制电路)、RS232/RS485转换器以及一台个人计算机(PC)组成。加工站气压缸、分度盘直流马达及步进马达均由PIC 控制模块控制。在图 23 中，一部PC 为主控制器(Master controller)，10个PIC控制模块为奴控制器(Slave controller)各有其标识符(ID)，透过 RS485总线(BUS)共同形成分布式控制架构。各加工站需完成加工动作的致动器(气压缸、直流马达、步进马达)各由一个PIC控制模块控制。PIC控制模块(ID=11)控制驱动直流马达分度盘旋转一个分度，令继电器继续其下一加工站制程。兹将PIC 控制模块、RS232/RS485 转换器、电气接脚撞击测试电路、接点阻值检测电路、线圈阻值检测电路、直流马达控制电路等功能。3.2 PIC控制模組PIC控制模块为自行设计的电路板，包 CPU 模块及I/O 模块，实体图如图 24、25所示。在电源供应上，此PIC控制模块仅需一DC24V(VCC1)输，而在CPU 模块及 I/O 模块上设计了+12V(VCC2)及+5V(VCC3)的稳压电路，如图 26、27 所示。CPU 模块主要是由PIC16F877 及其重置电路与石英振荡电路、系统状态指示灯及双向差动总线通讯电路(75176)，电路图如图 28 所示。在图28中，J9外接8个LED 灯，做系统灯号显示，J2 接 RS485 BUS，表3为系统灯号菜单。I/O模块设计为4个输入点及4 个输出点的输入输出板。为了符合某些加工站量测需求，亦将继电器端子撞击测试电路、接点阻值检测电路、线圈阻值检测电路、直流马达控制电路布线于I/O模块电路板中，再视各站需求决定插入电子零件与否。I/O 模块输入点电路如图 29 所示，当SENSOR(例如磁簧开关)ON 时，Q1电晶体导通，PIC RA埠输入脚为低电位(0V)；当 SENSOR(磁簧开关)OFF时，Q1晶体管不导通，RA埠输入脚为高电位(+5V)，由PIC判断输入脚位逻辑电位高低，可以得知磁簧开关有无感应，以达到输入信号的感测。I/O 模块输出点电路如图30 所示，图中 TLP250是一颗光耦合IC，内部电路输出是以 MOSFET的方式去推动输出负载。当PIC RD 埠脚位输出低电位(0V)，TLP250 内部 LED亮，Tr1 晶体管导通，Tr2 晶体管不导通，则 TLP250(Pin7)输出高电位(+24V)，Q1 MOSFET导通，则输出负载(电磁阀)ON；反，当RD 埠脚位输出高电位(+5V)， TLP250内部LED不导通，Tr1晶体管不导通，Tr2 晶体管导通，则TLP250(Pin7)输出低电位(0V)，Q1 MOSFET 不导通，则负载 OFF。图24 CPU (PIC)模块实体图图25 I/O 模块实体图图26 +12V 稳压电路图27 +5V 稳压电路图28 CPU 模块电路图图29 输入点电路图图30 输出点电路图表3 系统灯号菜单灯号功能LED1(RB7)联机灯号显示(亮表示联机、灭表示脱机)LED2(RB6)运转灯号显示(亮表示运转、灭表示停止)LED3(RB5)手动/自动灯号显示(亮表示自动、灭表示手动)LED4(RB4)RS485 控制方向用LED5(RB3)程序除错用LED6(RB2)程序除错用LED7(RB1)程序除错用LED8(RB0)外部中断控制用3.3 RS485串行通讯电路PIC 微控制器有串行通讯接口，而个人计算机也有串行通讯接口，因此个人计算机中的串行端口(COM 埠)常被用来当监控设备的数据传输的信道。其优点为取得方便，但缺点为只能作单点传输(即一对一控制)，及传输距离受限(RS232只能作到 15 公尺)。而一般个人计算机顶多也只有二个串行埠(COM1 及 COM2)，若要增多控制范围就必须让串行埠增多，但至多也限制在 16 组串行埠。因此遂发展出 RS485 接口，它能完全改善RS232的缺点。RS485传输为差动式，可免除大部分的噪声，传输距离更达1200 公尺，大大改善了RS232 的缺点，而对点的传输可直接对 256 个点作控制不用再扩充串行埠。本系统是以PC 端为主控端，而PIC 微控制器为区域控制端。PC与多个PIC 微控制器串行通讯电路图如图31 所示。SN75176 IC 为RS232 与 RS485 讯号转换 IC，其功能为将串行讯号转为 RS485 讯号，或是将 RS485 讯号转换回串行讯号。SN75176 为一半双工动作组件，即传送与接收动作无法同时进行，在使用上是将/RE 脚与 DE脚接在一起再连接至控制脚。当控制脚(RB4)为高态时，SN75176 处于发送状态，SN75176D脚接收PIC (TXD 脚)送来串行数据，将其转为差动(平衡)式讯号由A、B脚送至 RS485 BUS，即将串行数据转为差动(平衡)式讯号；当控制脚(RB4)为低态时，SN75176 处于接收状态，由A、B脚接收到差动(平衡)式讯号，转为串行数据由R脚送至 PIC(RXD 脚)，即将差动(平衡)式讯号转为串行数据。SN75176 各脚位功能请参考表 4。图31 PC 与多个PIC 微控制器串行通讯电路图表4 SN75176 脚位特性脚位名称功能PIN1R送出串行数据PIN2/REA、B 脚接收差动讯号致能(低态致能)PIN3DEA、B 脚送出差动讯号致能(低态致能)PIN4D读入串行数据PIN5GND接地PIN6A差动式讯号输入/输出PIN7B差动式讯号输入/输出PIN8VCC电源 +5V3.4 继电器端子撞击测试电路线性位移传感器内部如同一个可变电阻，在其两端给予一个+5V的电压，当线性位移传感器缩入时，内部可变电阻阻值改变，则输出的电压(V 1 )也有高低的变化 ， 如(1)式 。 再由PIC RA端口AD通道(AN0)检测其侦测V 1 的电压值，并由 PIC 微控制器内建的 A/D 模块将侦测到的模拟讯号转为数字讯号传给主控端，由主控端将此数字信号转为模拟电压 ， 判断继电器端子是否有陷入 ， 其设计电路。详细量测方法请参阅章节 4-3-1。 (3.1)3.5 继电器驱动/检知电路为了量测待测继电器启动/释放电压、启动/释放时间，本研究设计了继电器驱动/检知电路。此电路设计考虑到以后可以对不同规格继电器量测，以输出点电路驱动一直流小型继电器，做+12V/+24V 电源切换，供不同规格待测继电器量测使用。待测继电器驱动是由 PIC 微控制器的 RC2 脚送出 PWM 讯号，由 RE0 脚及 RE1 脚检知待测继电器 A、B 接点变化，达到量测目的。详细量测方法请参阅章节 4.3.2、4.3.3。3.6 接点阻值检测电路接点阻值检测电路主要是由定电压IC LM317 与其输出端电阻(2.5)组成定电流输出电路，定电流输出 0.5A 流经待测继电器NO及 NC 接点产生压降。接点阻值约只有3m，所产生的压降约为1.5mV，PIC 微控制器内建的 A/D 模块其分辨率约为 4.88mV，无法准确量测出电压值。因此须将产生的压降，透过IC LM2904 OP 放大器构成的仪表放大电路，将小电压放大200 倍，电压增益如(2)式(若)，放大后的电压值则可以由PIC 微控制器准确量测。PIC RA 端口 AD 通道(AN0、AN1)检测其电压值，并由PIC 微控制器内建的 A/D 模块将侦测到的模拟讯号转为数字讯号传给主控端，由主控端将此数字信号转为模拟电压，再由其模拟电压反推回接点阻值，由此判定是否为良品规格，电路设计如图34、35所示。输出驱动电路驱动RELAY1激磁，RELAY1 NO接点导通，+5V电源输入LM317输入侧(Vin)，则LM317 输出定电压(Vout)1.25V，使产生一个电流I(0.5A)，如(3)式。输出驱动电路驱动 RELAY2 激磁供+24V 电源给待测继电器，再由PIC RD7 输出高电位(+5V)或低电位(0V)使待测继电器激磁与否，达到量测待测继电器 NO 及 NC 接点。详细量测方法请参阅章节 4-3-4。 (3.2) (3.3)图34 接点阻值检测电路图35 仪表放大电路3.7 线圈阻值检测电路线圈阻值检测电路如图 36 所示，其设计原理采用分压定理，设待测 RELAY 线圈阻值为 ，串联一颗电阻R 2 ，由 PIC RA 端口 AD通道(AN3)检测 端的电压值，如(4)式。经由 PIC 微控制器内建的A/D 模块将侦测到的模拟讯号(电压值V 1 )转为数字讯号传给主控端，由主控端将此数字信号转为模拟电压，再换算回去得知待测 RELAY线圈阻值。详细量测方法请参阅章节 4.3.5。 (3.4)图36 线圈阻值检测电路3.8 分度盘直流马达控制电路本机构分度盘是由一直流马达传动，直流马达由一直流马达驱动器控制，直流马达驱动器的功能请参照附录 A。直流马达控制电路如图37 所示，由输出点电路控制 RELAY1 和 RELAY2(RELAY1 控制马达的启动及停止，RELAY2 控制马达高速或低速运转)，直流马达的输入电压是由可变电阻产生的分压提供，由I、F-控制 ON/OFF，当 I、F-两端短路时，A+、A-输出电压会瞬时截止，直流马达则停止转动。直流马达的转速则由可变电阻输出端电压值大小来改变马达的转速，当可变电阻输出端电压值愈大则转速越快，反愈慢。当 RD0输出低电位(0V)，RELAY1 激磁，则马达启动；反，当 RD0 输出高电位(+5V)，RELAY1不激磁 ， 则马达停止 。 当RD1输出低电位(0V)，RELAY2 激磁，则马达高速运转；反，当 RD1 输出高电位(+5V)，RELAY2 不激磁，则马达低速运转。图37 分度盘直流马达控制电路第四章 计算机量测与控制系统软件设计本系统软件部分以 LabVIEW8.5 设计人机接口及量测与控制程序，参阅 LabVIEW8.X 图控程序应用16进行程序编撰，LabVIEW虚拟仪控理念应用广泛，程序设计快速，提供使用者快速建构一个系统。本文计算机量测与控制系统以 PC 为主控制器，PIC 控制模块为奴控制器，控制各致动器则由 PIC 控制模块负责。控制方法由主控制器下达命令给奴控制器 ， 则各站执行其加工动作 ， 加工完成后回传 加工动作完成讯号给主控制器，完成一次加工动作，并依序循环。此章节将说明人机接口的规划、主控制器与各奴控制器的通讯协议及PIC 控制模块的控制方法。4.1 通讯协议此系统各加工站分别各自独立由一个 PIC 控制模块控制，每一加工站的PIC 控制模块设有一个标识符(ID)值，如表5 所示。本系统命令码由1个字节组成，如图38所示。高4 位(bit7bit4)用以区分区域命令(Local command)或全局命令(Global command)，低4 位(bit3bit0)用以设定执行动作(Action)。当高4 位为 PIC 控制模块标识符(ID)值时，代表主控制器对某一个别奴控制器下达区域命令，区域命令功能则视低4 位执行动作而定，区域命令码及其功能如表6所示，例如若命令码为0011 1101表示对第三站下达区域命令，执行动作为读取该加工站磁簧开关、气压缸状态；若命令码为10011000表示对第九站下达区域命令，则不良品坡道B 停留在 1 区；若命令码为0011 1010 表示待测继电器于第二站检测结果为良品，则对第三站下达区域命令，执行动作为命令该站可以进行加工。反检测结果为不良品，则对第三站下达区域命令 0011 1001，执行动作为命令该站暂停加工一次。致动器个别控制命令码及功能参照表 7。当高4位为0011时，代表主控制器对奴控制器下达全局命令，全局命令码及其功能如表8 所示。例如第一站至第十站PIC 控制模块接收到C1 命令码，则各站均执行加工 1 次；第十一站 PIC 控制模块接收到 C2 命令码，则分度盘转一个分度。全部 PIC 控制模块接收到C3 命令，系统为手动控制模式、收到 C4 命令，系统为自动控制模式、收到C5 命令系统进入读取模式，用已对各站进行系统状态及数据的读取、收到 C6 命令则系统回到写入模式。 图38 系统通讯命令码表5 PIC 控制模块标识符PIC 控制模块标识符(ID)第一站0001第二站无第三站0011第四站0100第五站0101第六站0110第七站0111第八站1000第九站1001第十站1010分度盘控制1011表6 区域命令码及功能区域命令码功能高4位低 4 位标识符(00011011)1111设定某加工站 PIC 控制模块与 PC 联机1110设定某加工站 PIC 控制模块与 PC 脱机1101读取某加工站磁簧开关、气压缸状态1100读取某加工站量测数据(第五、六、七、八站才有)1011读取某加工站加工完成讯号1010欲加工继电器为良品，该加工站可进行加工1001欲加工继电器为不良品，该加工站暂停加工1000不良品坡道 B 停留在 1 区(第九站才有)0111不良品坡道 B 停留在 2 区(第九站才有)0110不良品坡道 B 停留在 3 区(第九站才有)表7 致动器个别控制命令码及功能高4位低4位PIC控制模块标识符功能执行动作码第一站0001移载缸+0000移载缸-0001推料缸+0010推料缸-0011第三站0011移载缸+0000移载缸-0001夹料缸+0010夹料缸-0011第四站0100侧压缸+0000侧压缸-0001第五站0101撞击缸+0000撞击缸-0001第六站0110撞击缸+0000撞击缸-0001第七站0111量测缸+ 0000量测缸-0001第八站1000量测缸+0000量测缸-0001第九站1001勾料缸+0000勾料缸-0001A 缸+0010A 缸-0011B 缸+0100B 缸-0101第十站1010勾料缸+0000勾料缸-0001雷射标印0010马达快速0000分度盘控制1011马达慢速0001马达 ON0010马达 OFF0011表8 全局命令码及功能全局命令码命命功能上4位下4位11000001第一站至第十站加工均执行加工 1 次0010分度盘旋转一分度0011手动控制模式0100自动控制模式0101设定系统模式为读取0110设定系统模式为写入主控制器需先与各奴控制器(PIC控制模块)取得联机，才能对各奴控制器下达命令，例如主控制器要与第一站 PIC 控制模块取得联机，主控制器送出区域命令码0001 1111，奴控制器接收到此区域命令码并将其高4 位(标识符 0001)与自身标识符比对，比对结果吻合则回传 0001 1111 给主控制器，表示联机成功，反回传0001 1110 表示联机失败。系统默认为自动控制模式，联机成功后，在自动控制模式下，各奴控制器可接收来至主控制器的区域命令码或全局命令码，奴控制器等待主控制器下达命令。奴控制器回传的状态编码如图 39 及图 40 所示 ， 分为两个 Byte，第一 Byte 表示磁簧开关的状态，bit0bit5 分别表示该站磁簧开关的状态，0 表示有感应，1 表示无感应。第二 Byte 表示电磁阀的状态，bit0bit4 分别表示该站电磁阀的状态，0 表示该电磁阀 ON，1 表示该电磁阀 OFF。图 39 磁簧开关回传状态代码图40 气压缸回传状态代码4.2 监控软件程序设计PC 端监控软件程序架构规划如图 41，包括人机接口、良品选别及量测数据纪录、主控制器(PC)与奴控制器(PIC 控制模块)通讯控制程序及致动器/传感器状态监控与显示，均使用 LabVIEW 8.5 软件开发。人机接口内含系统初始设定(选择端口、设定鲍率、决定是否联机监控)、手动控制(系统各致动器控制键及各致动器/传感器状态显示)、自动控制(系统各加工状态)、良品数据设定、量测数据 (启动电压、释放电压、启动时间、释放时间、接点阻值、线圈阻值) 显示、量测数据储存及良品不良品显示等。图 41 LabVIEW 监控系统程序架构图整套系统人机接口程序流程如图所示，系统一开始须选择通信端口及鲍率的设定，设定完成后主控制器与奴控制器行联机，联机失败则程序停止。 联机成功后 ， 用户选择控制模式(手动或自动)，在手动控制模式下，用户可由人机接口控制面板(Control panel)对各站进行手动控制，单独控制各站气压缸，并手动监控每站动作是否正常。在自动控制模式下，用户须先输入待测继电器良品数据范围，供 PC 判断量测结果是否正常，用户输入完数据后，即可按下启动按钮，系统开始自动运转。首先，PC 对负责分度盘控制奴控制器下达命令，令分度盘旋转一分度，PC 续对此奴控制器读取加工完成状态，分度盘未达定位则持续读取，分度盘到达定位后，PC 对全部加工站奴微控制器下达命令开始加工，各站执行加工动作，PC则对这些奴微控制器读取加工完成状态，若这些奴微控制器未完成加工则持续读取，待这些奴微控制器加工完毕，则人机接口显示量测数据，并将数据储存在PC 里， 以利后续查验。人机接口设计如图 43、44、45 所示。图43 LabVIEW 人机接口(系统初始设定)图44 LabVIEW 人机接口(手动控制)图45 LabVIEW 人机接口(自动控制)4.3 PIC控制模組量測方法PIC程序设计参阅 PIC 单芯片学习秘籍(以PIC16F877 为例)17进行编撰，系统中各工作站运作等顺序控制均由PIC 控制模块来负责，各个量测项目也由 PIC 控制模块量测，再将量测的值传回 PC 端监控程序，由监控程序判别量测结果是否为良品，以下将说明各量测流程及方法。4.3.1 继电器端子压力测试继电器端子压力测试是施予适当力量(约10kg)于继电器端子上，以确保日后继电器插入端子座时，致于端子陷入。根据此原理，本研究自行研发电器接脚撞击测试电路，再利用 PIC 微控制器内建模拟转数字模块(A/D Moudle)量测线性位移传感器输出的电压值，方可达到继电器端子是否有陷入情况，端子压力测试量测方块图如图46所示。PIC微控制器 A/D 模块量测数据以 10Bit 表示，可量测电压为 0V5V，量测分辨率约为 4.88mV，当继电器端子陷入时，量测到的电压值将大于设定的临界电压值。由此可判断，量测到的电压值如果大于临界电压值，即判定为继电器端子陷入不良品。图 47 为此量测项目程序流程图。图46：继电器端子压力测试图 图47 继电器端子压力测试程序流程图4.3.2 启动/释放电压量测继电器启动电压是指会使继电器线圈激磁的最低电压值，藉由加于继电器线圈的电压由小至大渐增，直到继电器线圈激磁，即停止增加电压，此时的电压值即判定为启动电压。释放电压是指会使继电器线圈失磁的最高电压值。藉由加于继电器线圈的电压由大至小渐减，直到继电器线圈失磁，即停止增加电压，此时的电压值即判定为释放电压。根据此原理，本文利用PIC 微控制器内建PWM 模块再搭配自行研发继电器驱动电路及继电器接点检知电路，方可达到启动/释放电压量测，启动/释放电压量测方块图如图48 所示。在软件设计上，利用 PIC 微控制器本身内建 PWM 模块送出由小渐增至大/由大渐减至小的 Duty使 PWM 脉波于待测继电器线圈两端平均电压渐增/渐减，直到接点检知电路侦测到a接点闭合 / b 接点闭合，程序才停止，并将 Duty 值纪录于缓存器中。等待整个量测项目完成，才与其他量测项目、量测结果一次透过串行埠送至 PC，图 49 为此量测项目程序流程图。图 48 启动/释放电压量测方块图图 49 启动/释放电压量测程序流程图4.3.3 启动/释放时间量测继电器启动时间是指继电器线圈激磁至第一次接点闭合的时间，此时的时间即判定为启动时间，释放时间是指继电器线圈失磁至第一次接点断开的时间，此时的时间即判定为释放时间。根据此一原理本文利用 PIC 微控制器内建定时器计时时间，PWM 模块输出 Duty值为 100%使待测继电器激磁，输出 Duty 值 0%使待测继电器失磁，藉此计算启动/释放时间。此量测项目方块图如图50 所示。由于此文所用PIC 微控制器型号为 PIC16F877，所使用震荡器为 16M