【《螺母自动拧紧机执行机构拧紧系统的总体方案设计案例分析》5600字】

毕业设计PAGE23螺母自动拧紧机执行机构拧紧系统的总体方案设计案例分析1.1控制系统功能需求分析对控制系统总体功能的需求分析是控制系统设计的开始，是一个及其重要的步骤。根据前文对自动拧紧机和螺纹拧紧技术的研究与分析，将本文所设计的螺纹自动拧紧机分为七个子系统：嵌入式控制系统、上位机系统、执行机构运动系统、执行机构拧紧系统、螺母上下料系统、套筒更换系统及图像识别系统。以嵌入式控制系统为核心，将其与子系统相互串连，通过指令传递来实现对各个子系统的总体控制运行，子系统控制图如图1.1所示。图1.1子系统控制图根据现有资料及前文研究成果进一步分析在对每一个子系统进行控制时，需要实现的功能：（1）制定相应的串口通信协议，实现上下位机的通讯，进一步控制拧紧机执行机构进行运动；（2）选择合适的电机、传感器等硬件设备，利用嵌入式系统开发相关的原理，设计相关硬件电路；（3）采用合适的电机控制方法，对电机进行闭环控制，实现电机的转速、位置的精确控制；（4）通过每个子系统传递到嵌入式控制系统的信号指令，完成子系统的相互配合控制。1.2控制系统总体架构结合1.1小节对控制系统功能需求的分析设计了控制系统的总体架构，如图1.2所示。图1.2控制系统总体构架图嵌入式控制系统作为系统总体构架的核心，在系统中起着大脑的作用。嵌入式控制系统首先要与PC端（上位机系统）实现通讯，以能够相互传递数据为基础，进一步指挥着各个子系统以及信号的传递，以此完成对自动拧紧机整个工作流程的控制。执行机构运动系统和拧紧系统是系统总体构架的重要部分，其中选择的电机影响着执行机构的运动情况。在运动系统中使用多个电机驱动执行机构多方向的运动，保证执行机构能够达到在螺母上下料系统和套筒更换系统中所指定的位置，并通过编码器反馈各个电机的实际转速和位置，构成对电机的闭环控制，实现电机精准控制；在拧紧系统中，将一个电机依次连接传动装置、扭矩传感器、扭力限制器、联轴器、套筒等部件，组成执行机构，电机由嵌入式控制系统通过输出脉冲等参数进行对转速和位置的控制，并由扭矩传感器实时传输扭矩变化信息给嵌入式控制系统，通过判断当前扭矩是否达到扭矩设定值来控制电机的运动与停止。若扭矩信息传递出错致使当前扭矩超过执行机构或部件所能承受扭矩的最大值，则扭力限制器动作，嵌入式控制系统启动报警并停止电机运动。图像识别系统先通过相机对待装配的汽车保险丝盒进行图像识别并获取图像与待拧紧螺栓位置信息，在上传至PC端，通过上位机可人工设定相应的装配参数（扭矩值、螺母规格等），进而启动开始自动化装配。在拧紧机装配过程中，PC端可实时显示当前的信息（当前扭矩值、当前完成进度等）。在装配过程中，螺母上下料系统及套筒更换系统都通过嵌入式控制系统依据相应指令进行控制动作，其中都需要使用相关传感器来获取相应的信息（螺母上下料系统：判断待夹取螺母是否被夹取；套筒更换系统：判断当前是否需要更换套筒）。1.3控制系统的总体控制流程依据前文的控制系统功能需求分析与总体构架设计，进而确定了控制系统的总体控制流程。控制系统总体控制流程如图1.3所示。图1.3控制系统总体控制流程控制系统的工作步骤如下：（1）控制系统上电初始化并设置串口号、波特率115200等相关参数。并在PC端设置相同的串口信息，等待装配的保险系盒安装完毕后，通过相机获取保险丝盒的图像和待拧紧螺栓的位置信息并上传至PC端界面，通过对每个待拧紧螺栓的参数（扭矩值、螺母规格）设定之后，控制系统将这些信息按照一定顺序排列，形成固定的夹取和拧紧顺序。接着启动，开始螺纹自动拧紧工作。（2）控制系统按照前面已经制定的夹取顺序控制执行机构运动到螺母上下料系统中的指定夹取位置进行夹取，夹取前系统根据套筒处传感器的信号判断是否需要更换当前套筒，进而夹取。待夹取完指定螺母后，系统根据夹取装置处传感器的信号判断是否需要提供下一个待夹取螺母，如需要，按照夹取顺序供料。（3）夹取完毕后，控制系统按照前面已经制定的拧紧顺序控制执行机构运动到待拧紧螺栓位置处进行拧紧。拧紧过程中，扭矩传感器实时反馈当前扭矩信息给系统，通过在控制系统中与扭矩设定值比较来控制执行机构的运动。拧紧完毕后，重复相同的工作步骤进行下一个螺栓的装配，直到全部螺栓的装配工作都完成后，该保险丝盒的装配工作结束。（4）在整个装配过程中，控制系统通过对扭矩传感器反馈过来的扭矩监测值来判断当前设备运行是否出现非正常的情况，若出现扭矩监测值过大或过小的非正常情况，控制系统发出相对应的指令控制执行机构运动，避免设备损坏。1.4本章小结本章以控制系统的功能需求为出发点设计了控制系统的总体架构，并详细表述了控制系统的总体控制流程。

第四章自动拧紧机的下位机设计4.1控制系统部分硬件的选择根据前文第三章在对控制系统总体的功能需求分析、架构设计以及控制流程分析之后，需要对整个控制系统分析应使用哪些硬件设备，并在满足功能的前提下结合经济性的要求进而选择合适的硬件设备。本节主要对所设计螺母自动拧紧机的执行机构拧紧系统进行可能用到的硬件设备的分析和选择。在整个螺母自动拧紧机中最核心的部分就是执行机构拧紧系统，它是完成夹取螺母、夹取套筒以及拧紧螺母等任务的执行部分，因此对其控制系统相关硬件设备的选择是最重要的。根据前文1.3节对控制系统总体控制流程的分析，并对执行机构拧紧系统做了进一步研究与设计，得出对应的执行机构拧紧系统原理简图，如图4.1所示。图4.1执行机构拧紧系统原理简图4.1.1执行机构的驱动装置在执行机构拧紧系统中，完成螺纹拧紧等相关工作得需要动力源驱动。当前的驱动方式主要有气动、电动两种方式，从功能实现方面上来看，两种方式都能够实现旋转、往复等多种工作方式，但是电动方式具有结构轻巧，体积小、重量轻、运转灵活、便于控制与操作等优点，从经济性来看，电动工具比气动工具相对便宜很多，性价比高，因此在本设计中选择电动工具（电机）作为执行机构拧紧系统的驱动装置。当前电机多种多样，并有多种不同种类。通常的，按照工作电源种类可分为直流电机和交流电机；按照结构和工作原理种类可分为直流电动机、异步电动机和同步电动机；按照用途种类又可分为驱动用电动机和控制用电动机。对于本设计不难看出应选择控制用电动机，而控制用电动机又可分为步进电机和伺服电机。因此需要对它们进行在性能、经济、控制要求等多方面的比较，由此选择合适的电机作为执行机构拧紧系统的驱动装置。表4.1为步进电机和伺服电机的性能、经济和控制要求比较。表4.1步进电机和伺服电机的性能、经济和控制要求比较性能经济控制要求控制精度低频特性矩频特性速度响应步进电机步距角一般为1.8°，更高性能的步进电机可达0.72°或0.36°低速时易出现低频振动输出力矩随转速升高而下降，在较高转速时会急剧下降加速到最高转速一般为30-400毫秒便宜符合伺服电机控制精度由编码器保证，并通过倍频技术可使脉冲当量达0.036°具有共振抑制功能，运转比较平稳可恒力矩、恒转速、恒功率运行加速性能好，加速到最高转速仅需几十毫秒很贵符合通过上表中的比较，不难看出在性能方面伺服电机要优于步进电机，但是随着现代先进技术的发展，当前可以通过多种辅助设备或者先进的控制技术来提高步进电机的性能。例如通过特定的驱动器可对步进电机进行细分，使得步进电机的步距角成倍减小，由此提高步进电机的控制精度，并且运行性能也提高，不易出现丢步或堵转的情况；再者现在市面上也生产了很多种轴后端带有旋转编码器的步进电机，通过此编码器再对步进电机进行转速控制可达到闭环的作用，使得对电机的控制精度进一步提高；另外由于现代控制技术的飞速发展，出现了很多电机转速控制算法，通过在软件编程中运用这些控制算法，也可提高步进电机的运行性能。总的来说，现代步进电机可通过辅助设备和控制技术对伺服电机实现完全的替代。另外，从经济方面上看，步进电机普遍比伺服电机便宜，并且在控制要求上两种电机都符合要求。因此，综合考虑选择步进电机作为执行机构拧紧系统的驱动装置。通过对本研究课题中所要装配的汽车保险丝盒进行研究，考虑到螺纹联接处装夹着的保险丝的材料性能，要保证完成螺纹装配之后该保险丝不发生形变且后续能够正常工作，则需要对该保险丝进行装配试验，试验表明对该保险丝输出10N·m的扭矩就能够保证其正常工作。由此最终选择雷赛公司生产的57CME系列的带有编码器的闭环步进电机作为执行机构拧紧系统的驱动装置，对应的驱动器则选择雷赛公司生产的36V直流供电的CL57系列驱动器。4.1.2扭矩传感器对于现代的半自动或者全自动设备来说，其核心部分就是自动控制系统，电机的控制系统其实是属于自动控制系统，可分为开环控制系统和闭环控制系统，而闭环控制系统的控制精度肯定要高于开环控制系统。针对4.1.1节中选择的带有编码器的步进电机，其实和嵌入式控制系统一起就已经组成了一个闭环控制系统，但是该闭环控制系统是针对无负载情况下步进电机的转速控制而言的，能够实现对步进电机转速的精确控制。但是在对汽车保险丝盒的实际装配工作中，有一定的负载反作用在套筒上，并通过一系列设备和传动装置传递到步进电机上，因此仅仅靠通过编码器构成的闭环控制系统，再根据步进电机的矩频特性输出目标扭矩是不行的，对扭矩输出控制来说，实际上还是个开环控制系统，还是无法精确输出目标扭矩。因此，需要增添一个扭矩传感器和步进电机以及嵌入式控制系统组成对目标扭矩输出的闭环控制系统。扭矩传感器，又称扭力传感器等，根据检测的扭矩类别可将扭矩传感器分为静态扭矩传感器和动态扭矩传感器，从名词表面可以看出静态扭矩传感器和动态扭矩传感器分别检测的是静态扭矩和动态扭矩；根据对扭矩的检测原理也可分为应变式扭矩传感器、磁电式扭矩传感器、光纤式扭矩传感器和光电式扭矩传感器，其中应变式扭矩传感器应用最为广泛。由于本设计螺母自动拧紧机是应用在小批量生产的汽车保险丝盒上，装配工件会不断更换，再者由于保险丝盒的结构限制，检测螺纹联接的静态扭矩是不现实的。所以应注重考虑将扭矩传感器安装在步进电机和装夹螺母的套筒之间，由此可知检测的扭矩类型为动态扭矩，进而应选择动态扭矩传感器。而对于扭矩传感器的工作原理的选择原则应为在保证扭矩检测精度符合控制要求的前提下，成本越低越好。扭矩传感器的输出信号一般为模拟信号或数字信号，模拟信号有电压和电流信号，数字信号为频率信号。在对目标扭矩输出的闭环控制系统中，扭矩传感器的输出信号要反馈输入到嵌入式控制系统中进行处理。对于模拟信号来说，由于嵌入式设备中的数据运算都是对于数字信号而言的，因此模拟信号在输入到嵌入式控制系统中进行处理之前需要进行数模转换（A/D转换）；而对于数字信号即频率信号来说，可不需要相关转换直接输入至嵌入式控制系统中进行处理，由此可见数字信号扭矩传感器的优越性。综合考虑选择成创天晟公司生产的CTS753通用型动态扭矩传感器，其部分性能参数和指标如表4.2所示。表4.2CTS753通用型动态扭矩传感器部分性能参数和指标扭矩规格N·m扭矩精度频率响应电源电压信号输出20＜±0.5%F·S100±24VDC5KHz—15KHz4.2控制系统硬件电路4.2.1STM32F407IGT6微控制器STM32F407IGT6微控制器常用的资源包括：192KBRAM、1024KBFLASH、2个基本定时器、10个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器、3个SPI、3个IIC、6个串口、2个CAN、2个USB、3个12位ADC、2个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSMC接口、1个ETH接口以及140个通用IO口。STM32F407IGT6微控制器的管脚分布以及该微控制器的外围电路如图4.2所示。图4.2STM32F407IGT6微控制器管脚分布和外围电路其中包括子电路：启动模式选择电路、时钟源电路、复位电路等。STM32F407IGT6有很多启动模式可以选择。启动模式可以理解为微控制器允许从相关地址读取程序指令并执行，这个地址的选择通过在为芯片上电后芯片会自动读取BOOT0和BOOT1引脚电平高低来决定的，具体可由表4.3表示。表4.3STM32F407IGT6启动模式选择BOOT0BOOT1启动模式0任意从FLASH中启动10从系统代码（ISP）启动11从RAM中启动而一般程序都是存储在FLASH空间的，默认从FLASH启动运行，因此应将BOOT0和BOOT1两个管脚都拉低为低电平，如图4.3所示。图4.3STM32F407IGT6启动模式部分电路图时钟是微控制器的心跳，重要性可想而知，微控制器都需要一个基本的时钟节拍，即时钟基准，不然就会导致时序错乱。因此需要为STM32F407IGT6芯片提供一个时钟源，一般使用8MHz的无源石英晶振。另外，为使用RTC（实时时钟、万年历）则还需要提供32.768KHz的时钟源，如图4.4所示。图4.4STM32F407IGT6时钟部分电路图STM32F407IGT6的复位引脚是低电平有效，即NRST为低电平时，CPU处于复位状态，复位部分电路图如图4.5所示。图4.5STM32F407IGT6复位部分电路图4.2.2电源电路STM32F407IGT6芯片上有很多电源引脚，典型的电压为1.3V，再为每个电源引脚接上0.1μf的高频滤波电容，如图4.6所示。图4.6电源电路图4.2.3串口通信电路要实现与PC端上位机的通讯，需要用到串口通讯。本设计中选择的串口通信为较为简单的串口转USB与PC端上位机通讯，其中就需要用到CH3