一种扭矩实时反馈的螺丝枪检测电路设计

2023-09-11李淑敏王睿墉张彬蔡成炜

电子制作 2023年15期

李淑敏，王睿墉，张彬，蔡成炜

（苏州工业职业技术学院，江苏苏州，215104）

在中国制造2025 与工业4.0 的大背景下，我国制造产业的发展呈现生机勃勃的态势，制造规模和制造水平得到了比较可观的改善和提高[1]。在企业生产中，螺丝锁付是生产装配中一个非常关键的环节，锁付工具也从最初的人工锁付发展到机器人自动化锁付，而自动化锁付对电动螺丝枪的选用要求颇高，市面上大多数电动螺丝枪都装有调节和限制扭矩的装置，这种螺丝枪只能对螺丝拧紧的结果有一个初步的质量控制，但很难做到对锁付过程的扭力精确可控和对每颗螺丝锁付参数可记录、可跟踪。本文设计的电路方案能对螺丝枪锁付过程中的工作电流进行实施采样处理，实时换算其工作扭矩，并将数据传输给上位机实现全程扭矩精确监控，实时反馈相关数据并提供数据追溯功能。

1 系统总体方案设计

扭矩实时反馈螺丝枪检测系统由电源电路、参考源电路、电流采样电路、AD 采样电路、单片机处理电路、动作信号检测电路、网络通信电路，结构框图如图1 所示。本设计的核心也在于螺丝枪功率部分电流的检测，通过电流霍尔采样传感器，利用ADC 转换电路将螺丝枪电机的电流实时检测出来，检测出来的数据经过标定计算再通过网关模块发送到支持TCP/IP 的终端。

图1 系统结构框图

2 螺丝枪扭矩检测原理

研究发现螺丝枪在拧紧过程中不同扭矩下的功率电流是不一样的，而这两者之间存在着某的关系如(1)式：

式中：T为螺丝枪工作扭矩；n为螺丝枪电机转速；P为螺丝枪电机有功功率。

市面上的大多数螺丝枪在工作时，它的转速固定可调，工作电压U 一般也是恒定不变的，由公式P=UI可知，只要检测到螺丝枪工作时的功率电流，就能换算出它的工作扭矩。

本电路设计核心就是怎样高速精确地采样电机的功率电流，并能有效地把它转换成数字量进行数据传输。

3 硬件电路设计

■3.1 电源电路设计

由于市面上螺丝枪选型种类的繁多，供电电压种类也较多，所以我们需要一个输入范围很宽的电源电路，XL7015是一款高效、高压降压型DC-DC 转换器，固定150kHz 开关频率，可提供最高0.8A 输出电流能力，低纹波，出色的线性调整率与负载调整率[2]。XL7015 内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计；本设计支持市面上24V ～60V 的手枪钻电源，将24V ～60V 转换成稍低的电压15V，再通过PD1509P5 将15V 转换成5V 供IC 供电（双芯片降压的目的主要因为XL7015 输出电流较小，要保证输出功率所以采用二级降压），得到的5V 电压经过AMS1117-3V3 转换成3.3V，供MCU 和部分芯片运行，设计如图2 所示。

图2 系统电源电路设计

■3.2 功率电流AD 采集电路

功率电流采样电路采用了莱姆霍尔电流互感器，能够将正负电流信号通过线性霍尔与运算放大电路转换成0V~5V 便于ADC 芯片采样，ADC 采样电路核心采用的是ADS8866 芯片，它是一款16 位、100kSPS 单端输入模数转换器。此器件以 2.5V ~ 5V 的外部基准运行，本设计采用的5VREF 基准，从而在无需额外的信号调节情况下提供宽信号范围。此基准电压设置独立于并且可超过模拟电源电压(AVDD)。该器件提供一个兼容的 SPI 串口，该串口也支持菊花链方式以实现多个器件级联[3]。此器件支持 -0.1V ~ VREF + 0.1V 范围的单极单端模拟输入。如图3 所示，ADS8866 的3 脚接的是霍尔电流互感器传输过来的信号，转换数字信号后通过7 脚输出给单片机，为了保证转换精度，必须保证基准源的稳定性，采用德州仪器REF5050ID 芯片设计基准电源，该芯片温度系数为±0.1%，静态工作电流8ppm/℃，1.2mA噪声(0.1Hz~10Hz)，3uVp-p。输入端反向串联了一个5.1V 稳压管，防止因为输入电压过高使得芯片温度升高影响芯片的性能。

图3 功率电流AD 采集电路

■3.3 主控电路设计

霍尔电流数据采集后，需要将数据传输给上位机进行分析、扭矩算法转换和扭矩数据存储[4]，采用STM32F103C8T6 单片机作为核心控制器，如图4 所示，CD4051 是一个八选一的模拟选通开关，螺丝枪的电流信号可以从CD4051 中A0~A7 任何一个引脚输入，通过单片机S0、S1、S2 三个引脚选通其中的一路电流信号从3脚输出，采用4 个CD4051 的设计方案，实际上最大能支持32 个螺丝枪扭矩检测，Senser IN 脚连接的是ADS8866的3 脚（AD 输入脚），单片机的PA4，A5，PA6 控制ADS8866 芯片读取AD 数据，数据读取后，通过PA9、PA10配置UART通信网口协议，与上位机软件进行数据交互。另外，该电路还连接了螺丝枪各种交互信号的接口，可以控制螺丝枪的正反转、启停等功能，集合控制反馈于一体，既可以发出控制信号，又可以检测当前的控制状态[5]。

图4 单片机主控电路

4 系统软件程序设计

软件系统主要由通道选择程序、扭矩测量算法程序、通讯数据交互等组成。通道选择程序是类似流水灯方式轮询切换模拟开关通道，通过通道的不断切换获取AD 数据；扭矩的算法是系统的核心部分，测量Uref 和Ux 电压数据，将数据进行标定通过标准的扭力计录入数据从而适应学习扭矩；通讯数据交互主要是通过网口（RJ45）TCP/IP 实现，通过协议类型的选定、IP 地址的设定、端口号的设定并通过约定的指令集实现数据的交互，主程序流程设计如图5 所示。

图5 程序主流程图

系统通过ADS8866 芯片进行数据采集，采用软件模拟SPI 总线的方式读取螺丝枪工作电流。在软件进行SPI 工作时工作精度可以达到微秒级。依次设置启动起始位、停止位、主机应答位、主机反应应答位，获取从机应答信号，主设备开始准备向从设备发送一个字节，观察是否接收由主设备传递过来的一个字节[6]。

系统ADC 核心程序如下所示：

u16 ADS8866_ReadData_Time(u16 tData) //ADS8866 端口SPI 数据读取

{

ADS8866_NSS_LOW;

while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) //发送数据产生时钟

;

SPI_I2S_SendData(SPI1, tData);

while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET) //接收数据

;

return (SPI_I2S_ReceiveData(SPI1));

}

u16 ADS8866_OneAcq(u16 tData)

//AD7685 端口SPI 数据读取

{

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 系统测试与分析

系统上电后，先进行目标扭矩、扭矩系数等参数设定，如图6 所示。

图6 目标螺丝拧紧参数设定

根据上位机通信参数，设置好TCP/IP 协议， IP、子网、网关等参数，数据能成功发送网口。如图7 所示。

图7 网口通信参数设定

此时，电脑上位机串口软件可以接受螺丝枪采样到的实时扭矩信息，扭矩数据可通过网口进行设置和监测，如图8所示。

图8 串口扭矩数据监测

通讯数据交互首先要设置好参数，工作方式一般设置为TCP Client 或者TCP Server，当下位机设置为TCP Client，上位机则需要设置为TCP Server，反之则同理，模块的IP 地址则按照局域网内PC 地址进行合理的设置，不可有局域网其他设备有网段冲突，子网掩码通常为255.255.255.0；默认网关可以参照电脑的IP，因为在同一个局域网；串口波特率设置为460800，这是单片机与网关模块通信的波特率，校验/数据/停止与单片机程序设置有关，以一帧数据“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”介绍，一帧数据为66 个字节，前两个字节“FE FF”为帧头，最后2个字节“FF FF”为帧尾；帧头后面的2 个字节“00 00”为发送的数据组数，从0-65535；当然第二组为“00 01”，后面紧挨着的60 个字节为AD 采样的数据，30 路，每路2个字节。

数据测试成功后，连接系统上位机软件，进行扭矩数据的储存、分析和曲线显示，让用户能直观地知晓每一颗螺丝的拧紧的状态，如图9 所示。