螺紋擰緊控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)案例概述1.1控制系統(tǒng)功能需求分析對(duì)控制系統(tǒng)總體功能的需求分析是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)始，是一個(gè)及其重要的步驟。根據(jù)前文對(duì)自動(dòng)擰緊機(jī)和螺紋擰緊技術(shù)的研究與分析，將本文所設(shè)計(jì)的螺紋自動(dòng)擰緊機(jī)分為七個(gè)子系統(tǒng)：嵌入式控制系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)擰緊系統(tǒng)、螺母上下料系統(tǒng)、套筒更換系統(tǒng)及圖像識(shí)別系統(tǒng)。以嵌入式控制系統(tǒng)為核心，將其與子系統(tǒng)相互串連，通過(guò)指令傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的總體控制運(yùn)行，子系統(tǒng)控制圖如圖1.1所示。圖1.1子系統(tǒng)控制圖根據(jù)現(xiàn)有資料及前文研究成果進(jìn)一步分析在對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)的功能：（1）制定相應(yīng)的串口通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通訊，進(jìn)一步控制擰緊機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；（2）選擇合適的電機(jī)、傳感器等硬件設(shè)備，利用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相關(guān)的原理，設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路；（3）采用合適的電機(jī)控制方法，對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置的精確控制；（4）通過(guò)每個(gè)子系統(tǒng)傳遞到嵌入式控制系統(tǒng)的信號(hào)指令，完成子系統(tǒng)的相互配合控制。1.2控制系統(tǒng)總體架構(gòu)結(jié)合1.1小節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)功能需求的分析設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1.2所示。圖1.2控制系統(tǒng)總體構(gòu)架圖嵌入式控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)總體構(gòu)架的核心，在系統(tǒng)中起著大腦的作用。嵌入式控制系統(tǒng)首先要與PC端（上位機(jī)系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)通訊，以能夠相互傳遞數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步指揮著各個(gè)子系統(tǒng)以及信號(hào)的傳遞，以此完成對(duì)自動(dòng)擰緊機(jī)整個(gè)工作流程的控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和擰緊系統(tǒng)是系統(tǒng)總體構(gòu)架的重要部分，其中選擇的電機(jī)影響著執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況。在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中使用多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多方向的運(yùn)動(dòng)，保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到在螺母上下料系統(tǒng)和套筒更換系統(tǒng)中所指定的位置，并通過(guò)編碼器反饋各個(gè)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和位置，構(gòu)成對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)精準(zhǔn)控制；在擰緊系統(tǒng)中，將一個(gè)電機(jī)依次連接傳動(dòng)裝置、扭矩傳感器、扭力限制器、聯(lián)軸器、套筒等部件，組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電機(jī)由嵌入式控制系統(tǒng)通過(guò)輸出脈沖等參數(shù)進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn)速和位置的控制，并由扭矩傳感器實(shí)時(shí)傳輸扭矩變化信息給嵌入式控制系統(tǒng)，通過(guò)判斷當(dāng)前扭矩是否達(dá)到扭矩設(shè)定值來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)與停止。若扭矩信息傳遞出錯(cuò)致使當(dāng)前扭矩超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或部件所能承受扭矩的最大值，則扭力限制器動(dòng)作，嵌入式控制系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警并停止電機(jī)運(yùn)動(dòng)。圖像識(shí)別系統(tǒng)先通過(guò)相機(jī)對(duì)待裝配的汽車(chē)保險(xiǎn)絲盒進(jìn)行圖像識(shí)別并獲取圖像與待擰緊螺栓位置信息，在上傳至PC端，通過(guò)上位機(jī)可人工設(shè)定相應(yīng)的裝配參數(shù)（扭矩值、螺母規(guī)格等），進(jìn)而啟動(dòng)開(kāi)始自動(dòng)化裝配。在擰緊機(jī)裝配過(guò)程中，PC端可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的信息（當(dāng)前扭矩值、當(dāng)前完成進(jìn)度等）。在裝配過(guò)程中，螺母上下料系統(tǒng)及套筒更換系統(tǒng)都通過(guò)嵌入式控制系統(tǒng)依據(jù)相應(yīng)指令進(jìn)行控制動(dòng)作，其中都需要使用相關(guān)傳感器來(lái)獲取相應(yīng)的信息（螺母上下料系統(tǒng)：判斷待夾取螺母是否被夾取；套筒更換系統(tǒng)：判斷當(dāng)前是否需要更換套筒）。1.3控制系統(tǒng)的總體控制流程依據(jù)前文的控制系統(tǒng)功能需求分析與總體構(gòu)架設(shè)計(jì)，進(jìn)而確定了控制系統(tǒng)的總體控制流程。控制系統(tǒng)總體控制流程如圖1.3所示。圖1.3控制系統(tǒng)總體控制流程控制系統(tǒng)的工作步驟如下：（1）控制系統(tǒng)上電初始化并設(shè)置串口號(hào)、波特率115200等相關(guān)參數(shù)。并在PC端設(shè)置相同的串口信息，等待裝配的保險(xiǎn)系盒安裝完畢后，通過(guò)相機(jī)獲取保險(xiǎn)絲盒的圖像和待擰緊螺栓的位置信息并上傳至PC端界面，通過(guò)對(duì)每個(gè)待擰緊螺栓的參數(shù)（扭矩值、螺母規(guī)格）設(shè)定之后，控制系統(tǒng)將這些信息按照一定順序排列，形成固定的夾取和擰緊順序。接著啟動(dòng)，開(kāi)始螺紋自動(dòng)擰緊工作。（2）控制系統(tǒng)按照前面已經(jīng)制定的夾取順序控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到螺母上下料系統(tǒng)中的指定夾取位置進(jìn)行夾取，夾取前系統(tǒng)根據(jù)套筒處傳感器的信號(hào)判斷是否需要更換當(dāng)前套筒，進(jìn)而夾取。待夾取完指定螺母后，系統(tǒng)根據(jù)夾取裝置處傳感器的信號(hào)判斷是否需要提供下一個(gè)待夾取螺母，如需要，按照夾取順序供料。（3）夾取完畢后，控制系統(tǒng)按照前面已經(jīng)制定的擰緊順序控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到待擰緊螺栓位置處進(jìn)行擰緊。擰緊過(guò)程中，扭矩傳感器實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前扭矩信息給系統(tǒng)，通過(guò)在控制系統(tǒng)中與扭矩設(shè)定值比較來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。擰緊完畢后，重復(fù)相同的工作步驟進(jìn)行下一個(gè)螺栓的裝配，直到全部螺栓的裝配工作都完成后，該保險(xiǎn)絲盒的裝配工作結(jié)束。（4）在整個(gè)裝配過(guò)