一种RFID感应智能螺丝刀的设计

一种 RFID感应智能螺丝刀的设计

张嘉悦，冀鑫元，孟梓尧，马圆智，田文权

（银川科技学院 宁夏银川 750001）

摘要：具有智能计件功能的RFID感应智能螺丝刀可避免工人装配出错，保证产品质量，提升工作效率。在已开发的RFID感应智能螺丝刀数字控制系统的基础上，增加智能计件功能模块，详细叙述数码管显示电路、按键设定电路、蜂鸣器提示电路和红外光电开关等组成的智能计件模块的设计，并讨论智能计件控制策略，最后试制了样机并进行了操作验证。

关键词：RFID感应智能螺丝刀；无刷直流电机；控制器；智能计件功能

0 引言

RFID感应智能螺丝刀是现代工业中常用的生产装配工具，可提高工作效率和装配精度。由于传统RFID感应智能螺丝刀以有刷串励电机为动力源，存在换向火花，易磨损、无智能控制等缺点，因此国内外开始研制采用电子换向的无刷直流电机（BrushlessDC M otor，简称 BLDC） 作为驱动电机的新型RFID感应智能螺丝刀。BLDC 功率密度高、无磨损和火花、结构简单、维修方便，配以基于高性能微控制器的数字驱动控制器，可以实现数字无级调速，且可集成智能功能，增强了操作的舒适性，提高了产品附加值。在汽车组装等精密装配领域，通常需要在一个工件上装配数量众多的螺丝，操作人员在装配的同时，还需花费脑力去计件来保证每个工件不漏装，增加了工作负担，且容易疲劳导致影响装配效率，甚至使产品存在安全隐患。因此，设计带有计件报警等功能的智能型RFID感应智能螺丝刀对装配行业具有重要意义。

1 工作原理

智能计件型RFID感应智能螺丝刀系统由启动操控板、正反转操控板、智能计件模块、驱动控制器、BLDC 和减速制动机构等部件组成 。驱动控制器接受用户操作产生的启动、待机、正转和反转等命令，经相应控制算法分析处理后，发送控制信号给功率驱动模块来驱动无刷直流电机运行，并经变速制动机构降速输出。当拧紧螺丝刀出现机械制动时，变速制动机构反馈制动信号给驱动控制器，控制电机制动停机。另外，智能计件模块用于实现对工件的螺丝装配计件，由数码管显示电路、按键设定电路、蜂鸣器提示电路和红外光电开关等组成，具有设定、计件和报警等配套功能。

2 硬件电路设计

2.1 数码管显示电路设计

图 1 所示为数码管显示电路原理图，基于共阳极 7 段式数码管 3162B。管脚 AK 通过 PNP 三极管T 4 及串联电阻 R 15 链接到 5V 电源。PF4 为低电平时，T 4 集射极导通，使管脚 AK 通过电阻 R 15 上拉到 5 V 电位，此时只需通过控制数码管的 A、B、C、D、E、F、G 和 DP 脚的高低电平即可控制相应管段点亮或熄灭，组成对应的字符显示。PF4 为高电平时，AK 管脚无电压，数码管所有管段皆无法发亮。数码管管脚 A 和 G 对应的单片机管脚 PA1 和PA2 不具备高吸收电流能力，须通过 NPN 三极管放大其驱动能力。

图 1 数码管显示电路原理图

2.2 按键设定电路和蜂鸣器提示电路设计

受制于 STM 8S103K3 的 I/O 管脚数量限制，将按键 S 1 和 S 2 的检测脚与数码管 C 和 D 脚共用单片机的 PD2 和 PD5 脚。如图 2 所示，PD2 和 PD5脚在程序设计时须配置成为外接上拉电阻的开漏输出模式，可避免管脚采用推挽式高电平输出而同时按键按下时导致的此管脚短路隐患。

基于单片机集成的蜂鸣器驱动外设模块，管脚PD4 连接于三极管 T 3 的基极，通过三极管的功率放大作用驱动蜂鸣器，可发出“哆来咪发唆啦嘻嘟”的音符，经具体分析设计后，作为智能计件功能的提示或报警使用。

图 2 按键设定电路和蜂鸣器提示电路原理图

2.3 红外光电开关应用设计

图 3所示的红外光电开关是一种集发射与接收于一体的光电传感器，探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便，检测距离可以根据要求进行调节。将其安装在装配台上，当工件未放入装配台时，发出的红外光线无法反射到接收器，单片机接收到管脚 PD1 输出的低电平信号；当工件放入装配台时，发出的红外光线通过工件反射回到接收器，单片机接收到管脚 PD1 输出的高电平信号。

图 3 红外光电开关

3 控制策略设计

在参考文献[8]所讲述的RFID感应智能螺丝刀驱动控制策略基础上，增加智能计件控制策略。智能计件控制策略主要由数码管显示方法、蜂鸣器提示方法、按键操作方法和计件方法等组成。

3.1 数码管显示方法设计

数码管主要用于显示计件数以及故障显示。设计相应程序，使其可以显示“0”~“9”以及“E”和“F”字符，为使这个数码管能显示更多的数值，定义数码管上的 DP 对应的小数点位表示计数值的十位值“1”，这样单数码管就可以计数 0~19 的范围，满足了绝大多数工件的计件数量要求。当系统出现欠压等可恢复故障时，数码管显示“F”来提示用户。当系统出现过压过流等严重的不可恢复错误时，数码管显示“E”来提示用户。

3.2 计件功能启动方法设计

智能计件型RFID感应智能螺丝刀，可以工作于基本工作模式或计件工作模式。当螺丝刀上电后 10 s内，如果红外光电开关没有检测到有工件放入装配台，单片机只接收到低电平信号，则螺丝刀将工作于基本工作模式，不启用计件功能；反之，如果上电后 10 s内检测到有工件放入装配台，致使单片机检测到低电平跳变到高电平的过程，则认为红外光电开关工作正常，启用计件工作模式。

3.3 按键操作方法设计

启用计件工作模式后，单片机从自身的EEPROM 存储空间调出上次设置的计件设定值，并显示在数码管上。如需要调整计件设定值，可以同时按住按键 S 1 和 S 2 ，过 4 s后，进入设置状态，通过操作按键 S 1 或 S 2 ，实现计件设定值的加减。设置完成后，须再次同时按住按键 S 1 和 S 2 ，过 4 s后，新的设置值确定，且重新存储回 EEPROM 相应存储空间。

3.4 计件方法设计

当红外光电开关检测到工件已放入装配台后，启动计件功能。每当用户操作启动操控板使RFID感应智能螺丝刀启动，单片机将计件值加 1。当计件达到设定值时，一个工件装配完成，此时可将工件拿出装配平台，换上新的待装配工件后，计件值清 0。如果计件未达到设定值，就将工件拿出装配台，计件值不清 0，待重新放上未装配完的工件后，继续装配计件。

3.5 蜂鸣器提示方法设计

蜂鸣器的提示音设计为“哆” “哆来咪”和“哆来咪发唆啦嘻嘟（下文简称哆—嘟）”3 种音符，根据场合不同，其发音的次数也有所不同。

4 结论

本文基于已开发的无刷直流电机驱动的RFID感应智能螺丝刀控制系统，集成了由数码管显示电路、按键设定电路、蜂鸣器提示电路和红外光电开关等组成的智能计件模块，详细讨论了智能计件控制策略，最后试制了样机并进行了操作验证。结果表明智能计件型RFID感应智能螺丝刀控制系统硬件设计合理可靠，控制策略清晰有效，用户操作舒适，可应用于需计件智能化的工件装配场合。

参考文献：

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支持项目：2020年宁夏大学生创新创业训练项目，编号S2020142000012