據(jù)設(shè)備管理權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，有50%以上的設(shè)備運(yùn)行故障是由螺栓問題引起的，因螺栓問題而造成重大事故的數(shù)量也非常驚人，因此新的設(shè)備安裝和檢修規(guī)范都對(duì)螺栓緊固力矩要求非常嚴(yán)格，尤其是承受載荷及強(qiáng)烈沖擊振動(dòng)的重型機(jī)械設(shè)備，需要精確控制聯(lián)結(jié)螺栓的預(yù)緊力。但所需預(yù)緊力又很大，再加空間條件限制，不能采用大規(guī)格工具，就必須使用扭矩扳手。而作為扭矩扳手關(guān)鍵部件的控制器對(duì)其性能影響很大。本文提供了一種可以精確顯示擰緊扭矩值、轉(zhuǎn)角值，并能按預(yù)定設(shè)定的扭矩值、轉(zhuǎn)角值擰緊螺栓的電動(dòng)扳手控制器的解決方案。
1 可控電動(dòng)扳手控制器硬件設(shè)計(jì)
可控電動(dòng)扳手控制器硬件電路框圖如圖1所示。
圖1 可控電動(dòng)扳手控制器硬件電路框圖
1.1 數(shù)字電位器、按鈕及顯示控制電路
單片機(jī)選用STC12C5A60S2作為核心控制器。該機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，工作電壓范圍為5.5 V～3.3 V；工作頻率范圍為0～35 MHz，相當(dāng)于普通8051的0～420 MHz；1 280 B片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；四個(gè)16位定時(shí)器；可編程時(shí)鐘輸出功能；全雙工異步串行口（UART），兼容普通8051的串口；先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通8051指令集。電平轉(zhuǎn)換芯片采用LM2575，輸出5 V直流電壓作為供電電源，電路圖如圖2所示。液晶顯示采用LCM 128645ZK模塊，使用五個(gè)按鍵分別用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、扭矩設(shè)定、轉(zhuǎn)角設(shè)定及清零，數(shù)字電位器用來(lái)設(shè)定扭矩值和轉(zhuǎn)角值，電路如圖3所示。
圖2 電平轉(zhuǎn)換電路
圖3 鍵盤、顯示電路
1.2 步進(jìn)電機(jī)控制電路
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用HP公司生產(chǎn)的UDK5214NW-M5相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制采用ULN2003芯片，該芯片的三個(gè)輸出口分別用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)換向控制繼電器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作停止繼電器及報(bào)警工作，再通過繼電器控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)脈沖由單片機(jī)P1.4口輸出，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)控制電路如圖4所示。
圖4 步進(jìn)電機(jī)控制電路圖
1.3 扭矩檢測(cè)電路
扭矩傳感器選用BS914型扭矩扳手專用信號(hào)耦合器。該耦合器可直接輸出1 V～5 V電壓信號(hào)，該扭矩反饋信號(hào)經(jīng)P1.5口輸入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再與扭矩設(shè)置值相比較，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)，連接電路圖如圖5所示。
檢測(cè)電路" border="0" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20110223/a512fc94-40c9-44a0-a395-ad35c537affa.jpg" style="filter: ; width: 414px; height: 228px" />
圖5 扭矩檢測(cè)電路
2 可控電動(dòng)扳手控制器軟件設(shè)計(jì)
可控電動(dòng)扳手控制器軟件由控制器初始化程序、鍵盤掃描及處理程序、步進(jìn)電機(jī)控制程序、扭矩檢測(cè)程序等組成。控制器通過鍵盤掃描及處理程序檢測(cè)扭矩、轉(zhuǎn)角值輸入與否，并判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，如正轉(zhuǎn)，則通過步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)控制程序，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，并由扭矩檢測(cè)程序進(jìn)行輸出扭矩的檢測(cè)，直到扭矩和轉(zhuǎn)角達(dá)到預(yù)定值為止；如反轉(zhuǎn)，則由步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)控制程序，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，直到轉(zhuǎn)角達(dá)到為止。扭矩檢測(cè)利用STC12C5A60S2單片機(jī)P1.5ADC口，使用時(shí)設(shè)置該端口為開漏輸入，作為ADC口使用。該程序主要完成ADC口的轉(zhuǎn)換開啟、數(shù)據(jù)讀取、軟件濾波及輸出顯示等功能。
本文設(shè)計(jì)的可控扳手控制器采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為中央處理芯片，利用較少的外圍設(shè)備，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)制作的樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示該樣機(jī)性能穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、使用方便、技術(shù)參數(shù)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。