VCM磁鋼快速檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

釹鐵硼稀土永磁材料是目前磁性能最強(qiáng)的一種永磁材料，該材料具有磁能積高、原材料豐富和易于加工等特點(diǎn)。因此，釹鐵硼永磁材料廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、音圈馬達(dá)、磁共振成像儀、通信、控制儀表、音響設(shè)備等方面。其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是音圈馬達(dá)(VCM)，目前國(guó)外生產(chǎn)的燒結(jié)釹鐵硼磁體約有一半用于VCM。由于VCM磁鋼的形狀較復(fù)雜[1],外輪廓一般都是由圓弧及直線組成，尺寸及表面質(zhì)量要求較高，所以，對(duì)VCM磁鋼的檢測(cè)設(shè)備也提出了更高的要求。本文主要介紹VCM磁鋼快速檢測(cè)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

1 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的VCM磁鋼快速檢測(cè)控制系統(tǒng)主要是與快速智能檢測(cè)系統(tǒng)中的機(jī)械、氣動(dòng)及檢測(cè)部分相結(jié)合，利用單片機(jī)控制技術(shù)[2]實(shí)現(xiàn)VCM磁鋼快速智能檢測(cè)系統(tǒng)的上料、分揀與下料等動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，在檢測(cè)設(shè)備控制系統(tǒng)中,主要輸入部分有急停按鈕開(kāi)關(guān)、PC機(jī)通信、步進(jìn)電機(jī)的限位開(kāi)關(guān)、上料下料的限位開(kāi)關(guān)等，主要輸出部分有上料下料氣缸和步進(jìn)電機(jī)等裝置?？刂圃硎菃纹瑱C(jī)通過(guò)采集輸入量的信號(hào)，對(duì)上料下料氣缸和步進(jìn)電機(jī)等輸出元件進(jìn)行相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)VCM磁鋼上料、檢測(cè)、下料的快速智能檢測(cè)過(guò)程。

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)先控制步進(jìn)電機(jī)使其運(yùn)行至步進(jìn)進(jìn)限位開(kāi)關(guān)處，然后執(zhí)行下料氣缸的下料進(jìn)和下料退動(dòng)作，再控制步進(jìn)電機(jī)使其運(yùn)行至步進(jìn)退限位開(kāi)關(guān)處，完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化，以便開(kāi)始一個(gè)新的工作循環(huán)。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　控制系統(tǒng)的硬件主要由電源模塊、MCU模塊、485模塊、輸入電路模塊和輸出電路模塊等組成。本設(shè)計(jì)的電源模塊由獨(dú)立的24 V和5 V開(kāi)關(guān)電源控制。

(1) MCU模塊

　MCU模塊主要由AT89C52單片機(jī)和晶振電路組成，是整個(gè)控制系統(tǒng)的“大腦”，根據(jù)各個(gè)輸入電路模塊的輸入信號(hào)，按功能進(jìn)行相關(guān)的邏輯控制，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)部分和步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)VCM磁鋼快速智能檢測(cè)系統(tǒng)的上料、分揀、下料的動(dòng)作。模塊原理圖如圖2所示。

(2) 485模塊

485模塊主要是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與PC機(jī)中的上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的動(dòng)作按鈕及檢測(cè)結(jié)果，反饋給MCU模塊，由單片機(jī)對(duì)氣動(dòng)部分和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)響應(yīng)的動(dòng)作指令。其原理圖如圖3所示。

(3) 輸入電路模塊

輸入電路模塊主要由7路相同的光耦隔離電路組成，分別用來(lái)采集急停按鈕、上料進(jìn)限位和上料退限位開(kāi)關(guān)、下料進(jìn)限位和下料退限位開(kāi)關(guān)、步進(jìn)進(jìn)限位開(kāi)關(guān)和步進(jìn)退限位開(kāi)關(guān)等的狀態(tài)信號(hào)，傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作控制。其原理圖如圖4所示。

(4) 輸出電路模塊

輸出電路模塊主要由4路氣缸驅(qū)動(dòng)模塊和2路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊組成，其原理圖分別如圖5、圖6所示。4路氣缸驅(qū)動(dòng)模塊分別用來(lái)驅(qū)動(dòng)上料氣缸的上料進(jìn)和上料退、下料氣缸的下料進(jìn)和下料退。2路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖和方向。通過(guò)單片機(jī)對(duì)這些輸出模塊的控制，從而實(shí)現(xiàn)VCM磁鋼快速智能檢測(cè)系統(tǒng)的上料、分揀和下料動(dòng)作。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件主程序流程如圖7所示。首先要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化,主要完成對(duì)單片機(jī)端口的初始狀態(tài)和一些變量的初始值的設(shè)定，同時(shí)也要對(duì)串口及中斷進(jìn)行初始化，完成串口通信速率及中斷使能等初始設(shè)置。系統(tǒng)先對(duì)輸入的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行掃描，然后執(zhí)行上料進(jìn)，將磁鋼推至相機(jī)下方，并向上位機(jī)發(fā)送上料到位信號(hào)。如果上位機(jī)接收到上料到位信號(hào)，就會(huì)回復(fù)確認(rèn)信號(hào)，如果此時(shí)上位機(jī)已經(jīng)執(zhí)行了相應(yīng)的操作，隨后上位機(jī)就會(huì)將這些操作命令以字符串形式發(fā)送給下位機(jī)。如果下位機(jī)接收到的是上位機(jī)的停止信號(hào)，則馬上停止當(dāng)前的動(dòng)作，等待下一個(gè)命令的動(dòng)作。而且由于控制系統(tǒng)執(zhí)行了停止操作，所以系統(tǒng)要先執(zhí)行一次起動(dòng)操作，才能使系統(tǒng)復(fù)位，重新接收并執(zhí)行新的動(dòng)作命令。如果前面接收到的不是停止命令，而是起動(dòng)命令，首先要判斷運(yùn)行模式。如果是自動(dòng)模式，則要判斷磁鋼是否合格，如果合格，則執(zhí)行下料進(jìn)動(dòng)作，將合格品推至合格料箱里。如果是不合格品，則先要執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)動(dòng)作，然后執(zhí)行下料進(jìn)動(dòng)作，將不合格品推至不合格料箱里。如果在自動(dòng)模式中選擇的是單次動(dòng)作，那么，至此就分別完成一個(gè)合格品和不合格品的上料、分檢、下料動(dòng)作。如果選擇的是連續(xù)動(dòng)作，則系統(tǒng)接下來(lái)將會(huì)循環(huán)地執(zhí)行上面的動(dòng)作，直到接收到上位機(jī)的停止命令或控制板上的急停操作為止。如果是處于調(diào)試模式，則相當(dāng)于執(zhí)行一次不合格品的操作過(guò)程，即先要執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)動(dòng)作，然后執(zhí)行下料進(jìn)動(dòng)作，將不合格品推至不合格料箱里。如果系統(tǒng)是處于手動(dòng)模式，則系統(tǒng)執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的相應(yīng)的上料進(jìn)、上料退、下料進(jìn)、下料退、步進(jìn)、步退中的一種動(dòng)作，然后再進(jìn)行下一輪新的動(dòng)作過(guò)程。其中，步進(jìn)電機(jī)的速度是根據(jù)上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率來(lái)確定的。另外，單片機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換都是通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)的。由于采用的是RS485通信，所以單片機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)之間只能進(jìn)行半雙工通信，所以，雙方之間的收和發(fā)的協(xié)調(diào)很重要，否則會(huì)引起通信中斷，導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)。為保證系統(tǒng)的可靠性，除了在硬件設(shè)計(jì)上加強(qiáng)隔離、屏蔽、濾波、抑制等措施外，還在軟件設(shè)計(jì)上通過(guò)在程序中適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置軟件看門(mén)狗來(lái)增強(qiáng)軟件的抗干擾，當(dāng)程序受到干擾跑飛或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，能將程序強(qiáng)制復(fù)位。

4 串口通信模塊

串口通信模塊主要是與PC機(jī)上的上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的動(dòng)作按鈕及檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)單片機(jī)控制模塊的自動(dòng)、手動(dòng)、調(diào)試等控制功能，從而驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)部分和步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)VCM磁鋼快速智能檢測(cè)系統(tǒng)的上料、分揀、下料動(dòng)作。

通信協(xié)議(波特率為38 400 kb/s)的制定主要包括以下幾個(gè)部分：

(1)下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送“上料到位”信號(hào)

單片機(jī)控制模塊在執(zhí)行完初始化程序后，先執(zhí)行上料進(jìn)動(dòng)作，直到上料進(jìn)限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，即此時(shí)上料已到位，則向上位機(jī)發(fā)送“上料到位”信號(hào)，通知視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)行拍攝。發(fā)送的協(xié)議代碼為：0x01。

(2)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)

上位機(jī)如果接收到下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的“上料到位”信號(hào)0x01，則向下位機(jī)發(fā)送已接收到下位機(jī)信號(hào)的確認(rèn)信號(hào)，其協(xié)議代碼為：0x02。同時(shí)通知視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行拍攝。

(3)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送“動(dòng)作執(zhí)行”信號(hào)

該字節(jié)的高4位為固定值“1”，低4位表示步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率的低4位。第6個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)，是對(duì)這串字符串的前5個(gè)字節(jié)進(jìn)行“和校驗(yàn)”，如果校驗(yàn)結(jié)果大于0xFF，則取結(jié)果的低8位，同時(shí)如果結(jié)果小于0xC0，則結(jié)果加上0xC0，以便于與起始字節(jié)和確認(rèn)字節(jié)等控制命令區(qū)分開(kāi)來(lái)。

(4) 下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)

　下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的“動(dòng)作執(zhí)行”信號(hào)后，經(jīng)過(guò)校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確，則向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)0x03，表示接收數(shù)據(jù)正確；如果校驗(yàn)不正確，則向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)0x05，表示接收數(shù)據(jù)不正確，要求上位機(jī)重新發(fā)送。

(5) 上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送“動(dòng)作停止”信號(hào)

如果上位機(jī)的停止按鈕按下，則向下位機(jī)發(fā)送“動(dòng)作停止”信號(hào)0x04，命令下位機(jī)馬上停止所有動(dòng)作。

(6) 下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)

下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的“動(dòng)作停止”信號(hào)后，向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)0x03，并通知控制系統(tǒng)停止所有動(dòng)作。

　在整個(gè)通信過(guò)程中，如果下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送“上料到位”信號(hào)或上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送“動(dòng)作停止”信號(hào)，并經(jīng)過(guò)20 ms還沒(méi)接收到對(duì)方的確認(rèn)信號(hào)，則要求本方重新發(fā)送一次，直到接收到對(duì)方的確認(rèn)信號(hào)為止。如果上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送“動(dòng)作執(zhí)行”信號(hào)，并經(jīng)過(guò)20 ms還沒(méi)接收到對(duì)方的確認(rèn)信號(hào)，或者已接收到對(duì)方確認(rèn)信號(hào)，但為校驗(yàn)不正確的確認(rèn)信號(hào)時(shí)，也應(yīng)該要求本方重新發(fā)送一次，直到接收到對(duì)方的確認(rèn)校驗(yàn)正確的信號(hào)為止。

　本設(shè)計(jì)通過(guò)與機(jī)械部分、氣動(dòng)部分、檢測(cè)部分相結(jié)合，并利用單片機(jī)控制技術(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)了VCM磁鋼快速智能檢測(cè)系統(tǒng)的上料、分揀與下料等動(dòng)作。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，通用性好，通過(guò)更換導(dǎo)料管、送料板等少數(shù)幾個(gè)零件,就可以應(yīng)用于不同規(guī)格VCM磁鋼的快速檢測(cè)，具有較為廣闊的市場(chǎng)前景。