宋 涵，岑理章，何潤琴

(寧波大紅鷹學(xué)院，浙江 寧波 315175)

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VCM磁鋼的檢測設(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磁鋼快速檢測控制系統(tǒng)主要是與快速智能檢測系統(tǒng)中的機(jī)械、氣動(dòng)及檢測部分相結(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，在檢測設(shè)備控制系統(tǒng)中,主要輸入部分有急停按鈕開關(guān)、PC機(jī)通信、步進(jìn)電機(jī)的限位開關(guān)、上料下料的限位開關(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)通過采集輸入量的信號，對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、下料的快速智能檢測過程。

圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

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)退限位開關(guān)處，完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化，以便開始一個(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，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，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)部分和步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)VCM磁鋼快速智能檢測系統(tǒng)的上料、分揀、下料的動(dòng)作。模塊原理圖如圖2所示。

圖2 MCU模塊原理圖

(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)送過來的動(dòng)作按鈕及檢測結(jié)果，反饋給MCU模塊，由單片機(jī)對氣動(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，分別用來采集急停按鈕、上料進(jìn)限位和上料退限位開關(guān)、下料進(jìn)限位和下料退限位開關(guān)、步進(jìn)進(jìn)限位開關(guān)和步進(jìn)退限位開關(guān)等的狀態(tài)信號，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。

圖3 485模塊原理圖

圖4 輸入電路模塊原理圖

(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)模塊用來控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖和方向。通過單片機(jī)對這些輸出模塊的控制，從而實(shí)現(xiàn)VCM磁鋼快速智能檢測系統(tǒng)的上料、分揀和下料動(dòng)作。

圖5 氣缸驅(qū)動(dòng)電路模塊原理圖

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊原理圖

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)先對輸入的開關(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。如果上位機(jī)接收到上料到位信號，就會(huì)回復(fù)確認(rèn)信號，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，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)送過來的相應(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)作過程。其中，步進(jìn)電機(jī)的速度是根據(jù)上位機(jī)發(fā)送過來的步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率來確定的。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)上通過在程序中適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置軟件看門狗來增強(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。

圖7 主程序流程圖

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)送過來的動(dòng)作按鈕及檢測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對單片機(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

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，通知視覺檢測系統(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

上位機(jī)如果接收到下位機(jī)發(fā)送過來的“上料到位”信號 0x01，則向下位機(jī)發(fā)送已接收到下位機(jī)信號的確認(rèn)信號，其協(xié)議代碼為：0x02。同時(shí)通知視覺檢測系統(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

當(dāng)視覺檢測系統(tǒng)完成對磁鋼的檢測且上位機(jī)也操作了“起動(dòng)”按鈕后，上位機(jī)將向下位機(jī)發(fā)送一串包括動(dòng)作按鈕、步進(jìn)電機(jī)速度、磁鋼合格與否等的“動(dòng)作執(zhí)行”信號，其協(xié)議內(nèi)容共由如下6個(gè)字節(jié)組成。

第1個(gè)字節(jié)為起始字節(jié)為固定字節(jié)：0x06

第2個(gè)字節(jié)為動(dòng)作按鈕字節(jié)：

該字節(jié)的7位和 6位為固定位 “1”，5～0位如果為“1”分別代表上料進(jìn)、上料退、下料進(jìn)、下料退、步進(jìn)、步退動(dòng)作。

第3個(gè)字節(jié)：

該字節(jié)的7位和 6位為固定位 “1”，5～1位如果為“1”分別代表自動(dòng)、手動(dòng)、調(diào)試、單次、連續(xù)。0位為“1”表示磁鋼合格，為“0”則表示不合格。

第4個(gè)字節(jié)：

該字節(jié)的高 4位為固定值“1”，低 4位表示步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率的高4位。

第5個(gè)字節(jié)：

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)分開來。

(4)下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號

下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送過來的“動(dòng)作執(zhí)行”信號后，經(jīng)過校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確，則向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號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

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

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

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

本設(shè)計(jì)通過與機(jī)械部分、氣動(dòng)部分、檢測部分相結(jié)合，并利用單片機(jī)控制技術(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)了VCM磁鋼快速智能檢測系統(tǒng)的上料、分揀與下料等動(dòng)作。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、效率高，通用性好，通過更換導(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，具有較為廣闊的市場前景。

[1]錢小龍.釹鐵硼小型工件表面缺陷自動(dòng)檢測系統(tǒng)[D].天津:天津大學(xué)，2006.

[2]何潤琴，張舜德，宋涵，等.基于單片機(jī)控制的VCM磁鋼自動(dòng)檢測設(shè)備研制[J].煤礦機(jī)械，2009(7).