螺纹拧紧机机轴控制器的设计与实现

在现代工业生产过程中，螺纹联接由于稳定可靠、拆卸方便，而广泛应用于众多的机构装配当中。目前在中国，由于传统工艺和技术水平的原因，广泛应用在装配线上的是气动与液压扳手，其存在操作不方便、工人劳动强度大、效率低、角度和扭矩控制精度差，无法实现集中式管理等缺点。这也逐渐成为制约我国装备制造业发展的重要瓶颈。随着近几年装备制造业的飞速发展，对螺纹装配的效率和质量提出了更高的要求，自动螺纹拧紧机由于其装配效率高、控制精确、能够实现网络化等优点，逐渐应用于发动机、制冷压缩机、变速箱、机床、仪表等对螺纹拧紧的角度和位置精度要求很高的场合。但目前，我国所使用的自动螺纹拧紧机还完全依赖于国外，国内在自动螺纹拧紧机的研制和设计上才刚刚起步，同国外相比还存在着较大的差距。 本论文适应装备制造业的发展和自动螺纹拧紧设备市场的需要，根据现代螺纹拧紧理论与技术的发展情况，对自动螺纹拧紧机进行了深入研究。本论文结合嵌入式技术，设计出了基于嵌入式微控制器的螺纹拧紧机机轴控制器。 论文的第一部分介绍了自动螺纹拧紧机国内外发展现状，在此基础上，提出了本课题的研究目标与研究内容。 第二部分详细分析了现代螺纹拧紧理论。在此基础上，给出了在机轴控制器上实现精确预紧力控制的控制算法、包括紧固扭矩的计算、转角的计算、屈服点的计算等问题。同时，在扭矩控制中采用角度监视；在转角控制中采用扭矩监视；在屈服极限控制中采用扭矩监视和角度监视。可以自动对最终拧紧结果的有效性进行判断，从而实现有效、准确的螺纹多目标控制方式。本论文实现了扭矩控制/角度监视、转角控制/扭矩监视、屈服极限控制/扭矩、角度监视。 第三部分介绍了机轴控制器的硬件结构。本文采用美国Silicon Lab公司的C8051F040微控制器，使得成本大大降低。在硬件设计中采用大量可靠性设计，保证了螺纹拧紧机在复杂的工业环境下能够稳定工作。 第四部分介绍了机轴控制器的软件设计。在机轴控制软件的实现中，引入了嵌入式实时操作系统 C/OS-II。这部分首先将 C/OS-II移植到单片机C8051F040上，接着在 C/OS-II上完成整个机轴控制软件的编写。 C/OS-II的使用使得上层应用程序容易设计和扩展，提高了机轴控制软件的实时性。 实验证明，本文设计的基于嵌入式微控制器的螺纹拧紧机机轴控制器，控制精度较高、性能稳定、质量可靠、操作简便。在扭矩控制模式下，误差可以控制在5%以内；在屈服极限控制模式下，误差可以控制在15%以内。同时，由于在控制软件的设计中引入了嵌入式实时操作系统 C/OS-II, 使得该控制系统具有较好的扩展性和实时性。本设计进一步缩小了我国与国外同类产品的差距，因此，具有很好的市场发展前景。