基于STM32的扭矩扳手检定装置的设计与实现_唐虹.docx

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1、D01:10.16567/ki.l000-7008.2014.02.030 电气控制部分：主要由传感器和主控制板等元 器件组成。其中主控制板按功能分为高精度采样模 夬、主控制模块和电机驱动模块。 机械执行部分 :主要由步进电机驱动器、步进电 机、伺服电机驱动器、伺服电机、传感器型号选择机 械传动机构（齿轮）、扭矩加载机械传动机构（蜗轮 蜗杆）等组成。 用户显示部分 :主要由触摸屏组成。 2.2 工作原理 检定装置启动后，用户由触摸屏输入参数，主控 国内对扭矩扳手的检定主要依靠人工操作，工 作效率低，精度低 ;部分扭矩扳手检定装置能够实现 自动化检测，但是检定时间长，系统不稳定。国外扭 矩扳手检

2、定装置已经实现系统化、智能化、模块化， 一台设备配备多个扭矩传感器，检测范围宽，精度 高，但是价格昂贵 1。因此市场上迫切需要一台扭 矩板手的自动化快速检定设备，以满足市场的需求， 缩小与国外的差距。 工业控制中， ARM逐渐取代 51成为主流控制 器。其中， STM32微处理器是专为要求高性能、低 成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex -M3内核，处理速度快，支持串口通信。本装置采 用多个 STM32微控制器并行处理和应用 RS232通 信技术设计了一台全自动、高精度、检定速度快的扭 矩扳手检定装置。 2设备组成及工作原理 2.1设备组成 检定装置主要由电气控制部分、机械

3、执行部分、 收稿日期： 2013年 S月 引言 用户显示部分组成。系统结构图如图 1所示。 2014 年第 48 卷 No. 2 77 基于 STM32的扭矩扳手检定装置的设计与实现 唐虹，王小龙，孙景峰，徐超 西北工业大学 摘要：针对 PLC扭矩扳手检定装置工作效率低，系统稳定性差，本文设计研发了一种新型全自动的扭矩扳手 检定装置。该装置有五个扭矩传感器，可检定 0 -3000 NM内的扭矩扳手。采用高精度采样模块对信号过滤隔离 后传给主控制模块，并对数据进行分析处理 ;利用 RS232传递给电机驱动模块和触摸屏，三个模块分别采用 STM32 作为主控制器集成为一个主控制板。测试表明，该装置

4、系统稳定性好，抗干扰能力强，大大提高了工作效率和检定 准确度。 关键词：扭矩扳手 ;STM32;检定 ;采样信号 ;RS232 中图分类号： TP23 文献标志码 :A Design and Implementation of Torque Calibration Device Based on STM32 Tang Hong， Wang Xiaolong， Sun Jingfeng， Xu Chao Abstract: A torque calibration device that can automatically work is designed for the current tor

5、que calibrating device of low working efficiency. The device having five torque sensors can test the torque wrench of 0 3000N M. High - precision sampling module can filter and isolate signal? and then send the signal to the main control module analyzing data through the RS232. The main control modu

6、le can send the consults to the motor driver module and the touch display with the RS232. The three modules all using STM32 as a main controller integrate into a main control panel. The test shows that system is stable and have the ability of anti - interference and greatly improves the working effi

7、ciency and the detection accuracy. Keywords: torque wrench; STM32; calibration; sampled signal； RS232 78 工具技术 制板获取参数进行分析处理、控制伺服电机转动带 动机械传动机构给扳手加载。同时主控制板采集传 感器数据处理后反馈控制伺服电机。当加载达到目 标值时，将检定结果显示在触摸屏上，伺服电机自动 卸载。信号流向如图 2所示。 图 2信号流向图 检定完成后，将用户显示部分显示的实际扭矩 加载值和和扭矩扳手显示的扭矩值进行比较，来判 断扭矩扳手是否合格。 3电气控制原理 3.1微控制器 ST

8、M32 的 ARM Cortex - M3 内核采用 ARMv7 - M架构，具有三级流水线哈佛结构，支持 32位的单 周期乘法和硬件除法，最高处理速度 7 2 M HZ，支持 多串口通信，支持 PWM输出，具有强大的 I/O功 能 2。其中， STM32H07是 STM32系列中一款性能 较强的产品，支持多个定时器中断，看门狗定时器， Spi总线 ， I2C总线，外部中断。同时 ,此芯片集成了 USB OTG接口和 RJ45网络接口，支持最新 USB技 术和 10M/100M自适应网络。 主控制板中三个模块都采用 STM32微控制器， 其中高精度采样模块和电机驱动模块采用 STM32H03,

9、主控制模块采用 STM32H07。 三个微 控制器能在保证低成本的前提下完成所需功能。 3.2主控制板 主控制板是该扭矩扳手检定的关键技术。主控 制板由高精度采样模块、主控制模块和电机驱动模 块组成。其中，主控制模块是主控制板的核心。主 控制模块支持RS232技术，能够分别和高精度采样 模块、电机驱动模块和用户显示部分进行通信。 三个模块集成为一个主控制板，主控制模块通 过RS232通信从用户界面获取参数，协调控制高精 度采样模块和电机驱动模块，完成扭矩扳 手检定。 主控制板系统稳定性好，抗干扰能力强，精度高。三个 微控制器并行工作，处理速度快，大大提高工作效率。 (1) 高精度采样模块 高精

10、度采样模块主要由控制器 STM32F103VCT6、 放大器 ISL28208、隔离放大器 IS01002、采样芯片 AD7610S等元件组成。其中， ISL28208是适应左旋 和右旋检定的单电源放大器， IS01002是实现模拟 信号隔离、采集的放大器， AD7610S是 16位高精度 的采样芯片。外围电路中为防止信号干扰加入了 TT 形滤波电路、滤波去耦电路。采集电路图如图 3所示。 高精度采样模块的主要功能是从扭矩传感器不 断采集数据，当检测到主控制模块请求发送数据时， 通过RS232发送数据至主控制模块。考虑到设备 工作环境复杂，为提高检定精度，对采样数据进行 20ms软件滤波和32

11、位先 进先出滤波后发送给主控 制模块 3。 软件流程图如图 4所示。 (2) 主控制模块 在多处理器并行系统中，主控制器是控制系统 的关键 4。该设计中主控制模块负责协调多个从 处理器按照逻辑顺序工作，完成所需功能。主控制 2014 年第 48 卷 No. 2 79 模块和触摸屏是全双工的 RS232接口，主控制模块 能够从触摸屏获取参数，也能发送结果到触摸屏显 示。主控制模块和高精度采样模块是半双工的 RS232通信，主控制模块只能从高精度采样模块接 收数据。主控制模块和电机驱动模块是半双工的 RS232通信，主控制模块只能发送数据到电机驱动 模块。 检定过程中，主控制模块从触摸屏获取数据处

12、 理完成后传给电机驱动模块，驱动电机给扳手加载， 高精度采样模块采集传感器收据发送给主控制模块 分析，控制电机运转。得到检定结果后，主控制模块 将数据发送给触摸屏显示，并传递参数至电机驱动 模块，自动卸载。 主控制模块中控制器 STM32F107VCT6能够识 别 U盘，将采集过来的数字量存储在 .M文件中，也 可以通过网络接口将数据发送给电脑进行分析。 主控制模块负责系统的整体运行过程，能够协 调其他模块实现传感器标定和第一峰值模式、跟踪 模式、峰值保持模式等功能。主控制模块软件流程 图如图 5所示。 该装置在检定之前，需要对其进行标定以适应 不同环境下的测量。传感器标定软件流程图如图 6

13、所示。 跟踪模式能够显示扭矩扳手在检定过程中的受 力变化。跟踪模式软件流程图如图 7所示。第一峰 值模式软件流程图如图 8所示 。峰值保持模式软件 流程图如图 9所不。 (3) 电机驱动模块 电机驱动模块主要由控制器 STM32F103VCT6、 串 口芯片 max3223、逻辑门 74H4和隔离放大器 TLP521 -2等元件组成。其中， max3223是与主控 制模块和电机驱动器进行通信， 74F14是将 STM32 的控制信号整形放大， TLP521 -2是实现无干扰驱 动电机的光电隔离器。电机驱动 fe块输出控制电路 图如图 10所示。 80 工具技术 电机驱动模块通过 RS232与主

14、控制模块通信，获得 控制参数来控制步进电机和伺服电机。电机运转的 稳定性和可靠性是保证检定装置精确度的重要因 素。因此需要选择合适的升频曲线和降频曲线来控 制电机的运转过程 5。指数升降频平滑性好，精度 高，因此选择指数曲线进行升降频控制。考虑到指 数运算的复杂性，为提高响应速度，将不同量程的升 降频表存储在存储器中，使用时直接调用表格数据， 以提高系统的实时性。 图 10电机驱动模块输出控制电路图 (4) 用户显示 综合考虑系统的成本，检定装置显示界面选用 昆仑通态触摸屏，具体型号 mcgsTPC7062KW。 该屏 分辨率是800 x 48,采用四线制电阻式触摸屏， CPU400MHz，

15、内存 64M， 闪存 128M， 2 串口， 2USB 口 (1主 1从）。界面使用滅 0&3嵌入式 7.6组态软件 开发。触摸屏通过串口与主控制模块交互数据， 20ms/次刷新触摸屏，显示数据结果 B。 该检定装置有三种工作模式，分别为第一峰值 模式、跟踪模式、峰值保持模式。模式选择界面如图 11所示。 图 11模式选 择界面 跟踪模式操作流程图如图 12所示。 4测试结果及结论 4.1跟踪模式加载曲线 检定装置工作过程中加载曲线图是扭矩扳手受 力过程中最直观的反映，跟踪模式能够实时显示电 机加载扳手受力过程。以捡定值 80N *M的扭矩扳 手校验为例，加载曲线图如图 13所示。 图 13

16、跟踪模式加载曲线图 4.2测试结果 检定精度是衡量扭矩扳手检定装置的最重要性 能指标 7。经过多次实验和调试，系统检测精度达 到最佳。在实际检定中，多采用峰值模式进行检定。 该检定装置采用多传感器能够检定量程为 - 3000N *M范围内的扭矩扳手，多种量程的扭矩扳手 检定结果见表 1。 表 1 检定结 果 检定点 (N M) 左旋 右旋 检测值 (N M) 相对误差 (% ) 检测值 (N M) 相对误差 (% ) 300 300.3423 1.141 300.2356 0.785 1000 1001.5674 1.5671 1001.3586 1.3586 1500 1498.9034 -

17、0.7311 1501.6743 1.1162 2000 2002.7638 1.3819 2002.9562 1.4781 2500 2503.3648 1.3459 2502.7852 1.1141 3000 3005.9572 1.9857 3004.8152 1.6051 由上表可知，系统检定精度能够控制在 3%以 内。该装置以 STM32作为控制器和三个控制器并 行处理提高了检定速度 ;三个模块集成为一个主控 制板系统稳定性好，抗干扰能力强，提高了检定精 度 ;触摸屏界面操作简单，方便用户使用。该设备具 有很高的实用价值，己应用于扭矩生产企业。 参考文献 1 杨阳，唐虹，苏渊博 .L

18、abwindows扭矩扳手自动测试系统 的设计与实现 M.机械与电子， 2011， （ 11) :3-6. 2 刘慧英，范宝山 .基于 STM32的多步进电机控制系统研 .究 D 测控技术 ,2010, (6) =54 - 57. 3 李强 .扭矩扳手检定装置中的抗干扰设计 D.船电技 术， 2007,（ 4) :52 -55. 2014 年第 48 卷 No. 2 81 基于控制图的机械设备预防控制模型研究 赵永强 西安邮电大学 摘要：控制图己经成为最常用且有效的过程质量控制工具，对设备的零备件利用控制图进行监控，进而对系 统因素进行预防，能够大幅降低维修费用。假定设备零备件服从威布尔分布，

19、用最大似然估计法建立联合方程组， 计算出威布尔分布的参数。随后以休哈特的极差控制图为基础，构建出威布尔分布下的极差控制图，最后以实例 验证该模型的有效性。 关键词：极差控制图 ;威布尔分布 ;预防维护 ;模型 中图分类号： TG65;TH17 文献标志码 :A Equipment Preventive Control Model Based on Control Chart Zhao Yongqiang Abstract: Control chart is an effective tool to process quality control, monitoring the spare pa

20、rts of equipment by control chart is useful to prevent the equipment fault and reduce the maintenance costs. First? assume that the equipment failure density function obeying Weibull distribution, the expected function is calculated? which is the expected average life time of equipment. Second? the

21、maximum likelihood estimation method is established to estimate the density function pa- rameters. Third? the R chart is constructed on the condition of the equipment failure density function obeying Weibull distribution based on the normal control chart. At last， an example is given to verify the v

22、alidity of the model. Keywords: R control chart ； weibull distribution ； preventive maintenance ； model i引言 统计过程控制 （ statistical process control，SPC) 是一种重要的过程质量监控方法，它能高效、迅速地 预测出非随机因素的发生时间及改变类型，以便与 企业及时采取修正措施进行改善，防止不合格品产 生而造成的不必要损失。随着自动化生产时代的来 临，产品的生产效率大大提高，这就需要高的设备预 防维护水平来保证高的产品质量，有效的设备预防 维护策略也可以大幅降

23、低成本 损失。因此，利用控 制图来对设备的失效过程进行监控并及时提供预防 维护信息就十分重要。 张周通、夏雨人等通过分析生产过程中印刷电 基金项目：西安邮电大学 2012年中青年基金资助项目 （ ZL -2012 - 28) 收稿日期： 2013年 8月 路板上元件位置偏移形成的原因，建立了元件位置 偏移的数学模型，进而论证了元件位置偏移距离服 从瑞利分布，并就控制图模型进行了分析 1。周源 泉等对可靠性很高的可修系统进行了研宄，并提出 了一种基于可靠性的控制图，它能评估出系统在使 用中的可靠性，并能通过信息反馈控制产品在生产 中的可靠性 2。李爱民等通过对装备维修过程与 生产过程的异同进行分

24、析，发现装备维修过程满足 控制图的应用条件，随后就控制图工具在装备维修 质量控制中的应用情况给出了实例 B。周广文等 通过对数控机床主轴早期故障实验前采集的主轴变 形数据的分析，建立了早期可靠性变形控制图，根据 对数据的分析，判断主轴是否存在故障，消除主轴早 期故障，提高机床可靠性 4。周丙常在考虑总体服 从有偏分布的条件下，根据加权标准差方法建立联 合均值极差控制图，运用模拟方法给出了数值例子， 4石坚，柳建，张冬 .多处理器实验装置研制 D.实验技术 与管理，2012,（ 4) :74 -76. K周永龙，雷金奎 .基于 STM32的数字舵机控制系统设计 F.计算机测量与控制， 2010:

25、66 -68. 6 陈桂福，叶兵 .基于 STM32的红光治疗仪控制系统 D. 电子科技 ,2012, (4) :54 -56. 7 涂进，杨德望，冯成 .扭矩测量装置的研究与实践 D.船 电技术， 2005,（ 5) :52 -55. 第一作者：唐虹，教授，博士生导师，西北工业大学机电 学院 ,710072西安市 First Author: Tang Hong, Professor, Doctor Candidate Directory j College of Mechanical Engineering, Northwestern Polytech- nical Universityi Xiy an 710072, China