VCM磁鋼快速檢測控制系統的設計

釹鐵硼稀土永磁材料是目前磁性能最強的一種永磁材料，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用于電動(dòng)機、發(fā)動(dòng)機、音圈馬達、磁共振成像儀、通信、控制儀表、音響設備等方面。其最主要的應用領(lǐng)域是音圈馬達(VCM)，目前國外生產(chǎn)的燒結釹鐵硼磁體約有一半用于VCM。由于VCM磁鋼的形狀較復雜[1],外輪廓一般都是由圓弧及直線(xiàn)組成，尺寸及表面質(zhì)量要求較高，所以，對VCM磁鋼的檢測設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的軟硬件設計。

1 控制系統的方案設計

本文所設計的VCM磁鋼快速檢測控制系統主要是與快速智能檢測系統中的機械、氣動(dòng)及檢測部分相結合，利用單片機控制技術(shù)[2]實(shí)現VCM磁鋼快速智能檢測系統的上料、分揀與下料等動(dòng)作?？刂葡到y的結構框圖如圖1所示，在檢測設備控制系統中,主要輸入部分有急停按鈕開(kāi)關(guān)、PC機通信、步進(jìn)電機的限位開(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)電機等裝置?？刂圃硎菃纹瑱C通過(guò)采集輸入量的信號，對上料下料氣缸和步進(jìn)電機等輸出元件進(jìn)行相應的控制，實(shí)現VCM磁鋼上料、檢測、下料的快速智能檢測過(guò)程。

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

2 控制系統的硬件設計

　控制系統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。本設計的電源模塊由獨立的24 V和5 V開(kāi)關(guān)電源控制。

(1) MCU模塊

　MCU模塊主要由AT89C52單片機和晶振電路組成，是整個(gè)控制系統的“大腦”，根據各個(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，并輸出相應的控制信號，驅動(dòng)氣動(dòng)部分和步進(jìn)電機，實(shí)現VCM磁鋼快速智能檢測系統的上料、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)現控制系統與PC機中的上位機軟件進(jìn)行通信，接收上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的動(dòng)作按鈕及檢測結果，反饋給MCU模塊，由單片機對氣動(dòng)部分和步進(jìn)電機進(jìn)行控制，實(shí)現上位機響應的動(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，傳遞給單片機，由單片機實(shí)現相應的動(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路氣缸驅動(dòng)模塊和2路步進(jìn)電機的驅動(dòng)模塊組成，其原理圖分別如圖5、圖6所示。4路氣缸驅動(dòng)模塊分別用來(lái)驅動(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)電機驅動(dòng)模塊用來(lái)控制步進(jìn)電機的脈沖和方向。通過(guò)單片機對這些輸出模塊的控制，從而實(shí)現VCM磁鋼快速智能檢測系統的上料、分揀和下料動(dòng)作。

3 控制系統的軟件設計

單片機控制系統的軟件主程序流程如圖7所示。首先要進(jìn)行系統的初始化,主要完成對單片機端口的初始狀態(tài)和一些變量的初始值的設定，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置。系統先對輸入的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行掃描，然后執行上料進(jìn)，將磁鋼推至相機下方，并向上位機發(fā)送上料到位信號。如果上位機接收到上料到位信號，就會(huì )回復確認信號，如果此時(shí)上位機已經(jīng)執行了相應的操作，隨后上位機就會(huì )將這些操作命令以字符串形式發(fā)送給下位機。如果下位機接收到的是上位機的停止信號，則馬上停止當前的動(dòng)作，等待下一個(gè)命令的動(dòng)作。而且由于控制系統執行了停止操作，所以系統要先執行一次起動(dòng)操作，才能使系統復位，重新接收并執行新的動(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，則先要執行步進(jìn)電機的進(jìn)動(dòng)作，然后執行下料進(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。如果選擇的是連續動(dòng)作，則系統接下來(lái)將會(huì )循環(huán)地執行上面的動(dòng)作，直到接收到上位機的停止命令或控制板上的急停操作為止。如果是處于調試模式，則相當于執行一次不合格品的操作過(guò)程，即先要執行步進(jìn)電機的進(jìn)動(dòng)作，然后執行下料進(jìn)動(dòng)作，將不合格品推至不合格料箱里。如果系統是處于手動(dòng)模式，則系統執行上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的相應的上料進(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)電機的速度是根據上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的步進(jìn)電機的脈沖頻率來(lái)確定的。另外，單片機系統和上位機之間的數據交換都是通過(guò)串口實(shí)現的。由于采用的是RS485通信，所以單片機系統和上位機之間只能進(jìn)行半雙工通信，所以，雙方之間的收和發(fā)的協(xié)調很重要，否則會(huì )引起通信中斷，導致系統死機。為保證系統的可靠性，除了在硬件設計上加強隔離、屏蔽、濾波、抑制等措施外，還在軟件設計上通過(guò)在程序中適當的位置設置軟件看門(mén)狗來(lái)增強軟件的抗干擾，當程序受到干擾跑飛或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，能將程序強制復位。

4 串口通信模塊

串口通信模塊主要是與PC機上的上位機軟件進(jìn)行通信，接收上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的動(dòng)作按鈕及檢測結果，實(shí)現上位機對單片機控制模塊的自動(dòng)、手動(dòng)、調試等控制功能，從而驅動(dòng)氣動(dòng)部分和步進(jìn)電機，實(shí)現VCM磁鋼快速智能檢測系統的上料、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)下位機向上位機發(fā)送“上料到位”信號

單片機控制模塊在執行完初始化程序后，先執行上料進(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，則向上位機發(fā)送“上料到位”信號，通知視覺(jué)檢測系統可以進(jìn)行拍攝。發(fā)送的協(xié)議代碼為：0x01。

(2)上位機向下位機發(fā)送確認信號

上位機如果接收到下位機發(fā)送過(guò)來(lái)的“上料到位”信號0x01，則向下位機發(fā)送已接收到下位機信號的確認信號，其協(xié)議代碼為：0x02。同時(shí)通知視覺(jué)檢測系統進(jìn)行拍攝。

(3)上位機向下位機發(fā)送“動(dòng)作執行”信號

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

(4) 下位機向上位機發(fā)送確認信號

　下位機接收到上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的“動(dòng)作執行”信號后，經(jīng)過(guò)校驗，如果校驗正確，則向上位機發(fā)送確認信號0x03，表示接收數據正確；如果校驗不正確，則向上位機發(fā)送確認信號0x05，表示接收數據不正確，要求上位機重新發(fā)送。

(5) 上位機向下位機發(fā)送“動(dòng)作停止”信號

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

(6) 下位機向上位機發(fā)送確認信號

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

　在整個(gè)通信過(guò)程中，如果下位機向上位機發(fā)送“上料到位”信號或上位機向下位機發(fā)送“動(dòng)作停止”信號，并經(jīng)過(guò)20 ms還沒(méi)接收到對方的確認信號，則要求本方重新發(fā)送一次，直到接收到對方的確認信號為止。如果上位機向下位機發(fā)送“動(dòng)作執行”信號，并經(jīng)過(guò)20 ms還沒(méi)接收到對方的確認信號，或者已接收到對方確認信號，但為校驗不正確的確認信號時(shí)，也應該要求本方重新發(fā)送一次，直到接收到對方的確認校驗正確的信號為止。

　本設計通過(guò)與機械部分、氣動(dòng)部分、檢測部分相結合，并利用單片機控制技術(shù)，較好地實(shí)現了VCM磁鋼快速智能檢測系統的上料、分揀與下料等動(dòng)作。該系統結構簡(jiǎn)單、效率高，通用性好，通過(guò)更換導料管、送料板等少數幾個(gè)零件,就可以應用于不同規格VCM磁鋼的快速檢測，具有較為廣闊的市場(chǎng)前景。