换能器自动装配系统2.docx
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换能器自动装配系统2
换能器自动装配系统2
超声清洗换能器自动装配技术 摘要：
作者针对压电换能器传统装配系统存在的问题，提出了基于电机控制压电换能器装配的新 方法。
设计了超声清洗换能器自动装配系统。
使用光电隔离技术解决了驱动电路对控制芯片的干扰问题，同时使用一块芯片控制多个电机，简化了装配系统的结构，降低了装配的成本，提高了装配系统的自动化程度和精度。
关键词：
换能器、单片机、信号处理、自动控制、步进电机 1引言 随着超声清洗技术的发展，目前其在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。
国内外的生成实践表明超声清洗是现代工业中最有效和不可缺少的清洗手段之一。
超声清洗换能器是超声清洗设备的核心部件，具有高效，大功率等特点。
然而其在装配过程中存在着很多问题，致使压电换能器转换效率第低、易发热、陶瓷片易碎、压电换能器易松开、压电换能器和超声发生器难以匹配等问题。
主要原因是在于传统装配过程中螺栓螺母紧固力矩无法掌握，导致扭矩、压力波动范围大。
作者主要介绍了装配系统的控制部分—基于单片机控制的超声清洗换能器的恒扭矩自动控制技术，解决了装配质量不稳定的问题，特别是解决了传统的陶瓷片易碎、换能器易松等问题。
2自动装配系统的整体结构整体结构图及流程图 超声清洗换能器自动装配系统主要包括装配结构、数字信号处理系统、单片机控制系统等部分。
其中数字信号处理系统根据压电陶瓷受压时所具有的正压电效应，建立陶瓷片所受压力与产生电荷量的相应关系。
通过信号调理电路和A/D转换电路，将采集来的模拟信号转换为相应的数字信号，将数字信号通过相应的接口电路送人单片机进行处理，从而控制步进电机的转动。
整体装配图及流程图如下：
1 压电换能器集压电效应和逆压电效应于一身，压电换能器的装配过程是实现压电效应的过程，压电换能器的使用过程是实现逆压电效应的过程。
超声加工装置采用的半波长压电换能器的工作频率在18~50kHz之间。
对于这样的频率，采用一片压电陶瓷制造换能器，则其厚度为40~100mm。
要制造这样厚的压电陶瓷片，在工艺上很难实现。
另外，在谐振状态时，单一压电陶瓷组成的换能器振幅很小。
为了克服上述弊端，将压电换能器设计成夹心式，在换能器两端部分采用膨胀系数较小的、有较高Q值的非压电材料，用螺母连接。
夹心式超声清洗压电换能器结构示意图如下所示：
于压电陶瓷片的压电效应，所以当受轴向力作用时，在其表面会产生电荷，内部产生电场，即将机械能转换成了电能。
通过实验可知，电荷的面密度与施加的作用力成正比，力消失，电荷随之消失，在压电陶瓷两端面涂敷电极，在厚度方向受压力作用，压电方程为：
D=d33T3+ε33TE3,其中D为 2 电位移厚度方向的分量，数值上等于端面电极上产生的极化电荷密度Q/S（S为端面积），T3为厚度方向的正应力T3=F/S，，E3为该方向的电场强度，d33为压电常数， ε33T是描述压电陶瓷的介电性质系数，经简化可得：
Q=d33F。
压电陶瓷在正压电效应下的电特性等 效电路可图表示：
图中Ct为压电陶瓷等效电容，R为绝缘电阻，一般为109~1014Ω。
可认为等效电路是开路的，所以电荷Q对电容Ct充电，充电电压Vt=Q/Ct既Q=VtCt,又T=,所以得T=VtCtd/d33。
式中Q为电荷量，d为螺栓的公称直径，T为扭紧力拒。
3.控制系统电路的设计 利用AT89C51单片机开发的“超声清洗换能器自动装配系统”具有重复性好，操作简单，稳定性好等优点。
用一片单片机AT89C51作为变频信号源和脉冲分配器实现了对4台步进电机的控制。
单片机与微机之间的通信采用串行通信，用RS-232协议，利用MAX232进行电平转换。
AT89C51有P0、P1、P2、P3四个输入输出口。
系统中用到的步进电机有4抬，电机1控制超声清洗换能器的夹紧，电机2和3控制对换能器施加压力，电机4控制螺栓的拧紧。
其中电机1采用开环控制，通过夹具的初始位置与加紧位置之间的距离推算出步进电机1的步数N1，实现步进电机1的控制；电机2和3采用闭环控制。
通过上位机输入控制电压U01,通过高低压转换电路和芯片PCF8591实现对换能器两端电压Ui1的采集，将采集出的电压Ui1与U01进行比较，假如它们之差小于σ，那么电机2和电机3停止转动。
从而实现步进电机2和3的控制；电机4采用闭环控制，原理如电机2和3。
四台步进电机采用的运行方式为三相六拍，即正转按A-AB-B-BC-C-CA-A---顺序通电，反转按C-CB-B-BA-A-AC-C---顺序通电。
控制电路如下：
3 单片机通过接口把控制信号送到晶体管的基极，再晶体管驱动光电耦合器件的发光二极管，将电信号转换为光信号，发光二极管的光照到光电耦合器件内部的光敏管上，使光电耦合器导通，将光信号转换为电信号。
电信号经过三极管进行放大，以便向功放电路提供足够大的驱动电流。
。
驱动电路如下图所示：
于单片机的工作电压为5V，而步进电机是工作在几十V，甚至更高，所以步进电机的电压将会对控制系统产生干扰，从而导致系统工作失误。
因此接口器件必须有隔离功能，作者采用光电隔离技术将单片机信号与步进电机的高压进行隔离。
上图中的光电隔离电路如下：
4 图中光电耦合器的输入端有电流流过时，发光二极管发光，使光电三极管导通，其集电极有电流IC流过。
光电耦合器的输入电流IF一般为10—20mA,发光二极管的压降Ue为—，所以限流电阻RF下试确定：
RF=（Ui-Ue）/IF 集电极电阻RC下试确定：
Imin 其中Imin为光电三极管输出饱和时集电极电流，Imax为光电三极管的最大输入电流，Ue为光电三极管的饱和压降。
他们的值都可以光电耦合器的参数手册查得。
4.控制系统软件的设计 AT89C51单片机与微机之间采用串行通信方式。
当需要控制步进电机时，可以通过基于VB软件做的人机界面向单片机依次发送控制参数，同时单片机产生中断，进入中断服务程序，接收微机发送的数据。
中断服务程序将传送来的数据保存起来，为控制程序所用。
单片机接收、发送程序如下：
voidrs_dmx（）interrupt4using2//串口中断服务程序 { if（RI==1）{ Flag_Com=1;//设置标志位 b=SBUF;//接收数据 RX_buf[RX_count]=b; SBUF=RX_buf[RX_count];//将接收的数据返还给上位机 RX_count++; RI=0; }} 当上电启动后，进入主程序。
在主程序的开始需要设置堆栈段，为程序处理的压栈出栈用，然后将串行口工作模式设置为方式1，并开串口中断和CPU中断，等待传送来的数据。
当接收完成后，再将数据返回到上位机。
如果返回的数据与发送的数据不相同，则在PC机上显示“通信不正常”并要求从新发送数据。
当数据接收正确时，单片机把接收的数据与采集电路采集回来的数据进行比较从而控制电机的精确转动。
控制流程图及部分程序如下：
5
main（）{ innit（）; //初始化程序while
（1） //等待接收数据 { ISendByte（PCF8591,0x41）;//数据采集 D[0]=IRcvByte（PCF8591）*2;//ADC0模数转换1 led（）; //LED显示 if（RX_count>=2） { RX_count=0; if（RX_buf[0]==1） { SBUF=RX_buf[0];//把接收的数据发送出去 while（TI==0）;TI=0; while（N 6 while（TI==0）;TI=0; while（D[0]-RX_buf[1]*100>20）//控制电机的转动与停止 { ISendByte（PCF8591,0x41）; D[0]=IRcvByte（PCF8591）*2;//ADC0模数转换1 led（）; //LED显示 delayms
（1）; motor_FFw23（）;//电机2、3驱动程序 -------------- ------------- } } } }} 其中信号采集电路采用PCF8591芯片。
PCF8591是单片、单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线借口。
3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址。
利用这三个引脚可以实现对换能器不同时间段的数据采集，从而实现对电机2、3和4的控制。
数据采集时序及程序如下：
unsignedcharIRcvByte（unsignedcharsla）{unsignedcharc; Start_I2c（）; //启动总线 SendByte（sla+1）; //发送器件地址 if（ack==0）return（0）; c=RcvByte（）; //读取数据0 Ack_I2c
（1）; //发送非就答位 Stop_I2c（）; //结束总线 return（c）;} 3.结束语 以上可以看出，使用单片微机设计的超生清洗换能器自动装配系统，具有下述优点：
1）设计简单，价格低廉，应用方便，系统可靠，灵活性大。
7 2）根据电荷量来判断压电换能器的装配质量操作简单； 3）通过控制和检测系统来改变施加在压电换能器螺母上的扭矩，实现了压电换能器装配的智能化和自动化；
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