CN211103684U - 一种基于单片机的精密电动螺丝刀 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于单片机的精密电动螺丝刀，包括套筒和推送端，推送端固定在套筒的底端；在套筒内安设刀头储存装置、控制装置、感应装置以及驱动装置；螺丝刀头的顶端伸进推送端内与驱动装置连接；本实用新型解决了螺丝刀在处理精密螺丝与精密旋转要求时的定扭矩、定速以及定圈数需求。

Description

一种基于单片机的精密电动螺丝刀

技术领域

本实用新型涉及一种基于单片机的精密电动螺丝刀，属于信息与自动控制类。

背景技术

螺丝刀分为手动式和电动式，而电动式螺丝刀多为大扭力型，而在处理精密螺丝的情况下，电动螺丝刀因扭力过大而不易使用，手动螺丝刀虽然易于控制扭力，但无法人为精准控制旋转的圈数多少；因此目前还没有一种可以精准控制转动圈数与力度的电动螺丝刀。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于单片机的精密电动螺丝刀，解决了螺丝刀在处理精密螺丝与精密旋转要求时的定扭矩、定速以及定圈数需求。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于单片机的精密电动螺丝刀，包括套筒和推送端，推送端固定在套筒的底端；

在套筒内安设刀头储存装置、控制装置、感应装置以及驱动装置；

螺丝刀头的顶端伸进推送端内与驱动装置连接；

作为本实用新型的进一步优选，

刀头储存装置包括内壳，其外部同轴套设外壳，其中内壳为实心圆柱结构，外壳为一端封闭的中空圆柱结构，在内壳中心沿着轴向方向开设通槽，外壳内部封闭端中心垂直固定连接轴，连接轴与通槽匹配；

在内壳的圆柱圆周表面均匀固定若干螺丝刀头；

在外壳的底部通过橡胶圈密封；

作为本实用新型的进一步优选，

控制装置安装在刀头储存装置下方的空腔内，控制装置包括电池组和单片机，两者通过导线连通，其中电池组选用12V锂电池供电；

感应装置包括压力传感器、光电测速模块和应力测速码盘；

驱动装置包括相连通的直流电机驱动模块和直流电机，直流电机驱动模块置于控制装置下方的空腔内，直流电机的电机轴分为两部分，分别为上部分和下部分，在上部分与下部分的连接处安装压力传感器；

应力测速码盘套设在电机轴上，光电测速模块包括光栅、光源、光电变换器以及光电管，其中光栅分布在应力测速码盘表面，光源、光电管对称布设在应力测速码盘的上方、下方，光电管与光电变换器连通，且光电变换器置于控制装置下方的空腔内；

作为本实用新型的进一步优选，在电机轴上部分的底端开设应变片凹槽，其内嵌设压力传感器，其通过导线与单片机连通；

作为本实用新型的进一步优选，

在电机轴的下部分内部开设空心槽，空心槽内部靠近封闭端处沿着圆周内壁开设水平凹槽，水平凹槽上沿着轴向开设刀头凹槽，在下部分空心槽内部沿着轴向还开设一条竖向凹槽；

空心槽的封闭端安装弹簧，当弹簧处于放松状态时，弹簧的长度大于刀头凹槽到空心槽封闭端之间的距离；

螺丝刀头靠近顶端的侧壁上固定凸起，凸起与刀头凹槽匹配；

单片机通过导线同时与直流电机驱动模块、光电管的光电变换器、应力测速码盘连通；

作为本实用新型的进一步优选，在套筒的表面安装按键，按键通过导线与单片机连通；

作为本实用新型的进一步优选，在套筒与安装应力测速码盘对应的侧壁上安装U型支架，应力测速码盘的一部分置于U型开口内；

光源、光电管分别安装在U型支架的两个横臂上，且光源、光电管相对设置；

作为本实用新型的进一步优选，在套筒的顶端安装屏幕，其通过导线与单片机连通；

作为本实用新型的进一步优选，在套筒的内侧壁上由上至下安装导线收纳管，套筒内的导线均设置在导线收纳管内。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型采用的部件均为成本低，易生产，易组装，体积小的部件，组装完成的成品体积较小，适合单手操作；

2、本实用新型可以实现定速，定力矩，定圈数旋转，可以满足精密螺丝或精密旋转要求；

3、本实用新型设定的参数可通过屏幕实现可视化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的优选实施例基于的系统结构图；

图2是本实用新型的优选实施例的整体结构示意图；

图3是本实用新型的优选实施例的电机轴上部分结构示意图，其中3a为整体图，3b为应变片凹槽示意图；

图4是本实用新型的优选实施例的电机轴下部分结构示意图，其中4a是整体图，4b是剖视图；

图5是本实用新型的优选实施例的光电测速模块示意图；

图6是本实用新型的优选实施例螺丝刀头结构示意图；

图7是本实用新型的优选实施例刀头储存装置结构示意图；

图8是本实用新型的优选实施例操作流程示意图。

图中：1为刀头储存装置，2为电池组，3为单片机，4为导线收纳管，5为用于安置直流电机驱动模块、光电变换器的空腔，6为直流电机，7为应力测速码盘，8为电机轴，9为电机轴的上部分，10为电机轴的下部分，11为光栅，12为弹簧，13为水平凹槽，14为竖向凹槽，15为刀头凹槽，16为光源，17为光电管，18为凸起，19为外壳，20为内壳，21为通槽，22为连接轴，23为应变片凹槽。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

本实用新型提供的精密电动螺丝刀主要基于图1所示的构思，按键电路作为人机交互的纽带，使用者通过按键电路完成开启/关闭，设定参数等内容；单片机3作为主控，用于控制整个系统的控制任务；屏幕作为人机交互的体现部分，用于反映机器工作状态与给使用者提供操作的提示；电机作为本实用新型的执行模块，根据单片机3提供的指令完成相应的机械任务；感应装置作为获取现实工作状态的部分，向单片机3发送得到的控制数据的反馈以帮助系统按设定参数运行。

基于上述构思，本申请提供一种优选实施例，如图2所示，包括呈圆柱状的中空套筒，套筒的内部按照“塔式结构”分层安装各个部件，具体的在套筒内由上至下分布着刀头储存装置1、电池组2、单片机3、直流电机驱动模块、光电变换器以及直流电机6，在置有单片机3空腔的圆周表面安装按键，直流电机6的电机轴8置于推送端内，推送端固定在中空套筒的底部，螺丝刀头的顶端伸进推送端内与电机轴8连接。 按照上述结构进行安装可以最大限度的减小装置的直径，方便手持电动螺丝刀进行操作，同时结构紧凑易于维护；

按键设置在圆筒圆周表面，处于整个装置的中间位置，符合人体工学，在使用时可以保证手指可以按到任意一个按键，方便控制；

本申请自带刀头储存装置1，可以提高整个装置的集成度，也利于螺丝刀头的更换与保护。

实施例1：

直流电机6的电机轴8部分一分为二，分别为上部分和下部分，两者紧密固定；

图4所示，电机轴的下部分10内部开设空心槽，空心槽内部靠近封闭端处沿着圆周内壁开设水平凹槽13，水平凹槽13上沿着轴向开设刀头凹槽15，在下部分空心槽内部沿着轴向还开设一条竖向凹槽14；空心槽的封闭端安装弹簧12，当弹簧12处于放松状态时，弹簧12的长度大于刀头凹槽15到空心槽封闭端之间的距离；

储存在刀头储存装置1内的螺丝刀头，图6所示，螺丝刀头靠近顶端的侧壁上固定凸起18，凸起18与刀头凹槽15匹配；使用时，螺丝刀头的凸起18部分经过竖向凹槽14插入电机轴8的下半部分空心槽内，当螺丝刀头的顶端抵住弹簧12后，凸起18卡进横向凹槽内，旋转螺丝刀头，将凸起18卡进刀头凹槽15内，在弹簧12的弹性压力下，将螺丝刀头紧紧与空心槽卡合。

实施例2：

当直流电机6通过直流电机6驱动模块接收单片机3启动指令后，螺丝刀头进行旋转，此时如图3所示，在电机轴的上部分9的底面开设一个应变片凹槽23，在应变片凹槽23内嵌设压力传感器，用于测量当直流电机6启动后，电机轴8进行旋转带动螺丝刀头旋转时感应到的压力大小，从而获取力矩，力矩的计算公式为：

M=L×F （1）

其中，L为压力传感器至电机轴8轴心的径向距离，F为压力传感器检测到的实时压力大小，检测的参数传通过压力传感器送至单片机3进行计算获取。

优选实施例中，直流电机6选用的是25型直流减速电机，其驱动模块选用的是L298N直流电机驱动模块，价格便宜，编程简单，其工作在6-12V，可以提供足够的扭矩，并具有最高1/64的减速比；

压力传感器选用HX711压力传感器，价格低廉，体积小，工作电压在3.3V，适合嵌入式应用。

实施例3：

本申请中还包括光电测速模块和应力测速码盘7；

应力测速码盘7套设在电机轴8上，光电测速模块包括光栅11、光源16、光电变换器以及光电管17，其中光栅11分布在应力测速码盘7表面，在套筒与安装应力测速码盘7对应的侧壁上安装U型支架，图5所示，应力测速码盘7的一部分置于U型开口内，同时光源16、光电管17对称布设在应力测速码盘7的上方、下方；光电变换器通过导线与光电管17连通。

当应力测速码盘7在电机轴8的带动下进行旋转时，光线只能通过因孔或缺口照射到光电管17上；光电管17被照射时，其反向电阻很低，于是输出一个电脉冲信号；光源16被应力测速码盘7遮住时，光电管17反向电阻很大，输出端就没有信号输出；这样，根据应力测速码盘7上的孔数或缺口数，即可测出被测电机轴8的转速；圆盘孔或缺口数通常取为60，因此被测电机轴8每转一周时，光电变换器便可输出60个脉冲信号，若取电子计数器的时基信号为1s，则可直接读出被测电机轴8转速；光电管17的光电变换器输出的脉冲信号送单片机3，由单片机3的计数器进行计数并计算速度。

基于上述本实用新型优选的几个实施例，选用型号为STC89C52的单片机3，最终以实现本申请想要的定速，定力矩，定圈数旋转进行的具体程序操作如下：

图8所示，在开启后，首先进行模式的选择，有普通模式、定扭矩模式，定速模式，定圈数模式和复合模式，依据排列组合总共有9种模式，在套筒的表面安装按键，各个按键代表不同模式，按键通过导线与单片机3连通，本申请在工作时的停止机制具体为：在检测到开关关闭或是检测到故障或是按下暂停键时会触发停止；

若是暂停而导致的停止会询问是否重新设置参数，其完成目标机制具体为：在计数器计满设定值时会触发完成机制，系统会初始化，但电机会停止。

（一）关于PID算法说明：单片机3收集到应力测速码盘7、光电变换器、压力传感器传来的数据，通过PID算法进行数据处理，PID算法全称为比例-积分-微分算法，其可以组成比例算法（P），比例-积分算法（PI），比例-微分算法（PD）以及比例-积分-微分算法（PID）；其算法原理如下：

离散化PID算法

U(K)=Kp×[e(k)-e(k-1)]+Ki×e(k)+Kd×{[e(k)-e(k-1)]-[e(k-1)-e(k-2)]}（2）

其中，U(k)为PID调节量，e(k)为实际参数与设定参数的差值，e(k-1),e(k-2)分别为上一时刻，上上时刻的实际参数与设定参数的差值，Kp,Ki,Kd分别是比例参数；

通过此算法可以将参数稳定在设定值附近，期中P调节用于改变调节力度，I调节用于消除静差，D调节用于减少调节时的震荡。

公式（2）中3个参量可以根据实际情况组合使用。

（二）PWM(脉冲宽度调制)控制电机原理：

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管栅极导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变；这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术；脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中；

单片机3将处理后的数据输出对各器件进行指令发送，即单片机3输出一方波，其周期为T，其高电平时间为TH，低电平时间为TL，TH+TL=T，占空比大小为TH/T，其范围为（0-100）；通过改变占空比来改变方波高电平时间长短，从而控制直流电机6的转速以及扭矩，本质上是控制直流电机6的功率，P=F×V。

（三）定速原理：此步骤属于校验过程，即在整个电动螺丝刀在启动之前，需要保证实际运转速度与预设速度一致；设定速度值为Vs，实际测得速度值为V(k)，单片机3输出PWM的占空比为W（k）（0-100）。

公式：

U1(K)=Kp1×[e(k)-e(k-1)]+Ki1×e(k)+Kd1×{[e(k)-e(k-1)]-[e(k-1)-e(k-2)]}（3）

e(k)=Vs-V(k) （4）

W(k)=W(k-1)+e(k) (5)

其中U1(K)为实时PID调节值作用于PWM脉冲宽度调制，通过U1(K)值的大小改变脉冲宽度大小从而改变电机功率从而调节转速；Kp1， Ki1， Kd1分别为比例，积分，微分参数；e(k)为电机设定转速Vs与实际转速V(k)的差值，实际速度由应力测速码盘7测得，e(k-1)，e(k-2)分别为上一时刻设定转速与实际转速的差值，原理同上；W(k)为积分值,即W(k)为e(k)的累加。

在调节时，速度若小于设定速度，则e(k)>0,W(k)越来越大，U1(k)>0,电机功率正调节，即加大PWM占空比；在调节至速度大致满足设定要求时，e(k)≈0，W(k)逐渐趋于0，调节逐渐完成，速度稳定；若大于设定速度则负调节，即减少PWM占空比直至e(k)，e(k-1),e(k-2)均为0，及实际速度与设定速度相等时，调节结束，速度稳定。

其中所有运算均由单片机3完成。

（四）定力矩原理：设定力矩值为Fs,实际测得力矩值为F（k），单片机3输出PWM的占空比为W（k）（0-100）。

公式：

U2(K)=Kp2×[e(k)-e(k-1)]+Ki2×e(k)+Kd2×{[e(k)-e(k-1)]-[e(k-1)-e(k-2)]} （6）

e(k)=Fs-F(k) （7）

W(k)=W(k-1)+ e(k) (8)

其中U2(K)为实时PID调节值作用于PWM脉冲宽度调制，通过U2(K)值的大小改变脉冲宽度大小从而改变电机功率大小从而调节扭矩；Kp2， Ki2， Kd2分别为比例，积分，微分参数；e(k)为电机设定扭矩Fs与实际扭矩F(k)的差值，实际扭矩由压力传感器测得；e(k-1),e(k-2)分别为上一时刻设定扭矩与实际扭矩的差值，原理同上；W(k)为积分值,即W(k)为e(k)的累加。

在调节时，由压力传感器测得实际力矩，扭矩若小于设定扭矩，则e(k)>0,W(k)越来越大，U1(k)>0,电机功率正调节，即加大PWM占空比;在调节至扭矩大致满足设定要求时，e(k)≈0，W(k)逐渐趋于0，调节逐渐完成，扭矩稳定。若大于设定扭矩则负调节，即减少PWM占空比直至e(k)，e(k-1),e(k-2)均为0，及实际扭矩与设定扭矩相等时，调节结束，扭矩稳定。

其中所有运算均由单片机3完成。

（五）定圈数原理：由光电测速模块中光电管17的光电变换器功能获得旋转角度，设光电测速模块光栅11数为N，则每计数一次直流电机6旋转2π/N rad；设定旋转圈数为n，则设定旋转角度为n×2π，则设定计数值为(n×2π)/(2π/N)=N×n；在工作时，从工作开始即开始计数，计数至设定计数值时自动停止输出，使直流电机6停止转动，从而达到定圈数功能。

复合模式原理：复合模式即将（三）（四）（五）所述方法按需求结合使用。

实施例4：

图7所示，刀头储存装置1包括内壳20，其外部同轴套设外壳19，其中内壳20为实心圆柱结构，外壳19为一端封闭的中空圆柱结构，在内壳20中心沿着轴向方向开设通槽21，外壳19内部封闭端中心垂直固定连接轴22，连接轴22与通槽21匹配；在内壳20的圆柱圆周表面均匀固定若干螺丝刀头。

此种储存装置是采用的上下抽拉式，使用时，将外壳19向上抽拉，此时外壳19的连接轴22从通槽21内移除，即可看到内壳20；

螺丝刀头固定在内壳20圆柱圆周表面的方法有很多种，本申请中选用的是，在外壳19圆柱圆周表面安装卡扣，将螺丝刀头一一固定；

外壳19底部安装密封橡胶圈用于阻隔水蒸气，防止螺丝刀头锈蚀。

实施例5：

在整个精密电动螺丝刀的顶部设置一块屏幕，其选用1602液晶屏，价格便宜，可以通过单片机3直接驱动。

实施例6：

在套筒的内侧壁上由上至下安装导线收纳管4，套筒内的导线均设置在导线收纳管4内，方便收纳导线，保证空间的整洁。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种基于单片机的精密电动螺丝刀，其特征在于：包括套筒和推送端，推送端固定在套筒的底端；

在套筒内安设刀头储存装置、控制装置、感应装置以及驱动装置；

螺丝刀头的顶端伸进推送端内与驱动装置连接。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的精密电动螺丝刀，其特征在于：

刀头储存装置包括内壳，其外部同轴套设外壳，其中内壳为实心圆柱结构，外壳为一端封闭的中空圆柱结构，在内壳中心沿着轴向方向开设通槽，外壳内部封闭端中心垂直固定连接轴，连接轴与通槽匹配；

在内壳的圆柱圆周表面均匀固定若干螺丝刀头；

在外壳的底部通过橡胶圈密封。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的精密电动螺丝刀，其特征在于：

控制装置安装在刀头储存装置下方的空腔内，控制装置包括电池组和单片机，两者通过导线连通，其中电池组选用12V锂电池供电；

感应装置包括压力传感器、光电测速模块和应力测速码盘；

驱动装置包括相连通的直流电机驱动模块和直流电机，直流电机驱动模块置于控制装置下方的空腔内，直流电机的电机轴分为两部分，分别为上部分和下部分，在上部分与下部分的连接处安装压力传感器；

应力测速码盘套设在电机轴上，光电测速模块包括光栅、光源、光电变换器以及光电管，其中光栅分布在应力测速码盘表面，光源、光电管对称布设在应力测速码盘的上方、下方，光电管与光电变换器连通，且光电变换器置于控制装置下方的空腔内。

4.根据权利要求3所述的基于单片机的精密电动螺丝刀，其特征在于：在电机轴上部分的底端开设应变片凹槽，其内嵌设压力传感器，其通过导线与单片机连通。

5.根据权利要求3所述的基于单片机的精密电动螺丝刀，其特征在于：

在电机轴的下部分内部开设空心槽，空心槽内部靠近封闭端处沿着圆周内壁开设水平凹槽，水平凹槽上沿着轴向开设刀头凹槽，在下部分空心槽内部沿着轴向还开设一条竖向凹槽；

空心槽的封闭端安装弹簧，当弹簧处于放松状态时，弹簧的长度大于刀头凹槽到空心槽封闭端之间的距离；

螺丝刀头靠近顶端的侧壁上固定凸起，凸起与刀头凹槽匹配；

单片机通过导线同时与直流电机驱动模块、光电管的光电变换器、应力测速码盘连通。

6.根据权利要求5所述的基于单片机的精密电动螺丝刀，其特征在于：在套筒的表面安装按键，按键通过导线与单片机连通。

7.根据权利要求3所述的基于单片机的精密电动螺丝刀，其特征在于：在套筒与安装应力测速码盘对应的侧壁上安装U型支架，应力测速码盘的一部分置于U型开口内；

光源、光电管分别安装在U型支架的两个横臂上，且光源、光电管相对设置。

8.根据权利要求6所述的基于单片机的精密电动螺丝刀，其特征在于：在套筒的顶端安装屏幕，其通过导线与单片机连通。

9.根据权利要求8所述的基于单片机的精密电动螺丝刀，其特征在于：在套筒的内侧壁上由上至下安装导线收纳管，套筒内的导线均设置在导线收纳管内。

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