注塑机机械手伺服控制系统设计.doc

题 目： 注塑机机械手伺服控制系统设计 姓 名： 叶育泉 学 号： 201105070040 学 院： 物理与机电工程学院 专 业： 自动化 年级班级： 2011级（1）班 指导教师： 陈曦 2015年05月20日毕业论文（设计）作者声明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全了解有关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。同意省级优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印、缩印、扫描等方式进行保存、摘编或汇编；同意本论文被编入有关数据库进行检索和查阅。本毕业论文内容不涉及国家机密。 论文题目：注塑机机械手伺服控制系统设计作者单位：物理与机电工程学院作者签名：xxx 年 月 日 目 录摘要11. 绪论21.1 注塑机取模机械手发展的历程和现状21.2 设计研究的任务22. 注塑机控制器系统硬件设计与实现22.1 硬件总体设计22.2 控制器选型和接口分配32.3 电源模块52.4 I/O口电路设计62.5 通讯口设计、Flash存储设计、网口和急停等电路设计103. 注塑机控制器软件设计与实现133.1 开发语言和开发平台133.2 主程序设计143.3 系统初始化模块程序设计153.4 中断模块设计164. 注塑机控制器系统人机界面设计与实现184.1 显示屏选型184.2 迪文屏介绍184.3 迪文DGUS开发环境194.4 人机界面设计205. 总结和展望21参考文献22附录23致谢30注塑机机械手伺服控制系统设计摘 要：随着工业自动化的不断推进和用工荒的日益严重，工厂对机械手的需求越来越大，这必将促进机械手控制的不断研究与开发。本文设计了一款注塑机专用控制器，实现注塑机机械手安全、稳定、方便、高效率搬运工件。本设计以嵌入式STM32F103ZET6作为核心控制板主控芯片，以迪文8寸触摸屏作为人机交互平台，完成了系统软硬件的设计。该系统可实现运行参数快速设置、三轴运行程序编写、直线运动、插补运动、单步运行、自动运行、端口状态监视、系统报警和信息自检等功能。最后制作出样机，并通过多次试验，验证了系统性能良好，软硬件设计合理、稳定、精度高。关键词: 注塑机机械手；伺服电机；运动控制Design of InjectionMoldingMachineManipulatorServoControl SystemAbstract: In recent years, with the advancement of industrial automation and growing Labour shortages, the demand of robots in factory will be more and more big, which will promote the constant research and development of robot control. Based on the analysis of the injection molding machine anipulator control system at home and abroad, we designed an injection molding machine manipulator controller to carry the work piece safely, stablely, efficiently, and conveniently. STM32 embedded controller is the master control chip and di 8 inch touch screen is human-computer interaction interface, which design the system of the main circuit and peripheral circuit. Through software control, we want to achieve the parameters setting of three axis servo motor, linear motion, interpolation, single step operation, automatic operation, the port state monitor and alarm system self checking function information. Through physical tests to verify that product performance is good and that the design of the system hardware and sware is reasonable, feasible and high precision.Key Words：Injectionmoldingmachinemanipulator; Servomotor;Motioncontrol1. 绪论1.1 注塑机取模机械手发展的历程和现状 伴随着3C控制技术的发展以及人力成本的不断增加，机械设备的智能自动化控制越来越显得重要。目前，国内与国外对于取模机械手在工业应用方面的技术还存在比较大的差距。总的来说是国外技术发展早，所以技术相对成熟、领先。国内由于起步较晚，所以在自动化程度、设备精度和控制系统稳定性等方面还有很大提升的空间。现代取模机械手最先是有美国联合控制公司20世纪50年代开始研发的，带有现场示教功能。德国是从20世纪70年开始应用机械手，主要用于货物搬运、焊接和机械供料等任务1。日本自1969年从美国引进先进技术之后，快速研究机械手的控制和生产，现在处于世界先进水平。我国的机械手控制系统1970年之后开始进行研究，前十年进度相对迟缓，1985年列入国家计划经过几年攻关完成了成套技术2。目前国内企业通过模仿研发的注塑机机械手不够稳定，技术还不够成熟，所以还有很多值得提高的地方。1.2 设计研究的任务本设计所选研究对象为三轴伺服注塑机机械手，该机械手应可实现安全、稳定、方便和高效搬运产品满足市场和设计需求，并能适应工厂的复杂干扰环境。本文主要完成了注塑机机械手系统总体设计、软硬件设计和界面设计 3 ，具体设计目标如下：（1）设计三轴注塑机专业机械手控制系统的硬件电路，并通过实物现场测试确定其是否符合设计要求；（2）软件控制方面包括：各模块初始化程序、中断模块设计、程序示教、端口监控、信息报警等；（3）研究迪文DGUS界面设计，并设计本系统人机交互界面。 2. 注塑机控制器系统硬件设计与实现2.1 硬件总体设计整个控制系统的硬件框图包括STM32控制器（用于运行轨迹控制、加减速规划、数据存储、数据通讯和I/O控制）、迪文DGUS屏（用于人机交互实现、实现示教功能和电机参数设置等）、电源模块（为整个系统提供稳定电压）、存储器模块（用于存储系统参数和示教程序）、继电器模块、脉冲输出模块、信号检测模块、I/O扩展模块、通信模块等，如图1所示：电源模块STM32F103ZET6rs232RS485SPI1SPI3迪文DGUS存储W25X16U盘RJ45网络口注塑机信号检测伺服系统报警I/O扩展板图1 整体设计框图2.2 控制器选型和接口分配在控制系统的设计中，首先要考虑的就是控制核心的选择。选择一个适合的芯片一般要考虑以下因素：第一，对外设的需求，比如一般会用到USB、I2C、SPI、UART和以太网等还需要考虑的是控制器的引脚数，内部RAM等；第二，软件构架的选择，一般简单控制像12MHZ晶振频率的MSC-51足够，对处理能力要求很高的可以使用80MHZ的DSP等；第三，还要考虑芯片的价格和功耗，价格和功耗有时会成为产品成败的关键因素；第四，芯片学习难易程度，一般来说，项目的开发要求时间很短，如果开发周期过大那么可能开发出来就已经被淘汰。本设计综合考虑以上因素选择了自己熟悉的Cortex-M3构架的芯片，由ST公司开发的STM32F103ZET6，他有144个引脚，Flash为超大型的512KB，系统频率为72MHZ可以满足系统设计需要，外设资源丰富，性价比非常高大仅需10元左右，功耗超低官方数据显示在停止模式仅为400nA。STM32F103ZET6资源如图2所示： STM32F103ZET632位指令集RAM(64KB)ROM（512KB）2个16位普通定时器2个16位高级定时器2个看门狗定时器112个IO端口16位ADC16位DAC3个SPI接口2个I2C接口5个USART 图2 STM32F103ZET6资源框图机械手主控板需要同多设备相连接，包含了很多的信号线，主要有脉冲、方向、使能、限位、通信、以及动作输入信号4，主要部分输入输出对应的硬件接口如表1所示： 表1 I/O硬件接口引脚名功能具体功能引脚名功能具体功能BOOTOBOOT0启动模式PB1 TIM3X脉冲PB2BOOT1PA0 TIM2Y脉冲PA2USART2RS232PA1TIM5Z脉冲PA3PB0TIM5X方向 PB3USBPG0Y方向PB4PE15Z方向PB574hc595X使能PB10USART3RS48574hc595Y使能PB1174hc595Z使能PB12FLASHW26X16PD1急停PB13PD2电压PB14PD3蜂鸣器PB15PD4报警灯PE2到位信号X原点PD5输入气压PE3到位信号X负限位PC12控制端RS422使能PE4到位信号X正限位PB8SERPE5到位信号Y原点PB9OEPE6到位信号Y负限位PG13RCLKPC13到位信号Y正限位PG14SRCLKPC14输出控制刹车控制PG15CLEAR2.3 电源模块在正常情况下，伺服电机驱动需要24V电源，主控芯片需要3.3V电源，普通光耦需要5V电源5。因此，机械手控制板需要电源转换电路，将24V降压为5V，5V降压为3.3V。本次硬件电路中将设计24V、5V和3.3V三种电源。在本设计中为了提高系统的抗干扰能力，稳定芯片的工作电压24V转5V模块采用VRB2405YMD 芯片，该芯片具有隔离作用，输入18-75V 的直流宽电压稳定输出5V，最大输出电流为1.2A，F01为自恢复保险丝，SA26A为瞬态电压抑制管，其翻转电压 26V如图3所示：图3 24V转5V电路在本设计中STM32芯片需要3.3V的电压，通过将5V转换为3.3V实现供电，转换采用线性稳压芯片AMS1117-3.3，输入4.7V到12V，输出3.3V如图4所示：图4 5V转3.3V电路在24V转5V中由于电源模块电压输入是有范围的，当输入电压低于最低电压18V时将不能正常工作，所以系统应在低于18V前，提前报警。为此设计了如下图5所示电路。其中D18为18V稳压二极管，光电耦合器EL817的导通电流最小为2mA，设计要求为当电源电压低于20V时，光耦不导通，则电阻R100的阻值计算公式为（1）： （1）图5 低电压检测电路2.4 I/O口电路设计本系统的I/O输入输出电路包括以下部分：光耦隔离电路、扩展输出输入电路、继电器控制输入输出电路、报警输出电路和伺服电机控制接口电路五部分。2.4.1 光耦隔离电路由于工作环境恶劣以及人为操作失误等导致输入电压过高或短路很容易毁坏系统主控制板，所以从保护控制板的安全性方面考虑，所有的I/O端口均采用光电耦合器进行隔离。光耦工作过程：当输入端口输入电压时二极管发出红外光，光敏二极管产生光电流从输出端输出，从而实现“电光电”的转关6，由于无触点通过光媒介，所以抗干扰能力强，这样即使出现过载短路等现象也不会损坏系统主要部分。本设计大部分隔离电路采用EL817光耦合器，当IN0为低电平时光耦导通，PE2点即被拉低，控制器检测到PE2为低电平时判断为有输入信号，电路如图6所示：图6 光耦隔离电路2.4.2 扩展输出输入电路由于系统需要较多端口在不能满足要求的条件下，设计中采用了扩展的方式来实现。如图7所示：74HC595工作原理为：首先将需要输出的第一个值（QH1）赋给SER端口，然后发送一个移位脉冲（RCLK），这时赋给SER端口的第一个值（QH1）就被移到了移位寄存器的第一个位置，下面将第二个值QG1再次赋给SER，再发送一个移位脉冲（RCLK）之后，QG1存入移位寄存器第一位，QH1后移置第二位，以此将16个数全移入移位寄存器之后给RCLK一个脉冲移位寄存器的值将赋给存储寄存器。如果想要输出，将OE拉为低电平，存储寄存器的值就输出到了三态门，实现了串口转换为并口。 图7 级联扩展输出74HC164和74HC595功能相仿，不在赘述，如图8所示：图8 级联扩展输入2.4.3 继电器控制输入输出电路继电器输出控制电路如图9所示：当控制引脚PF0置为高电平时，光电耦合器U06导通，由于继电器需要较大的电流所以才有三极管作为驱动，三极管Q06基极电压被抬高Q06导通即驱动继电器和LED，D00导通变亮，K03继电器就闭合实现对外部注塑机的控制。图9 继电器控制电路2.4.4 报警输出电路设计在控制系统中由于系统复杂，经常会出现系统故障，所以需要及时的报警以提示操作人员处理以免发生更大问题。如下图10为报警灯和报警蜂鸣器的输出电路图Q4采用大功率的MOS开关管作为的驱动，最大输出电流可达500mA。R42和R63为LED的限流电阻。图10 报警电路2.4.5 脉冲输出接口电路 控制伺服电机是通过脉冲来实现的，所以脉冲的稳定性和可靠性在设计中起着很重要的作用，设计中输出脉冲先经过高速光耦A2631隔离输出，然后再通过AM26LS31差分输出脉冲如图11所示：图11 脉冲输出电路2.5 通讯口设计、Flash存储设计、网口和急停等电路设计2.5.1 RS485电路设计 由于RS485通讯采用平衡驱动和差分接收所以抗共模干扰能力强，最大传输距离可达1200米，而且由于RS232在总线上只允许一个收发器，但RS485接口最大可挂载128个，本设计用于与I/O扩展板的连接和级联扩展， 所以采用了RS485通讯，设计中为了增加通信的可靠性，采用了军工制品的485通讯芯片SN75176，设计电路如图12所示：图12 RS485通讯接口2.5.2 RS232电路设计RS232是工业中常用的串行通讯接口，本设计采用9针接口与迪文屏相连接，为迪文屏提供通讯和24V电源，其人机接口如表2所示：表2 DB9与迪文屏接口定义DB1急停DB5GNDDB2RXDB6NCDB3TXDB7NCDB4+24DB8NC在实际运行的人机交互界面上，手动控制三轴运动时向控制器发送运动指令，同时控制器也实时将报警信息、三轴运行情况位移等发送到人机交互屏上，且在数据传输到人机交互屏的同时，可通过屏来导向控制，所以设计中很多时候需要人机交互同时进行，这时需要同时处理互相不干扰，所以需要也必须采用异步通讯才能保证数据不丢失，为此需要采用异步串行通讯芯片SP3232EEN，可以同时提供双向通讯，SP3232EEN工作电压为+3.0V到+5.5V，芯片外部仅需5个104电容即可完成RS232与TTL之间的转换实现通讯，电路原理图如图13所示：图13 RS232模块2.5.3 USB通讯电路设计由于U盘的控制设计USB协议和文件系统等都相对较复杂，本设计为了简化设计采用带文件管理系统的USB芯片CH376，它支持SPI接口对U盘的操作。在系统中利用U盘可以方便的进行程序的拷贝，该芯片需要5个I/O端口，如图14所示：图14 U盘原理图2.5.4 Flash电路设计由于系统需要将示教程序和编辑等程序及时保存起来，所以程序将会占用很大空间，而STM32芯片内部ROM的是有限的，所以设计中扩展了ROM，利用W25X16可以扩展2MB的存储空间，一个程序最大设计为1000行，每行为一个16bit*10的数组，则理论上存储程序个数为： （2）由式（2）可知W25X16可以存储104个程序，能够满足设计要求。电路如15所示：图15 Flash原理图3. 注塑机控制器软件设计与实现3.1 开发语言和开发平台 对嵌入式系统开发主要有两类开发语言：汇编和C语言，汇编语言是一种针对硬件层的开发语言，种类不同的控制器汇编指令是不一样的，采用汇编语言编译完成为二进制的机器语言，二进制机器是CPU唯一能够识别的代码，相对来说，汇编语言的代码更为精炼，效率也就更高一些，但汇编比较难懂结构性不强，入门困难，一般单片机的启动代码和对运行要求很高的底层硬件需汇编写。C语言相对来说现在使用的人比较多，逐渐成为了一种通过语言，C语言在使用中的有以下好处：（1）使用随意；（2）可移植性好；（3）表达能力强；（4）表达方式灵活；（5）可进行结构化程序设计；汇编和C语言都有各自的优缺点。在本设计中，由于程序较长且系统性很强，所以采用了C语言。Y3.2 主程序设计在主程序的设计中，设计顺序为开机上电STM32系统各部件初始化，然后检测系统有无故障，有故障排除直到没有故障为止，然后启动系统，进入操作状态，可选择手动或自动操作，如果紧急按钮被按下，则系统停止，程序框图如图16所示所示：报警？系统初始化无报警系统启动选择手动/自动手动运行自动运行急停按钮关闭系统有报警排除故障N图16 程序流程图3.3 系统初始化模块程序设计 C语言的模块化程序设计可将一个大复杂的工程分块完成7。首先，将整个项目分成几个模块来解决，而且一旦出现问题定位比较容易；其次，每个模块可以重复利用，避免多次编写，一个模块被多次使用，也便于标准化每个功能；最后方便升级，提高效率。3.3.1控制器初始化程序设计 控制器初始化程序如下注释所示：void All_Init(void) u8 i;RCC_Config(); /打开时钟 mNVIC_Config();/定时器TIM2 TIM3 TIM5 TIM6 TIM7 USART2 USART3中断优先级分配mTimer_Config(); UART_PortInit(); / USART2 USART3配置 2波特率115200， 3波特率9600 SPI_Configuration(SPI2); GPIO_Configuration(); PWM_INIT(); /X/Y/X脉冲频率初始化设置 read_buf16(address1,(u16*)matab,50);/读取片内Flash for(i=0;i50;i+) matab2i=matabi; while(TT15)=1)k=149; /注塑机发生紧急停止else if(KK5=0)k=156;/正臂引拔轴伺服运行到引拔进极限。 else if(KK6=0)k=161;/机械手横行轴伺服运行到横出极限。 if(k=0) GPIO_0N_OFF(GPIOD,3,0);if（TiaoJ=1） GPIO_0N_OFF(GPIOD,4,0); else GPIO_0N_OFF(GPIOD,3,1);/蜂鸣器开 GPIO_0N_OFF(GPIOD,4,1);/报警灯开 GPIO_0N_OFF(GPIOF,0,0); /关闭机械手使用TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,DISABLE);TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,DISABLE;TIM_Cmd(TIM5,DISABLE);TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_Update,DISABLE; BAOJING_NUM=k; if(TX_LED=4) UARTx_TransmitData( Data,8 ); if(TX_LED=8) TX_LED=0; UARTx_TransmitData( Data,8 ); 系统将依次检测是否发生急停、电源电压不足、X/Y/Z伺服轴是否发生伺服报警、气源气压过低、注塑机发生紧急停止、运动到极限位置。如果上述都为发生，则蜂鸣器和指示灯不亮，否则将根据等级亮灯或鸣警，并且关闭机械手使用信号和关闭X/Y/Z轴脉冲发送。并且每0.4s向屏发送指令以确定控制板和屏是否发生通讯中断。 3.4.1 机械手动作程序控制器接收屏幕发送的机械手动作指令，经过分析处理向机械手发送相应的动作指令，分别包括X、Y、Z轴持续的正转反转和相对的正转反转固定位移。通过菜单设置速度百分比和手动百分比来决定最终的手动速度。设置脉冲的最大周期30000则机械手的手动速度范围为： （3） （4）脉冲的周期范围为由式（3）和式（4）得到：为速度可调范围，这基本能满足所有的伺服驱动器。 4. 注塑机控制器系统人机界面设计与实现4.1 显示屏选型由于迪文屏的开发使用简单方面，设计选用DGUS设计人机界面，迪文屏画面和硬件结构图如图17所示。迪文屏的设计从客户出发，为使用者提供诸多的案例和打包好的GUI供用户来选择使用，在通选方面迪文支持RS232、RS485在高端应用场合支持网口USB和WiFi等，在具体使用时，客户只要将自己设计好的的图片，导入序号，并在图片上添加控件最终生成可识别文件夹（DWIN_SET）通过存储卡或串口导入屏内即可实现控件的操作和串口的控制。图17 迪文屏硬件结构图4.2 迪文屏介绍DGUS是迪文K600+所设计的图形编辑系统软件。在国内性价比是很高的，本设计选用型号为DMT80600T080_18WT作为人机交互开发屏，该型号是8.0英寸800*600图像点阵，65K色的迪文触摸屏9。支持FAT32文件格式的SD卡，自带蜂鸣器和RTC时钟，12V工作电流为400mA,自带224MB内存可存储最大209幅图片。它的核心系统为DGUS，利用GUI显示，减少了开发的难度和增加了产品的质量，下图为DGUS工作介绍，如图18所示：图18 DGUS框图4.3 迪文DGUS开发环境迪文DGUS厂家自带很多软件和实用开发工具，下图为DGUS的开发界面，界面简洁实用方面，包括三大部分：触控配置、变量配置和编辑工具，分别如图19和20所示：图19 触控配置、变量配置和编辑工具图20 整体界面4.4 人机界面设计4.4.1 开机设计开机时首先等待2秒钟DGUS系统开启，然后关闭触摸屏功能，将系统的0x00000x6000的变量初始化，之后所有界面显示的数据将是系统中真实的数据，完成系统的初始化。4.4.2 触控设计在DGUS的GUI上位机软件中可以实现的功能很多，关于变量的方式有：数据变量录入、加减量调节、数据变量显示、按键返回等，便于图标的有弹出菜单选择、拖动调节、变量图标显示、动画图标显示、图标旋转指示、位图标显示等，其他的还有文本显示、表盘时钟显示、实时曲线显示、基本图形显示等等，功能强大。4.4.3 数据交互设计在此系统设计中主要通过变量的改变来改变所有的显示，这也是DGUS的最大特点，各个图标、变量显示、动画显示、位变量等都是通过对应地址的值得改变而改变的。在设计中在每一个不同的菜单设置不同的地址，这样避免了大量数据的重复，提高数据利用效率。 5. 总结和展望总结：本设计在实际完成中考虑了很多问题，其中包括控制器的控制精度、人机交换合理性、系统冗余设计、安全性问题和系统稳定性等。在整个系统设计中包括了一下三大部分的设计开发：显示部分、控制器主板和I/O扩展板。设计中显示部件使用迪文的八寸触摸屏。控制器选用ST公司的STM32F103ZET6芯片，I/O扩展板用于I/O信号的扩展输入和输出。通过串口的通讯连接，将三部分构成一个完整的控制系统。本设计对控制系统深入研究，设计主要内容包括：控制系统的硬件设计10；系统各模块初始化程序设计、中断模块设计、程序试教和报警信息等；迪文DGUS界面设计。本设计通过实物验证，对电机的控制自如，运行时稳定不抖动，对电机参数设置简单方便，系统人机界面简洁操作方便快捷，安全可靠，由此也验证了本系统设计的可行性。展望：由于时间和能力的不足在设计中能够发现还有很多功能未能够实现 主要有网口设计实现联网控制和监控、引入视觉避障智能控制技术、硬件升级能力和控制精度等。参考文献1 郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势J.中国西部科技,2012,11(10): 1-10.2 万志强.注塑机机械手控制系统设计D. 南昌大学硕士论文,2007: 3-4. 3 吴世名，基于ARM的三轴机械手控制系统研究与设计D, 浙江工业大学硕士论文,2013：6-7. 4 吴世名，基于ARM的三轴机械手控制系统研究与设计D, 浙江工业大学硕士论文,2013：37-38. 5 王宇.多轴机械手控制系统的研究与开发.D.浙江工业大学，2012: 10-50.6 杨仲望，金天均，吕征宇. 开关电源中光耦隔离的几种典型接法对比研究J.机电工程,2007,24(5): 1-20.7 李鹏飞.基于模块化的嵌入式软件设计研究D.电子世界, 2013,11: 1-2. 8 愈建新,王健,宋健建.嵌入式系统基础教程M.机械工业出版社, 2008: 132-133.9 胡小颖. 基于DWIN DGUS屏的铅酸电池智能再生系统HMI设计J.2014. 1(7): 2-10.10 王其军. 六自由度机器人运动规划的研究D. 哈尔滨工业大学,2008: 8-9.附 录主控板实物图： 电机驱动器实物图：演示电机实物图：主控板PCB：I/O扩展板原理图： I/O扩展板PCB：主函数：int main(void) u16 i=0 ; All_Init(); SPI_Configuration(SPI2); W25X_ReadID(&DeviceID);send_ping_shuju(0X0007,DeviceID) ;for(i=0;i512;i+)WriteDataBufi = (uint8_t)i; W25X_EraseSector(10); W25X_ReadDatas(0,ReadDataBuf,512); W25X_WritePageDatas(0,WriteDataBuf,256); W25X_ReadDatas(0,ReadDataBuf,512); while(1) if(number1!=number11|number2!=number22|number3!=number33) SendPing_XYZ(); number11=number1; number22=number2; number33=number3; if(BAOJING_NUM!=send_bz) v_show(BAOJING_NUM); send_bz=BAOJING_NUM; if(1) Read_z