（控制理论与控制工程专业论文）软包装自动装箱机控制器的设计与实现.pdf

硕士论文软包装自动装箱机控制器的设计与实现 摘要 软包装材料目前广泛应用于食品等行业的流体包装。但由于软包装材料具有形状不 固定、包装不能受力等特点，给自动装箱的实现带来困难。据市场调查，在软包装产品 的自动装箱上国内目前处于空白。在此背景下，本文配合软包装自动装箱机样机的研制， 进行控制器部分的设计和调试。 结合软包装自动装箱机样机的特性，按照设计指标，本文给出了系统功能需求，并 在此基础上提出了控制器的总体设计方案。 控制器硬件以a r m 7 系列微控制器l p c 2 2 1 4 为主控芯片，包括装箱机执行机构驱 动、装箱机执行机构位置检测和伺服电机驱动等模块，同时还设计了c a n 总线、r s 4 8 5 和r s 2 3 2 通信接口。控制器软件依照软包装的装箱流程，主要分为取空箱、空箱推进、 包装装箱和实箱送出等几个功能模块，系统设计充分采用分层分模块的设计思想。 在完成硬件和软件设计的基础上，本文对系统软硬件各个功能模块和整机先后进行 了调试，调试结果表明本系统各模块功能正确，整机运行正常，达到了本设计阶段的预 定目标。同时根据实际调试情况，分析了整机系统目前存在的缺陷和不足，并指出今后 的改进方向，为系统的进一步完善奠定了基础。 关键词：软包装，自动装箱机，控制器，a r m a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t s o f tp a c k i n gm a t e r i a li sw i d e l yu s e di nf l i u dp a c k i n go ff o o d s t u f f b u tb e c a u s et h es o f t p a c k i n gm a t e r i a lh a sn of i x e ds h a p ea n dc a nn o tb ep r e s s e d ，a c c o r d i n g t ot h em a r k e t r e s e a r c h ，t h e r ei sn oa na u t o m a t i cf i l l i n gb o xm a c h i n ef o rs o f tp a c k i n gp r o d u c t si no u r c o u n t r y t h i st h e s i sd e s i g n sac o n t r o l l e rf o rt h ep r o t o t y p eo fa na u t o m a t i cf i l l i n gb o xm a c h i n e a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d a f t e ra n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c st h ep r o t o t y p e ，t h i st h e s i sg i v e st h eo v e r a l ld e s i g n p r o g r a mb a s e d o ni t sf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，w h i c hi sf r o mt h ed e s i g nt a r g e t t h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o l l e ru s e sa r m 7m c ul p c 2 214a st h em a i n c o n t r o l l e r , i n c l u d e st h ed r i v e rt of i l l i n gb o xm a c h i n ea c t u a t o r , t h el o c a t i o nd e t e c t i o no ff i l l i n g b o xm a c h i n ea c t u a t o ra n dt h ed r i v e rt os e r v om o t o r c a nb u s ，r s 一4 8 5a n dr s 一2 3 2p o r ta r e a l s od e s i g n e d c o r r e s p o n d i n gt ot h ef i l l i n gb o xp r o c e s so fs o f tp a c k i n gp r o d u c t s ，t h es o f t w a r e o ft h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e st a k i n ge m p t yb o x e s ，p u s h i n ge m p t yb o x e s ，f i l l i n gs o f tp a c k i n g p r o d u c t st ot h ee m p t yb o x e sa n dc a r r i n gf u l lb o x e s ，w h i c hi sd e s i g n e db ym o d u l e s b a s e do nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，a l lm o d o l e so ft h es y s t e ma lec a r r i e do u t t e s t i n g t h er e s u l to ft h ed e b u g g i n gp r o c e s ss h o w st h a tt h es y s t e mw i t hs t a b l ep e r f o r m a n c ec a n c o m p l e t et h ed e s i r e dg o o df e a t u r e so ft h i ss t a g e a c c o r d i n gt ot h ed e b u g g i n g ，t h i st h e s i sp o i n t s o u th o wt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea f t e ra n a l y z i n gt h ed e f e c t sa n dd e f i c i e n c i e so ft h e s y s t e m k e y w o r d s ：s o f tp a c k i n gp r o d u c t s ，a u t o m a t i cf i l l i n gb o xm a c h i n e ，c o n t r o l l e r , a r m i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：j ；丕i 沙f 口年 | 铜猸 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：乏址辱 弘9 年 | 钿循 硕士论文软包装自动装箱机控制器的设计与实现 1 绪论 1 1 课题来源及研究意义 自动装箱机是指用于自动完成将包装成品按一定排列方式和定量装入箱中的设备。 近年来，随着我国企业现代化水平的提高，他们逐渐摆脱手工和半手工装箱操作状态， 开始采用高效、自动的装箱方式，显著提高了生产效率。作为整个包装系统的核心设备， 装箱机在诸多行业得到广泛应用。 作为目前比较流行的包装材料，软包装材料广泛应用于食品等行业的流体包装。但 由于软包装材料具有形状不固定、包装不能受力等特点，给自动装箱的实现带来困难。 据市场调查，在软包装产品的自动装箱上国内目前处于空白。 在此背景下，本文配合软包装自动装箱机样机的研制，进行控制器部分的设计和调 试。 1 2 自动装箱机的现状与发展趋势 资料显示，包括装箱机在年内全球的包装机械需求以每年5 3 的速度增长。全球 市场上的包装机械( 包括装箱机) 火约有三分之一来自德国，销量名列全球第一，其次 是美国、日本和意大利。我国一些跨国公司和外资企业使用的装箱机大部分都是从国外 进口。有关信息显示，到今年年底国内食品和包装机械市场总需求量将达到11o o 亿元， 其中装箱机的市场需求量潜力巨大，仅中粮集团的3 0 多条生产线，潜在销售额就达到 2 0 0 0 万元左右。另外，装箱机在金属铁罐生产领域内的应用也具有非常大的市场。据调 查，全国的制罐企业有一千多家，如果每个企业配置1 至3 台装箱机，那么市场容量为 1 0 0 0 3 0 0 0 台，销售额可达6 1 8 亿元人民币。由此可见国内装箱机市场前景非常乐观。 我国的装箱机制造业起步较晚，目前国内专业装箱机的生产企业只有十几家。国产 装箱机与世界先进水平还有较大的差距，还不适应国内市场需求和国际市场的竞争环 境。国产设备在自动控制、自动化程度和加工精度等方面还比较落后。性能不稳定、结 构复杂、耗能、维修麻烦、效率低是国产装箱机需要解决的主要问题。 以啤酒行业为例。啤酒装箱机是一种功能比较单一的设备，目前在我国一些啤酒企 业包装生产线所配套的国产装箱机的速度大约每小时4 万瓶啤酒。其工作程序是将成品 瓶装啤酒装入塑料周转箱。这种装箱机的工作形式属于间歇往复式，每6 秒钟一次提起 1 2 0 瓶，可完成5 箱啤酒的装箱工作。从能耗角度看，1 2 0 瓶成品啤酒大约1 3 0 k g ，如 果在装箱过程中被提高0 5 m ，设备的功率达到0 5 k w 就够用。但在实际生产中，这种国 产啤酒装箱机一次完成1 3 0 k g 的装箱工作，所需要的功率为1 2 3 7 k w ，并且每小时消耗 l 绪论硕士论文 6 m 3 的压缩空气。专家分析，这样多的能量主要是消耗在机械零件上升、下降往复移动 及克服摩擦力上。用户反映，这种装箱机结构复杂，易损件太多，运行成本高，维护也 比较困难。另外，由于设备的运行路线长、摩擦力大、排放压缩空气多，导致噪音很大。 这种装箱机每台的占地面积为1 2 i n 2 ，重达5 0 0 0 k g 。庞大的体积也给安装、搬运带来许 多不便。用户还反映，这种啤酒装箱机的通用性差，即一种设备只能装一种产品，而多 品种产品则必须要配置多台装箱机，严重影响了企业的装箱效率。 当前，我国包装机械行业正受到国际金融危机的影响和国际市场竞争的挑战，以价 格竞争的销售策略已经不能显现企业的优势。抓住机遇，调整产品结构，以高科技产品 提升企业竞争力是未来我国包装机械行业应对危机和挑战的唯一出路。面对我国装箱机 的市场需求，包装机械企业应重点开发一批具有国际先进水平的全自动、多功能、节能、 环保的现代化装箱机，提高国产装箱机的市场竞争力。专家指出，在开发装箱机产品中 一定要充分体现出高效、高精、智能化、标准化、模块化、弹性化且具有多种切换功能、 可拆卸以及节能、环保的设计理念。在引进、消化、吸收的基础上，开发出具有自主知 识产权的国产品牌。 ( 1 ) 模块化设计是未来包装机械设计的方向。模块化设计就是在一定范围内，在对不 同功能或相同功能下的不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计 出系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，换用一个或几个单元， 即可应对包装产品的变化，满足不同产品装箱的需求。另外在设计中还要体现零件的可 拆卸性。良好的可拆卸性可以使装箱机便于维护，所用易损件要便于回收和可再生利用， 从而达到方便用户、节省成本和保护环境的目的。 ( 2 ) 均衡寿命设计是近年来提出的科学、环保设计理念。它要求在设计中尽量使每个 零部件具有相同或相似的使用寿命。就装箱机而言，某种重要组成模块应具有较长的寿 命，而易于损坏的模块要易于更换，对于一些关键部件和涉及到安全性的模块在设计时 应考虑设计成可维修、便于检测的结构。 ( 3 ) 人机工程设计在现代化的装箱机设计中也具有重要的意义。人机工程设计的目的 是为减少装箱机使用中人的差错，发挥人和机械各自的特点以提高装箱机整体的可靠 性。利用人机工程学原理设计装箱机的人机系统，包括要适于人的使用习惯，便于识别 操作，保证安全问题和不易出错的防误操作设计等。这些都要通过机电一体化控制，利 用计算机实现自动操作、自动数据收集、自动检验以及自动诊断来实现。 “) 智能化、多功能是现代化全自动装箱机的特点。智能化全自动装箱机采用高速分 配装置，适用于各种容器，如塑料扁瓶、圆瓶、不规则形瓶，各种大小玻璃圆瓶、椭圆 形瓶，方形罐及纸罐等，同时也要适用于带隔板的包装箱。一般都是由瓶夹( 内置橡胶， 以防损伤瓶体) 夹住瓶体( 每组数量为一箱或者两箱) ，放入打开的纸箱或者塑料箱中， 当抓头抬起时，将纸箱推出，送至封箱机。装箱机还应设有缺瓶报警停机、无瓶不装箱 2 硕士论文软包装自动装箱机控制器的设计与实现 等安全装置。 1 3 论文主要工作 论文主要工作包括如下几点： ( 1 ) 针对课题应用领域的特征，分析软包装自动装箱机控制器的设计需求，提出整体 设计方案。设计时，充分考虑软件与硬件的分工和衔接。 ( 2 ) 在提出整体方案的基础上，进行控制器的硬件设计。根据设计需求确定硬件部分 的架构和主要芯片的选型，从原理设计、p c b 设计到电路的调试对硬件部分作详细周全 的设计，在整个硬件设计过程中注重硬件的功能性、可靠性和稳定性。 ( 3 ) 设计控制器的软件，实现控制器的相关功能。软件设计以前后台系统为架构，按 照功能划分为包装输送模块、取空箱模块、空箱推进模块、包装装箱模块、实箱送出模 块和系统故障处理模块等几个模块【l 】，并按照分层设计思想，逐步实现软件的功能【2 1 。 在软件设计过程中考虑可能出现的种种问题，以保证软件的可靠性与健壮性【3 1 。 1 4 论文组织结构 论文主要内容安排如下： 第一章：绪论。介绍课题的应用背景及意义，并给出论文的主要工作。 第二章：自动装箱机控制器总体设计。对控制器的需求进行分析，并在此基础上给 出总体设计方案。 第三章：自动装箱机控制器硬件设计。给出控制器硬件的总体框架，并按照各个单 元对硬件部分的设计进行详细的阐述，对重要问题进行探讨。 第四章：自动装箱机控制器软件设计。阐述软件部分的设计需求，并按照功能模块 详细介绍各模块软件的设计思想与过程，探讨设计过程中的一些重要问题。 第五章：系统调试与测试。描述控制器的主要功能和特性的测试与调试情况，并给 出相关结果。 第六章：总结与展望。总结本文的工作，并给出设计的有待改进之处。 砸论文 轼包装自动装箱机控制8 的设计与实现 2 自动装箱机控制器总体设计 控制器的主要功能为，在实现控制装箱机自动流水作业的基础上，通过软硬结合的 方法尽虽大可能挖掘装箱机的装箱能力。本章为控制器的总体设计，包括需求分析和总 体设计方案两部分。 2 1 需求分析 装箱机整机构成图如下所示 圈2 l1 装箱机整机构成图 整机主要执行机构说明如下： ( 1 ) 包装输送带：由输送带驱动电机，承接来自前级输送带的软包装产品，为下步动 作准备条件； ( 砷抓持机械手：将包装从输送带上抓起，并放置在承接平台上： ( 3 ) 抓持机械手移动平台：受相应电机驱动，带动机械手在垂直于输送带的方向上移 动； ( 4 ) 吸盘机械手：从承接平台上将包装取出放置在包装箱的预定位置： ( 神空箱拉入装置：从开箱机上将空箱拉到装箱机上i ( 6 ) 空箱移动机构：将包空箱整列移动，达到预定数量； ( 7 ) 空箱推进机构：将预定数量的空推入装箱位置，同时将完成装箱的实箱推出； ( 8 ) 隔离机构：将空箱、正在装箱和实箱分离并保持在设定轨道上； ( 9 ) 箱盖控制机构：确保箱盖丌口，绝对避免因箱盖收口阻碍装箱动作： ( 1 衬纸放置机构：从衬纸储备装置中取得衬纸，整理之后放置到包装箱内并固定； 2 自动装箱机控制器总体设计硕士论文 q d 实箱送出机构：结构与空箱移动机构相同； 实箱送出装置：与空箱拉入装置相同。将实箱送到封箱机上。 装箱机装箱指标如表2 1 1 所示： 表2 1 1 装箱机装箱指标 参数名称指标 每小时包装量 8 0 0 0 12 0 0 0 包件d 时 软袋体积l2 5 m 1 2 5 0 m l 包装箱容量8 2 4 包箱 按照设计，包装装箱流程依次为：取空箱、空箱推进、包装装箱和实箱送出，除了 包装输送带和机械手移动平台由伺服电机驱动外，其它执行部件均由气缸驱动。为了便 以描述，本文对气缸、伺服驱动器和伺服电机进行编号，如表2 1 2 所示： 表2 i 2 各执行机构对应气缸编号 模块名称包含机构对应气缸编号 空箱拉入装置 1 3 取空箱衬纸放置机构l l 、1 2 空箱移动机构 1 5 、2 0 空箱推进机构 1 6 空箱推进 隔离机构 1 9 箱盖控制机构1 7 、 1 8 包装输送带3 号驱动器、3 号电机 抓持机械手l 5 包装装箱 l 2 号驱动器、i 2 号 机械手移动平台 电机 吸盘机械手 6 1 0 实箱送出机构 1 4 、2 l 实箱送出 实箱送出装置 2 2 系统通过控制电机和气( t f l 4 1 1 5 1 ，从而实现整机自动装箱。具体需要实现的功能有： 节拍调整、启动归零、控制各部分动作时序衔接、故障检测、包装计数、衬纸等存量监 测等。 2 2 总体设计方案 在软包装装箱过程中，装箱机的动作依次分为取空箱、空箱推进、包装装箱和实箱 送出。具体实现时，上述某些模块将被再次细化，同时在执行时间上也不再是单纯的先 后关系，而是在满足执行条件时，各个模块并行执行。 2 2 i 控制器总体结构 系统结构框图如图2 2 1 所示。 6 硕士论文软包装自动装箱机控制器的设计与实现 图2 2 1 系统结构框图 机械手移动平台受相应电机驱动【6 】【。7 1 ，控制方式采用位置控制。伺服驱动器根据接 收到的由控制器发送过来的p w m 脉冲串的脉冲个数来，对电机进行精确定位。包装输 送带采用速度控制。伺服驱动器根据由控制器输入的电压，来控制电机运转的速度及方 向。转速的大小由输入电压和伺服驱动器的参数共同决定，而方向由输入电压的正负决 定。 在机械手移动平台移动的行程中，按照需求设置若干个停止点。设计时在移动平台 上安装接近开关，控制器通过读取接近开关的输出信号来判断是否到达停止点。 系统的其他执行部件通过气缸驱动。气缸采用双作用式气缸【8 儿引，通过控制有杆腔 和无杆腔交替的进出气来控制气缸活塞的往复运动，从而带动活塞杆末端的执行器件。 有杆腔和无杆腔进出气的控制是通过控制器的1 0 输出来控制的，当1 0 输出有效时进气， 否则排气。系统设计时，在充分理解装箱机的工作流程的同时，为了节约系统资源并降 低功耗，对于在整个装箱机工作的过程中动作一致的气缸采用集中控制方式。 对于气缸行程的检测，可以通过在活塞杆上安装永久磁环和在缸简上安装接近开关 ( 磁性) 来实现，当气缸活塞杆带动磁环运动到和接近开关对应的位置时，接近开关在 磁环的作用下闭合，控制器可以通过读取接近开关的输出状态来判断气缸活塞是否到达 某个指定位置。抓持机械手在将包装放置于承接平台的过程中，需要经历一个活塞杆向 下运动然后停止的过程，当接近开关检测到停止位置时，控制器通过i o 输出控制抓持 机械手停止。此外衬纸放置机构在往空箱放置衬纸时，中间有个衬纸整理过程。为了检 测衬纸整理位置是否到达，在缸筒对应位置也安装一个接近开关。当控制器通过接近开 关获取到衬纸放置机构到达衬纸整理位置时，通过i o 输出控制衬纸放置机构对衬纸进 行整理。 为了应对紧急情况的出现，系统还提供面板操作按键，供生产工人进行及时处理。 操作面板上提供“急停”和“停止 两个按键。当控制器通过1 0 扫描到“急停”按键 被按下之后，控制器应该马上停止所有执行单元的动作，直到该按键取消才继续执行。 而对于“停止 按键，当扫描到此按键被按下时，执行单元动作并不马上停止，而是直 7 2 自动装箱机控制器总体设计硕士论文 到本轮动作执行完毕。 为了和控制器进行信息交互，系统中还提供串口通信和c a n 通信。在单机试验阶 段，仅需串口和上位机通信。 2 2 2 控制器设计指标 结合2 1 节需求分析的内容，以及总体设计方案，控制器拟达到的设计指标如表2 2 1 所示。 2 3 本章小结 表2 2 1 控制器设计指标 参数类型设计指标 可驱动气缸个数 2 2 每箱包装数 6 包装能力1 2 0 0 0 包j 、时 输出频率 1 0 k h z ( 可调) 通信接口c a n 、r s 一4 8 5 、r s - 2 3 2 输入电源 + 2 4 v 、一1 2 v 和+ 1 2 v 输出电压 1 0 v , - - + 1 0 v 工作电流5 a ( 平均) 本章为控制器的总体设计，首先对设计需求进行了分析，进而提出控制器整体的设 计方案，包括设计的结构以及预期达到的主要性能指标，为后续的具体设计确立方向并 奠定基础。 8 硕士论文软包装自动装箱机控制器的设计与实现 3 自动装箱机控制器硬件设计 硬件是设计实施的基础，在整个设计中占有重要的地位。本章为自动装箱机控制器 的硬件设计部分，在介绍总体框架的基础上，将硬件设计分为五个主要的单元进行阐述， 包括电源单元、微控制器单元、i o 单元、伺服电机控制单元和通信接口单元。 3 1 硬件总体设计 3 1 1 微控制器选型 微控制器是装箱机控制器的控制运算核心，是整个设计的核心器件之一，微控制器 的选择是否合适，直接影响到装箱机各功能能否实现和性能的优劣。根据2 1 节的需求 分析和2 2 节的总体设计方案，对微控制器的功能和性能需求进行考虑f 1 0 1 ，主要包括以 下几个方面。 ( 1 ) 本设计作为一个生产流水线上的智能装箱机，必须具备良好的可靠性和稳定性， 这需要微控制器应有较高的运算速度，并具备很好的稳定性。 ( 2 ) 系统功能的实现依赖于特定的外设支持，所需外设主要包括具有捕获功能( c a p ) 的定时器、脉宽调制器p w m 、c a n 控制器和串口收发器u a r t ，微控制器应集成这些 片内外设或具备扩展出相应功能模块的能力。此外，由于旋转编码器a 、b 相波形的捕 获和2 个伺服电机位置控制的p w m 输出，所以至少应有2 个定时器。 ( 3 ) 整机的运行，主要是通过气缸驱动，而气缸受控制器的i o 控制，为此所选择的 微控制器必须具有足够多的i o 资源。 综合上述考虑，并结合使用经验、技术支持、市场使用情况和成本等因素，本设计 最终选择n x p 公司的a r m 7 系列微控制器l p c 2 2 1 4 作为主控制器。 3 1 2 微控制器设计估算 l p c 2 2 1 4 是一款基于3 2 位a r m 7 t d m i s 内核的微控制器】，支持实时仿真和跟 踪，最高工作频率可达6 0 m h z ，具有较为丰富的片内外设。该微控制器具备较高的性 价比，在诸多领域得到广泛应用。 结合l p c 2 2 1 4 的特性与资源，与前述对微控制器的需求相对应，对微控制器的主 要性能和资源估算如下： ( 1 ) 微控制器为3 2 位a r m 7 t d m i s 内核，通过p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率，指令周期短至o 0 1 8 9 s 。在使用常用的1 1 0 5 9 2 m h z 的晶振并4 倍频至 4 4 2 3 6 8 m h z 的情况下，指令周期为0 0 2 5 1 1 t s ，可以满足设计对于微控制器的实时性的 要求。 9 3 自动装箱机控制器硬件设计硕士论文 ( 2 ) l p c 2 2 1 4 相关片内外设包括：两个3 2 位定时器，每个定时器带4 路捕获通道；6 路输出的p w m 单元；多个串行接口，其中包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准的u a r t 。这些 外设的类型和数量均符合设计需求。 ( 3 ) 定时器的计数器为3 2 位，时钟为外设时钟，在11 0 5 9 2 m h z 的频率下，定时器 的分辨率为0 0 9 1 t s 。足可满足毫秒级的信号检测。 ( 4 ) l p c 2 2 1 4 有1 6 k b 片内静态r a m ，程序实际运行时需要占用约1 2 k b 的内存， l p c 2 2 1 4 的r a m 可以提供足够的空间。 ( 5 ) l p c 2 2 1 4 有2 5 6 k 片内f l a s h 程序存储器，支持i a p 功能。控制器软件的代码量 约为5 0 k b ，f l a s h 的存储空间足够。 ( 6 ) l p c 2 2 1 4 有1 1 2 个i 0 口，设计需要的i 0 口合计为6 6 个，微控制器的端口数量 足够。 3 1 3 微控制器结构框图 硬件部分完成对反馈对象的感知，并为软件诸多功能的实现提供硬件基础。结合2 2 节总体设计方案的分析，硬件部分的总体框架如图3 1 1 所示。 i a 相 - l 。i 串口电平1 一l r s 一2 3 2 ltt d 个“ 旋转编码器i ： c a p 7 l 转换芯片i 一一l 接口 lb 相 一 i 串几电平j 一 一i r s - 4 8 5 u a r t l 一 一i 转换芯片l 一7 l 接门 f，n c a n 1 l 1 u 收发器l 7c a n 接口 i ，p c 2 2 1 4 i 接近开关 | 9 路-i o 2 2 * 2 路 i o2 2 个气缸 i o 一。嚣h 伺警制卜 伺服电机 卜黼反 3 路 2 路 一 伺服驱动 i op w m伺服电机 器 3 2 电源单元设计 图3 1 1 硬件总体框架 系统中各个模块只有提供了合适的电源才能够正常稳定工作，电源设计的好坏将直 接影响整个系统的稳定运行。在设计中应综合考虑以下几方面的因素：输入电压、电流， 输出电压、电流，功耗限制，体积限制，e m c ( 电磁兼容等) 【1 2 】。 3 2 1 电源电路设计 本系统中电源使用情况如图3 2 1 所示。系统采用2 2 0 v 供电，3 个伺服驱动器由2 2 0 v l o 硕士论文软包装自动装箱机控制器的设计与实现 直接供电，其它部分的供电由2 2 0 v 转化而来。装箱机i o 口采用2 4 v 供电，控制器中 的放大器l m 3 2 4 采用+ 1 2 v 的差分电源供电，数模转化芯片t l c 5 6 1 7 c d 及伺服电机控 制模块的电平转换芯片m p c 3 4 8 6 、m p c 3 4 8 7 采用5 v 供电，c p u 的i o 接口及通信接 口电平转换芯片m a x 3 2 3 2 、7 5 l b c l 8 4 、s n 6 5 h v d 2 3 1 采用3 3 v 供电，c p u 的内核采 用1 8 v 供电。 图3 2 1 系统电源单元的结构框图 2 4 v 和+ 1 2 v 均由2 2 0 v 交流电经开关电源直接转换而来，其转化电路及原理在此不 做讨论，仅对2 4 v 到5 v 、3 3 v 和1 8 v 的转化电路进行分析。转化分三级转换，分别 是2 4 v 至05 v 、5 v 至03 3 v 和3 3 v 至01 8 v 。 2 4 v 到5 v 的转换电路如图3 2 2 所示。 6 - i - 1 砀白 v o u t 2 怂。、 _ 5j d 12 _ - 1 5 f l u i - i】 【c 7 4 c 1蛊宝 4 i n 5 8 2 2 3 末oof b 1 0 4 1 0 0 0 2 一f f 吖n 。门 1 图3 2 2 + 5 v 转换电路 3 自动装箱机控制器硬件设计 硕士论文 2 4 v 为外部输入电源，通过插座d z l 接入电路，经过开关式d c 。d c 转换器l m 2 5 7 6 - 5 转换为其额定输出电压5 v ，在电压输出端外接电感l 1 使输出电压更加平滑，电容c 7 、 c 8 对输出电压进行滤波，从而使5 v 电源纹波降到最低。 + 3 3 v 和+ 1 8 v 的转换电路如图3 2 3 所示，两者均采用低压差线性稳压器( l d o ) 进 行转换，均可输出8 0 0 m a 电流。+ 3 3 v 为微控制器的片内外设、1 0 接口电路和c a n 、 4 8 5 、2 3 2 电平转换芯片等提供电源，+ 1 8 v 为微控制器的内核提供电源。 。 c d + 5 vu 2 al m l l1 7 3 3+ 3 3 v 3 3 微控制器单元设计 c d + 3 3 vu 8 al m l1 1 7 1 8 + 1 8 v 图3 2 3 + 3 v 和+ 1 8 v 转换电路 3 3 1 时钟电路 l p c 2 2 1 4 微控制器作为时序电路器件，需要时钟信号才可以正常工作，其振荡器支 持的频率范围为i 3 0 m h z 。本设计选择常用1 1 0 5 9 2 m h z 的晶振作为时钟输入。其电路 如图3 3 1 所示，晶振y 1 并接于端e lx t a l l ，x t a l 2 两端，并联l m q 的电阻r 1 7 使 晶振更容易起振。 通过p l l ( 锁相环) ，本设计将时钟输入4 倍频至4 4 2 3 6 8 m h z 作为处理器时钟，片 内外设时钟设置为1 1 0 5 9 2 m h z 。 c l 】 1 2 3 0 p f 图3 3 1 微控制器外部晶振电路 硕士论文软包装自动装箱机控制器的设计与实现 3 3 2 复位电路 为了确保微控制器上电后有一个固定的状态，所有的微控制器均有一个复位逻辑， 它负责将微控制器初始化为某个固定状态，这个复位逻辑需要外部提供一个复位信号才 能工作。 u 9+ 3 3 v 图3 3 2 复位电路 本设计采用m a x 8 1 1 t 作为系统的复位芯片，如图3 3 2 所示，r s t 信号和l p c 2 2 1 4 的复位引脚相连。m a x 8 1 1 t 的2 号引脚为复位引脚，当电压低于其门限电压3 0 v 或按 下手动复位按钮j p 3 后，该引脚输出低电平，l p c 2 2 1 4 被硬件复位。 3 3 3 程序装载与调试接口电路 l p c 2 2 1 4 有两种f l a s h 程序装载的方式，一种是通过u a r t 0 进行在系统编程o s p ) ， 另一种是通过调试接口j t a g 将程序代码写入f l a s h 。 使用u a r t o 进行程序装载时需要使能i s p 功能，即将l p c 2 2 1 4 的p 0 1 4 引脚置低， 如图3 3 3 所示。p 0 1 4 通常处于上拉状态，若j p 2 插上跳线帽则引脚被拉低，片内引导 装载程序在系统复位后控制器件操作，u a r t 0 用作程序装载通道。u a r t 0 同时作为串 口通信功能使用，其电路将在后续章节详细介绍。 i j 4 图3 3 3i s p 功能选择电路 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议，主要 用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。其原理是在靠近芯片的输入输出管脚上增 加一个移位寄存器单元，实现对芯片输入输出信号的观察和控制。在正常的运行状态下， 3 自动装箱机控制器硬件设计 硕士论文 这些寄存器对芯片来说是透明的，所以正常的运行不会受到任何影响。 l p c 2 2 1 4 内核带有e m b e d d e d l c e 逻辑，支持通过j t a g 串行端口进行仿真和调试。 其电路如图3 3 4 所示，接口使用管脚为p 1 2 6 - p 1 3 1 ，r t c k 与地之间连接一个4 7 k q 弱偏置电阻，可使这些管脚用作调试功能。其中，t r s t 为j t a g 接口的测试复位输入 引脚，t d i 为测试数据输入，t m s 为测试模式选择，t c k 为测试时钟输入，r t c k 为 返回的测试时钟输出，t d o 为测试数据输出。 u 4 a+ 3 。3 vp 1 3 4i o 单元设计 图3 3 4j t a g 调试接口电路 本系统中i o 较多，在控制器中共设计了3 2 路输入，4 8 路输出。在实际使用中的情 况如表3 4 1 所示。 1 4 表3 4 1i o 分配表 编号功能 输入 i n l 检测l 号气缸活塞杆垂直移动的位置信号 烈2 检测2 号气缸活塞杆垂直移动的位置信号 i n 3 检测3 号气缸活塞杆垂直移动的位置信号 i n 4 检测4 号气缸活塞杆垂直移动的位置信号 i n 5检测5 号气缸活塞杆垂直移动的位置信号 i n 6 检测抓持机械手移动平台的位置信号 i n 7 检测吸盘机械手移动平台的位置信号 i n 8 检测吸盘机械手平移平台的初始位置信号 硕士论文软包装自动装箱机控制器的设计与实现 表3 4 1 ( 续) i n 9 检测衬纸整理点的位置信号 i n l 0 反馈驱动使抓持机械手移动的电机的伺服驱动器是否准备好 i n l l 反馈驱动使吸盘机械手移动的电机的伺服驱动器是否准备好 烈1 2 反馈驱动使包装输送带移动的电机的伺服驱动器是否准备好 i n l 3 i n 3 2 预留 输出 o u t l 驱动l 号气缸活塞杆向下运动 o u t 2 驱动2 号气缸活塞杆向下运动 o u t 3 驱动3 号气缸活塞杆向下运动 o u t 4 驱动4 号气缸活塞杆向下运动 o u t 5 驱动5 号气缸活塞杆向下运动 o u t 6 驱动11 号气缸活塞杆向下运动 o u t 7 驱动l l 号气缸活塞杆向上运动 o u t 8 驱动1 2 号气缸活塞杆向下运动 o u t 9 驱动1 2 号气缸活塞杆向上运动 o u t l 0 驱动1 3 号气缸活塞杆向下运动 o u t l l 驱动1 3 号气缸活塞杆向上运动 o u t l 2 驱动1 4 号气缸活塞杆向下运动 o u t l 3 驱动1 4 号气缸活塞杆向上运动 o u t l 4 驱动1 5 号气缸活塞杆向下运动 o u t l 5 驱动1 5 号气缸活塞杆向上运动 o u t l 6 驱动1 6 号气缸活塞杆向下运动 o u t l 7 驱动1 6 号气缸活塞杆向上运动 o u t l 8 驱动1 7 号气缸活塞杆向下运动 o u t l 9 驱动1 7 号气缸活塞杆向上运动 o u t 2 0驱动1 8 号气缸活塞杆向下运动 o u t 2 1 驱动1 8 号气缸活塞杆向上运动 o u t 2 2 驱动1 9 号气缸活塞杆向下运动 o u t 2 3 驱动1 9 号气缸活塞杆向上运动 o u t 2 4 驱动2 0 号气缸活塞杆向下运动 0 u t 2 5 驱动2 0 号气缸活塞杆向上运动 o u t 2 6 驱动2 1 号气缸活塞杆向下运动 0 u t 2 7 驱动2 l 号气缸活塞杆向上运动 1 5 3 自动装箱机控制器硬件设计 硕士论文 表3 4 1 ( 续) o u t 2 8 驱动2 2 号气缸活塞杆向下运动 o u t 2 9 驱动2 2 号气缸活塞杆向上运动 o u t 3 03 台伺服驱动器使能信号 o u t 3 l 驱动使抓持机械手移动平台平移的电机的伺服驱动器的零速给定信号 o u t 3 2 驱动使吸盘机械手移动平台平移的电机的伺服驱动器的零速给定信号 o u t 3 3 驱动使包装输送带移动的电机的伺服驱动器的零速给定信号 o u t 3 4 o u t 4 0 预留 o u t 4 1 驱动1 5 号气缸活塞杆向上运动 o u t 4 2 驱动6 1 0 号气缸活塞杆向下运动 o u t 4 3 驱动6 - - 1 0 号气缸活塞杆向上运动 o u t 4 4驱动l 3 号吸盘 o u t 4 5驱动4 5 号吸盘 o u t 4 6驱动6 号吸盘 o u t 4 7驱动7 号吸盘 o u t 4 8 驱动8 号吸盘 3 4 1 数据采集接口电路 图3 4 1 中( 本处仅选用一路开关量输入接口，在控制器中设计7 3 2 路开关量输入接 口) i n l 通过控制器上的接插件与装箱机上的测量点相连。限流电阻r 2 7 用来限制流经 光耦u 1 4 的发光二极管的电流。r 2 6 是上拉电阻，i n d l 连接l p c 2 2 1 4 的g p i o i z l 。当i n l 为高电平的时候，u 1 4 的发光二极管导通，射出光电子，使另一边的三极管导通，i n d l 输入低电平给单片机；当i n l 为低电平的时则相反。 1 6 十24v+3。3v 图3 4 1 开关量采集接口电路图 硕士论文软包装自动装箱机控制器的设计与实现 3 4 2 功率输出电路 广一一一一一一一一一一一一一一一一 i 控制器 i il l 一一一一一一一一一一一一一一一一_ j 图3 4 2 功率输出接口结构框图 图3 4 2 是功率输出接口结构框图。控制器要驱动输出的执行机构有2 2 个气缸和伺 服驱动器的使能控制端及零速给定端。气缸的驱动是靠控制气缸内部电磁阀来实现，电 磁线圈通电时，气缸启动；断电时气缸停止。 控制气缸动作的电路如图3 4 3 所示，o d l 连接c p u 的g p i o 口，接插件o p l 的引 脚1 、2 分别和电磁线圈的2 端相连。当c p u 输出高电平即3 3 v 时，光耦u 1 5 的二极 管不导通，光耦另- n 的三极管不导通，光耦的4 脚为高电平，三极管q l 的基极为高 电平，三极管q 1 导通，与o p l 连接的电磁线圈有电流通过。气缸的电磁线圈正常工作 时所需的电流为2 5 0 m a 左右，控制器所选的三极管型号为$ 8 0 5 0 ，其集电极允许最大 电流i c m 为0 5 a ，能够提供电磁线圈工作所需的电流。电磁线圈在断电瞬间会产生感生 电流从而形成反向电动势，电阻r 8 3 、续流二极管d 4 及电磁线圈构成放电回路，以逐 渐削弱电磁线圈断电瞬间产生的感生电流。 + 3 3 v+ 2 4 v+ 2 4 v 图3 4 3 三极管驱动的功率输出接口电路 保证伺服驱动器的使能控制端和零速给定端正常工作，仅需为其提供低电平或高电 平，故也采用了图3 4 3 的接口电路。 系统中存在多个气缸动作一致的情况，比如5 个抓持机械手向上的动作，又或5 个 吸盘机械手的所有动作。设计时为节省i o 口，采用1 个i o 口来控制5 个气缸的电磁 阀。单个气缸动作时流经其电磁阀的电流为2 5 0 m a 左右，5 个气缸同时工作时所需的驱 1 7 3 自动装箱机控制括碰件醚计顶论文 动电流约12 5 a ，图3 42 所示的电路所选的三极管型号为$ 8 0 5 0 ，其集电极允f l ：最大电 流i c m 为o5 a ，不能提供5 个气缸同时工作所需的电流。为此，设计时选用达林顿三极 管t i p l 2 1 来驱动，其集电擞允许最犬电流l c m 为5 a ，最大耗散功率p t o t = - 6 5 w ，能够同 时驱动5 个气缸工作。 3 5 伺服电机控制单元设计 本自动装箱机控个装箱过程通过对各个执行机构水平、垂直方向运动的精确控制来 实现。执行机构垂直方向的运动通过气缸内活塞的上下运动来推动，水平方向的运动通 过电机来驱动。如图3 5l 所示，做水平运动的执行机构有：包装输送带、抓持机械手 移动平台和吸盘机械手移动平台。 输送带驱动电机 机械手穆动平台驱动电机输送带移动方向 吸盘帆槭手功平台驱动电机帆艟手平穆方向 脚3 51 装箱机水平运动的结构及其驱动示意圈 包装输送带或以恒定的速度，或以变化的速度移动其速度取决于前级输送带的速 度，包装输送带移动的速度直接影响了抓持机械手抓持包装和吸盘机械手吸取包装的准 确程度。要实现包装输送带速度的精确控制要求其驱动电机【1 ) 1 能对速度进行精确控制。 抓持机械手移动平台和吸盘机械手移动平台分别在固定的起始位置和目标位簧之问做 往返运动，要实现位置的精确控制，要求其驱动电机能对位置实现精确定位。 基于以上对3 个电机的要求，本系统中选用了北京和利时电机技术有限公司的g s 系列伺服电机及其配套的全数字交流伺服驱动器1 1 4 l 。该伺服驱动器以美国t i 公司最新 的数字处理芯片( d s p ) 作为核心控制芯片，采用了先进的全数字电机控制算法，完争以软 件方式实现了电流环、速度环、位置环的闭环伺服控制具备良好的鲁棒性和自适应能 力，完全可以满足本系统对精密转速控制与定位控制快速响应的的要求。 驱动器采用2 2 0 v a c 供电位置控制通过外部指令脉冲柬控制电机精确定位，迷度 控制通过外部模拟指令输入( 0 1 0 、r ) 的幅值和极性来控制电机运转的转速和方向。前 级输送带速度的检测通过增量式旋转编码器的a b 相的反馈信号来获得i ” 。本设计中 1 8 硕士论文软包装自动装箱机控制器的设计与实现 为减少信号传输过程中的干扰，脉冲的输出和检测均采用差分信号。 3 5 1 伺服电机转速控制 3 5 1 1 前级输送带转速的检测 伺服电机的转速取决于前级输送带的移动速度。前级输送带的驱动电机轴上安装有 旋转编码器 1 6 】【1 7 】【1 8 1 ，随着电机的转动产生一系列的脉冲，通过捕获电路对脉冲进行计 数，从而得到电机的转速。图3 5 2 为转速检测的结构框图，本系统中旋转编码器的输 出脉冲为差分信号，故需要增加差分信号转t t l 信号的检测电路。 广一一一一一一一一一一一一一一 i 控制器 i 前级输送带的旋转差分脉冲转