（测试计量技术及仪器专业论文）拉链头自动装配机嵌入式控制系统设计.pdf

摘要 摘要 随着拉链在日常牛活中使用量的不断增大，拉链组成零配件的加工生产也越 来越显得重要。拉链头是拉链的重要组成配件之一，长期以来一直依靠人工装配， 生产效率很低。近年来，市场上出现了一种拉链头自动装配机，使拉链头的生产 效率比传统手工装配时期有了明显的提高。这种装配机的控制系统通过各种继电 器、接触器、触发式开关等硬件配合构成的逻辑电路对整台机器的装配过程进行 控制，由于控制系统中不包含可编程器件，机器的智能化程度不高，无法完成较 为复杂的控制任务：同时机台上安装的传感器多为机械接触式传感器，灵敏度低、 检测效果不理想，已逐渐不能适应拉链产业生产高度自动化的需要。为了能够更 加高效地进行拉链头的装配生产，彻底改善拉链头装配用人多，生产效率低的现 状，同时基于福建晋江某企业的委托，我们实验室以其生产的拉链头自动装配机 为平台，进行了以单片机为核心的拉链头自动装配机控制系统开发。 本文的主要研究工作为： ( 1 ) 通过分析拉链头自动装配机传统电气控制系统原理，了解机器的机械 结构及控制系统的各种功能，为单片机控制系统的功能设计提供依据。 ( 2 ) 设计及选用合适的光电传感器取代原有的机械接触式传感器对装配过 程进行检测，以提高检测精度。 ( 3 ) 针对单片机系统在工厂等复杂工作环境下容易受到电磁干扰的特点， 分析各种干扰产生的原因，在控制系统的软硬件设计时采取抗干扰措施。 ( 4 ) 控制系统的软硬件设计。 ( 5 ) 在实验平台上完成功能实验和初步的性能测试，在此基础上对系统软 硬件进行改善，最后在工厂环境下，进行实机功能调试以及可靠性、抗干扰性分 析，发现问题并及时改进。 关键词：单片机：拉链头装配；控制系统 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n ti n c r e a s eo ft h ec o n s u m p t i o ni n d a i l y l i f eo fz i p p e r , t h e p r o d u c t i o no fz i p p e r sa c c e s s o r i e sb e c o m e m o r et h em o r ei m p o r t a n t a sa ni m p o r t a n t a c c e s s o r yo ft h ez i p p e r , s l i d ef a s t e n e rw a sa s s e m b l e db yh a n df o ral o n gt i m e i n r e n c e n ty e a r s ，ak i n do fs l i d ef a s t e n e ra u t o - a s s e m b l ym a c h i n eh a sa p p e a r e do nt h e m a r k e t c o m p a r e d w i t ht h em a n u a ls e t t i n g t i m e ，i t h a s g r e a t l yi m p r o v e dt h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fs l i d ef a s t e n e r h o w e v e r , t h em a c h i n e sc o n t r o ls y s t e m i s m a d eu po fd i v e r s i f i e dr e l a y , t h ec o n t a c td e v i c e ，t o u c hs w i t c ha n do t h e r sh a r d w a r e ， w h i c hu s el o g i cc i r c u i tt oc o n t r o lt h ea s s e m b l yp r o c e s s t h ec o n t r o ls y s t e md o e sn o t c o n t a i nt h ep r o g r a m m a b l ec o m p o n e n ts ot h em a c h i n e si n t e l l i g e n td e g r e ew a sl o wa n d w a sn o ts u i tf o rc o m p l e xc o n t r o l l i n gt a s k s m e a n w h i l e ，t h es e n s o r so nt h em a c h i n ea r e a l m o s tm e c h a n i c a lt o u c h i n g i ti n d u c e sl o ws e n s i t i v i t ya n dt h et e s t i n ge f f e c ti sn o t g o o d a sa r e s u l ti tc a nn o tc a t e rt ot h ed e m a n do ft h es u p e r m a t i co ft h ez i p p e r i n d u s t r y i no r d e rt op r o d u c et h es l i d ef a s t e n e rm o r ee f f e c t i v e l ya n dt h o r o u g h l y d e c l i n et h eu s a g eo fh u m a nr e s o u r c ed u r i n ga s s e m b l i n gs l i d ef a s t e n e r , o u rl a b i m p r o v e dt h es l i d ef a s t e n e ra u t o - a s s e m b l ym a c h i n ec o n t r o l l i n gs y s t e mb yd e v e l o p i n g an e wc o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c hu s e sm c ua sk e r n e lb a s e do nt h ee n t r u s t m e n to fa l l e n t e r p r i s ei nj i n j i a n g ，f u j i a np r o v i n c e a f t e rm a k i n gt h er e s e a r c hd i r e c t i o na n dc o n t e n t s w em a i n l yd ot h ef o l l o w i n g s e v e r a lw o r k s ( 1 ) a n a l y s i n gt h e m e c h a n i s mo ft h ec o n v e n t i o n a la u t o a s s e m b l ym a c h i n e ， g e t t i n gf a m i l i a rw i t ht h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n da l lf u n c t i o no f t h ec o n t r o ls y s t e m ， p r e p a r i n gf o r t h ed e s i g no f t h em c u c o n t r o ls y s t e m ( 2 ) d e s i g n i n ga n dc h o o s i n gs u i t a b l ep h o t o e l e c t r i cs e n s o r st or e p l a c et h eo r i g i n a l m e c h a n i c a lt o u c h i n gs e n s o r sf o rt h ed e t e c t i o no ft h ea s s e m b l yp r o c e s s ，s oa st o i m p r o v e t h ed e t e c t i o np r e c i s i o n ( 3 ) a n a l y s i n ga l lk i n d so fc a u s a t i o no fd i s t u r b a n c ea g a i n s tt h em c us y s t e m ， w h i c he a s i l yg e t sa f f e c t e db ye l e c t r o m a g n e t i s mi nc o m p l e xe n v i r o n m e n ts u c ha s i i i 拉链头自动装目0 机嵌入式控制系统设计 f a c t o r y t a k i n go n a n t i d i s t u r b a n c em e t h o dd u r i n g d e s i g n i n gt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e m ( 4 ) d e s i g n i n go f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e m ( 5 ) f i n i s h e df u n c t i o nd e v e l o p m e n ta n df i r s t s t e pp e r f o r m a n c et e s t i n g i m p r o v e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eb a s eo nt h ef o r m e rf o u n d a t i o n d e b u g g i n gc o n t r o ls y s t e m o nt h er e a lm a c h i n e ，a n a l y z i n gi t sr e l i a b i l i t ya n da n t i d i s t u r b a n c e s o n i n gt h ep r o b l e m a n di m p r o v i n gi nt i m e k e yw o r d s ：m c u ；a s s e m b l y o fs l i d ef a s t e n e r ：c o n t r o ls y s t e m 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：协戈斌 工矿o 年占月7 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 乃 ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：识茁斌日期：二叼石年占月7 日 导师签名：律j 锄日期- 扩制月夕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 拉链头自动装配机概述 拉链在现代生活中应用十分广泛，每年由此产生的经济效益高达数百亿元之 多。中国是拉链生产的大国，年产量居世界首位，但由于技术等诸多因素的影响， 中国拉链工业一直是劳动密集型产业。拉链头作为拉链的重要组成配件之一，长 期以来一赢依靠人工装配，效率低、可靠性差，已经成为制约中国拉链业发展的 主要因素之一，为此研制拉链头自动装配机十分必要“1 。9 0 年代以来，日本、台 湾地区出现了采用常规电气控制的拉链头自动装配机。近年来，随着此类装配机 在我国大陆地区特别是福建、广东的推广使用，拉链头的生产效率比传统手工装 配时期有了明显的提高。 装配类机器一般以执行工艺动作为主，通过各种机构或机械手，按照规定的 程序进行操作，将零件装配成部件或产品。装配过程中可能伴有一些简单的成型 或加工”1 。拉链头自动装配机就是典型的装配类机器，它不仅要将拉链头的4 个 组成零件按照规定的顺序进行装配，还要在零件装配成形后冲压紧固，如图卜1 所示。 图卜1 拉链头的组成零件及装配成形 拉链头自动装配机一般由理料、隔料、给料机构，装配机构，卸料机构和控 制系统等部分组成。一个完整的装配流程中，各零件首先通过特制的料斗振盘进 行偏振排序，然后以合适的速度沿料槽有序地向下滑落，再由夹具送至加工平台， 拉链头自动装配机嵌入式控制系统设计 在单头上嵌入马钩、插入拉片、扣上帽盖三个步骤依次流水式进行。 1 2 拉链头自动装配机控制系统现状和发展趋势 传统拉链头自动装配机的控制系统通过时间继电器、热继电器、交流接触器、 各种触发式开关等硬件配合构成的逻辑电路对整台机器进行控制，控制系统中不 包含m p u 等可编程器件，无法完成较为复杂的控制任务，因此这类拉链头自动装 配机的智能化程度不高；此夕 装配机上安装的检测传感器多为机械接触式传感 器，灵敏度低、检测效果不理想，导致装配的次品率较高且次品筛选不精确，甚 至还需人工二次筛选，耗费大量的人力。 随着机械装配水平的不断提高，高度自动化的装配模式已经成为装配制造业 的发展趋势之一。在这种趋势下，传统的过程控制理论和方法遇到了极大的挑战， 有必要进行一些改良或革新，以适应新型装配制造模式对控制系统的要求。拉链 头自动装配机控制系统作为一种小型零部件自动化装配过程控制系统，更加具有 这方面的需求。一般来说，小型零部件产品的装配制造有以下几个主要特点”1 ： ( 1 ) 自动化程度高。高度自动化的精密加工机械设各是装配要素之一。在 产品的装配加工过程中，人为因素对产品质量的影响越来越居于次要地位，产品 质量往往在很大程度上由机械设备和控制系统决定。 ( 2 ) 装配速度侠，批量大。因装配的零部件体积小，机械设备的自动化程 度又很高，所以工序中产品的装配速度非常快。以拉链头装配为例，平均每台装 配机每分钟可装配产品6 0 一8 0 件，如此高的装配速度对控制系统的准确性和实时 性提出了很高的要求。 ( 3 ) 装配过程检测要求高。在整个装配过程中，需要高精度传感器对送料 渠道、n _ t 位置、产品检验实旌监控，以确保装配过程的连续性和有效性。 如上所述，传统的拉链头自动装配机因其落后的控制系统和传感装置，己逐 渐不能适应拉链产业生产高度自动化的需要。许多拉链头装配机生产厂商开始寻 求新的控制系统解决方案来提高机器的智能化及自动化程度，力求更加高效地迸 行拉链头的装配生产，彻底改善拉链头装配用人多，生产效率低的现状。 鉴于近年来a r m 单片机等高性能单片机的飞速发展，以单片机为核心的嵌入 式控制系统成为了拉链头自动装配机控制系统的一个发展方向。针对传统控制系 统功能性差导致装配效率不高的情况，拉链头自动装配机嵌入式控制系统一般以 第一章绪论 经济实用性、现场易操作性为出发点，将计算机技术、传感检测技术、自动控制 技术相结合，进行研究与开发。表卜1 给m 了分别采用嵌入式控制系统与传统电 气控制系统的拉链头自动装配机的对比。 表卜1 嵌入式控制系统与传统电气控制系统拉链头自动装配机对比 嵌入式控制系统拉链头自动装配机传统电气控制系统拉链头自动装配机 性能稳定性能不稳定，故障率高 操作简单，町自动识别故障，排除故 故障识别、排除较为困难 障容易 次品筛选准确度高，保证筛选后合格次品筛选准确度低，机器筛选后需人 品率接近1 0 0 工再筛选一遍 控制系统功能完善控制系统功能单一 装配效率高，一人可操作多台机器装配效率低，一人只能操作一台机器 可以看到，采用嵌入式控制系统的拉链头自动装配机克服了传统装配机的大 部分缺点，操作也相对人性化，提高了机器的智能化及自动化程度，将给拉链头 的装配生产带来了一场革命。 1 3 嵌入式系统概述 1 3 1 嵌入式系统的发展 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从 2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大 规模应用，嵌入式系统己经有了3 0 年左右的发展历史。 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的应用。2 0 世纪7 0 年代单片机的出现， 使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品，可以通过嵌入式装 置来获得更佳的使用性能。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这 时的应用只是使用8 位的芯片，执行一些单线程的程序。 从8 0 年代早期丌始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编 写嵌入式应用软件，此后一些公司也纷纷推出了自己的嵌入式操作系统。这些嵌 入式操作系统都具有嵌入式的典型特点，它们均采用占先式的调度，响应时间很 短，任务执行时间可以确定。系统内核很小，具有可裁剪性、可扩充性和可移植 性，可以移植到各种处理器上。具有较强的实时性和可靠性，适合嵌入式应用“3 。 拉链头自动装配机嵌入式控制系统设计 9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核逐 渐发展为实时多任务操作系统( r t o s ) ，并作为一种软件平台逐步成为目前国际 嵌入式系统的主流。 1 3 2 嵌入式系统的定义 根据国际电气和电子工程师协会( i e e e ) 的定义，嵌入式系统是控制、监视 或者辅助设备、机器和车间运行的装置。这主要是从应用上加以定义的，从中可 以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置“1 。 通常在应用中，嵌入式系统可进一步定义如下： ( 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用 相结合才会具有生命力、才更具有优势。即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它 具有很强的专用性。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个 行业的具体应用相结合后的产物。 ( 3 ) 嵌入式系统可以根据应用需求对软硬件进行裁剪来满足应用系统的功 能、可靠性、成本、体积等要求。所以建立相对通用的软硬件基础，然后在其上 开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。 一般情况下，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫 嵌入式系统，其构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出( i o ) 和 软件构成，如图卜2 所示。 图卜2 嵌入式系统的组成 4 第一章绪论 1 3 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，能够满足应用对功能、 性能、体积、成本、功耗等方丽要求的专用系统。通常是一个包含机械、电子、 计算机等多种工作部件的综合系统。嵌入式系统是而向应用的系统，其构成和具 体的应用密切相关。规模可大可小，大到航空航天飞行器，小到家用电器遥控器： 结构千变万化，有的包含多个微处理器，有的只有一个微处理器，有的有复杂的 输入输出机制，有的则十分简单；设计方法也不尽相同，大型系统往往要借助智 能工具的帮助，而小型系统则是人工设计效果更好。所有这些都反映了嵌入式系 统的多样性和复杂性。从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的几 个重要特征： ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源 相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合 非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。同时针对不同的任务，往往需要对 系统进行较大更改。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不 要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于 实现系统安全。 ( 4 ) 高实时性的系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化存 储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 ( 5 ) 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但是 为了合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户可 以自行选配实时操作系统开发平台。这样才能保证程序执行的实时性、可靠性， 并减少开发时间，保障软件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不 具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修 改，必须有一套开发工具和环境才能进行丌发，这些工具和环境一般是基于通用 计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 拉链头白动装配机嵌入式控制系统设计 1 4 本课题的主要研究内容 本课题主要针对拉链头自动装配机传统电气控制系统功能落后不能适应生 产要求的市场现状，借鉴各种单片机过程控制的方法，设计了一种以单片机 a t 8 9 c 5 1 为核心的控制系统，通过灵敏度高、抗干扰能力强的光电传感器进行检 测监控，并配合完善的报警显示及数据保存功能，完成对拉链头装配流程的控制 与分析，力求以低成本实现拉链头自动装配机的高性能控制系统方案。 具体的研究内容有： ( 1 ) 分析传统电气控制系统原理 通过分析拉链头自动装配机传统电气控制系统原理，了解机器的机械结构及 控制系统的各种功能，为单片机控制系统的功能设计提供依据。 ( 2 ) 光电传感器的设计及选用 设计或选用合适的光电传感器对装配过程进行检测，部分传感器用于替换原 系统上的机械接触式传感器，以提高检测精度；部分新增传感器则用于扩展系统 的检测功能。 ( 3 ) 控制系统的抗干扰分析 针对单片机系统在工厂等复杂工作环境下容易受到电磁干扰的特点，分析各 种干扰产生的原因，以便在控制系统的软硬件设计时采取抗干扰措施。 ( 4 ) 控制系统硬件设计 控制系统的硬件设计是本研究的重点之一，是控制系统能否正常运行的关键 所在。控制系统硬件设计包括原理分析、p c b 板设计、元器件选购、硬件电路设 计与调试、实时检测和故障诊断的硬件实现、各种功能模块设计、改进设计等。 ( 5 ) 控制系统软件设计 软件设计是本研究的另一个重点，关系到控制系统能否正常发挥功能和控制 水平的高低。本控制系统的软件采用模块化设计。 ( 6 ) 实验平台调试与实机调试 在实验平台上完成功能实验和初步的性能测试，在此基础上，对系统软硬件 进行改善，在工厂环境下，将控制系统安装在装配机上，进行功能调试以及可靠 性、抗干扰性分析，发现问题并及时改进。 本文第一章简要介绍了拉链头自动装配机及其控制系统的现状和发展趋势； 第一章绪论 第二章分析了拉链头自动装配机的工作原理并提出了系统的总体设计方案；第三 章讨论了传感器的设计及选用；第四章详细论述了控制系统的软硬件模块化设 计：第五章论述了控制系统的调试与安装；第六章对研究工作进行了总结并展望 了下一步的研究方向。 第二章拉链头自动装d 曲l 系统的总体设计 第二章拉链头自动装配机系统的总体设计 2 1 拉链头自动装配机工作原理分析 拉链头自动装配机的机械电气结构主要由料斗振盘、振盘电机、料槽、主电 机、凸轮机构、装配平台及其上的机械装置所组成，在控制系统的作用下完成拉 链头的装配过程。其基本结构如图2 1 所示。 图2 - 1 拉链头装配机结构图 2 1 1 零件的输送 组成拉链头的单头、马钩、拉片、帽盖四种零件分别存放于各自的料斗振盘 中，在振盘电机的作用下，零件沿着料斗振盘内侧的轨道有序地移至料斗振盘与 料槽的接1 3 处，然后在重力的作用下，顺着料糟分别滑至装配平台的不同位置， 如图2 2 所示。 拉链头自动装配书0 嵌入式控铺系统设计 图2 - 2 拉链头各组成零件的输送 2 1 2 零件的装配与拉链头的分选 图2 - 3 拉链头各组成零件的装配 如图2 - 3 所示，当零件到达装配平台后，需要由夹具夹送至各自的装配位置， 对于一个拉链头的装配来说，需要在从右至左的四个装配位置上依次进行“在单 头上嵌入马钩”、“插入拉片”、“扣上帽盖”、“冲压紧固”这四个装配动作才能将 9 第二章拉链头自动装配机系统的总体殴计 其装配成型。装配平台上的所有夹具动作和装配动作都由装配主电机驱动的凸轮 机构带动各种机械装置完成。事实上，由于拉链头的装配是流水式进行的，在每 个凸轮机构运转周期内，四个装配动作同时进行，只是各自所针对的装配对象不 同，例如在第一个装配位置上进行当前拉链头“在单头上嵌入马钩”这个装配动 作的同时，第二个装配位置上进行的则是前一个拉链头“插入拉片”的装配动作， 依此类推。 在前三个装配动作进行时，需要进行零件位置检测，以防夹具夹送零件至装 配位置的过程中出现零件缺失或错位的情况；而在最后进行的“冲压紧固”时， 需要检测装配完成的拉链头是否合格。图2 3 中，机械悬梁上从右至左依次安装 的是马钩位置检测传感器、拉片位置检测传感器、帽盖位置检测传感器、品质检 查传感器。在每个凸轮机构运转周期内，用于确定传感器检测时刻的凸轮开关会 闭合一次，在凸轮开关闭合的瞬问，机械悬梁降至最低位置，各传感器配合探针 对处在各装配位置的对象进行检测。前三个传感器检测到零件位置不j f 常的情况 时，需要停止装配主电机的运行，直到人工处理恢复正常后，按下启动按钮才能 重新开动机器；品质检查传感器则用于控制分选电磁铁挡板动作，当其检测到装 配次品时，需控制分选电磁铁挡板将次品挡向次品输出口，如图2 4 所示。具体 的传感器检测原理将在第三章中详述。 图2 4 拉链头的分选 1 0 拉链头自动装配机嵌入式控制系统设计 另外，在拉链头的装配过程中，如果零件意外落入机械装置的缝隙中造成机 械装置动作卡死时，机台右侧的撞机开关会因受到冲撞反作用力而由闭合状态转 为断开状态，从而导致装配主电机停止运行。发生这种情况后，需要人工进行排 障处理，然后按下启动按钮，重新开动机器。 2 2 传统装配机的缺陷及改良 通过对传统拉链头自动装配机工作原理的分析，并对其实际运行效果进行考 察，我们可以发现其存在的不足之处。 ( 1 ) 没有料槽检测传感器 由于组成拉链头的四个零件体积较小，且表面形态不十分规则，部分零件外 表还有细小毛刺，在输送过程中容易卡死在料斗振盘与料槽的接合处，造成堵塞 同时导致零件供应的不连续。传统的装配机没有在料槽上安装传感装置，当料槽 中的零件被装配消耗完后，装配平台上的零件位置检测传感器将会因检测到零件 缺失而停止装配主电机运行，使整个装配流程中断，装配机的工作效率降低。 ( 2 ) 零件位置检测传感器效果不理想 传统的装配机用于检测零件位置的是机械接触式传感器，由于其上金属弹片 的机械接触具有一定的滞留性，检测精度不高，在实际检测中常会出现误检或漏 检的情况。 ( 3 ) 系统没有报警指示装置 由于系统没有报警指示装置，在机器装配过程中，必须有专人在旁监护，一 旦机器出现各种问题时，才能及时地进行维护，因此一个人只能操作一台机器。 ( 4 ) 系统功能不完善 系统没有调试、数据保存等功能，操作不够人性化，也不利于对拉链头的装 配过程及装配效果进行分析。 针对传统拉链头自动装配机的缺陷，本文进行了如下的改良措施。 ( 1 ) 在料槽上安装检测传感器，一旦发现零件输送不连续时，就可以及时 地进行人工排障处理，在料槽中的零件被装配消耗完之前使零件的输送恢复正常 状态。在这个过程中，装配主电机不需要停止运行，这样就可以避免装配流程不 必要的中断，提高装配机的工作效率。 ( 2 ) 用检测精度高的电磁式传感器代替原来的机械接触式传感器，基本消 第二章拉链头自动装配机系统的总体设计 除误检和漏检情况。 ( 3 ) 安装报警装置，对不同的故障状态分别给予相应的报警指示，这样一 个人就可以同时监护多台机器，当机器发生故障时，根据其报警指示进行人工处 理。 ( 4 ) 以单片机为核心进行控制系统设计，取代原来的电气控制系统，增加 各种装置调试、数据保存等模块，使装配机的功能更完善。 2 3 拉链头自动装配机控制关系分析 拉链头自动装配机系统主要是根据各种传感器、开关、按钮的状态对电机等 负载进行控制，从而影响整个装配过程。例如，在任何时候拉片料槽传感器检测 到拉片料槽缺料时，就需要停止拉片振盘电机运行；拉片振盘电机还受到拉片位 置传感器的影响：当凸轮开关闭合时，若拉片位置传感器检测到拉片位置不f 确， 不但要停止装配主电机运行，也要停止拉片振盘电机运行。具体的各种控制关系 如图25 所示，可以看到，有些负载设备的控制受到多个因素的影响，而其中的 某些因素必须在一定条件在才能影响负载设备的控制。传统的电气控制系统直接 基于这种复杂的控制关系，采用硬件组合逻辑电路方法进行设计，十分不便。 凸轮开关 马钩料槽传感器 马钩振盘电机 拉片料槽传感器卜_ 剖 拉片振盘电机 帽盖料槽传感器卜_ 产手叫帽盖振盘电机 装配主电机 检查位置传感器卜_ 叫分选电磁铁 图2 - 5 拉链头自动装配机的控制关系 启动按钮 停【r 按钮 撞机开关 采用单片机作为控制平台后，我们可以非常容易地理清各种控制关系，即把 各种传感器、开关、按钮信号作为输入量，各种负载作为输出量，通过软件编程 茎一 拉链头自动装配机嵌入式控制系统设计 方法实现根据输入量或输入量的组合对输出量进行控制。如图2 6 所示。 单头料槽传感器 马钩料槽传感器 拉片料槽传感器 帽盖料槽传感器 马钩位置传感器 拉片位置传感器 帽盖位景传感器 检查位置传感器 马钩振辙电机 拉片振盘电机 帽盖振撤电机 装配主电机 分选电磁铁 图2 6 控制关系的输入一输出式设计 2 4 嵌入式控制系统的设计 2 4 1 控制系统的硬件平台 通过对装配机控制关系的分析，并考虑对装配机功能进行完善，本文设计的 拉链头自动装配机控制系统的硬件环境主要由电源模块、微控制器( m c u ) 、各种 外围电路、传感器及负载设备组成，系统基本结构如图2 7 所示”1 。 i 电源模块l ，_ _ 1 看ij a 司电磕 i 叫报警装置l l 耕槽侍感器p 微 叫数码管显示电路l 叫马钩振盘电机 控 一拉片振盘电机 制 i 装配位置俸感器 = 器 叫数据存储电路i 州m 目盖振盏电机 叫辐配主电机 1 人机接口 = 纠负载驱动电路t - 叫分选电磁铣i 图2 - 7 拉链头装配机控制系统结构图 电源模块主要用于实现电压转换功能，为控制系统的各个电路模块、传感器、 一一一一一一 第二章拉链头自动装配帆系统的总体设计 负载提供电源。为了保障整个系统的稳定工作，电源模块的设计要求安全可靠， 抗干扰能力强。 嵌入式微控制器是拉链头自动装配机控制系统的核心。它担负着控制、协调 系统工作的重要任务。为了合理、高效地完成这些任务，一般来说，微控制器具 有以下特点： ( 1 ) 具有较强的实时多任务处理能力。嵌入式系统大多是实时多任务系统， 因此，微控制器必须具有实时处理能力和多任务处理能力，以保证系统工作的_ l e 确性和高效率。 ( 2 ) 具有较强的中断处理能力。嵌入式系统的构成复杂，中断源种类繁多， 中断的性质差异很大，这就要求微处理器应该具有较强的中断管理能力和较快的 响应速度。 ( 3 ) 具有强大的存储器保护功能。为了提高软件的可靠性和可维护性，嵌 入式系统软件一般都是模块化的。为了避免软件模块之间出现错误操作和不必要 的交叉作用，要求微处理器必须具有强大的存储器保护功能。 ( 4 ) 具有低功耗特性。低功耗对嵌入式系统十分重要，低功耗不仅延长了 系统的工作时间，而且也缓解了散热问题。 本文的微控制器采用8 位单片机a t 8 9 c 5 1 实现。芯片内部集成有程序存储器 和数据存储器，具有总线、总线逻辑、定时计数器、i 0 、串行口、脉宽调制输 出等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一一般一个系列的单片机具有 多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设 的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少， 从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化， 体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 各个电路模块作为整个控制系统的重要组成部分，在能够完成相应功能的基 础上，它们的设计还需要遵循简洁实用、易于维护等原则。 传感器是嵌入式系统感知外部环境的主要渠道。由于嵌入式系统和外部环境 结合密切，系统往往需要根据外界环境的变化情况决定对执行部件采取何种措 旖。缺少了传感器，系统可能就无法工作。虽然在不同的应用场合，传感器的性 能、规模、形式都不一样，但其感知外部环境的基本功能却始终是一致的。本文 拉链头自动装配机嵌入式控制系统设计 所采用传感器主要为两类：一类为料槽检测传感器，用于监测零件输送是否连续； 一类为装配位置传感器，用于检测零件装配是否到位。由于组成拉链头的四个零 件体积较小，在传感器的设计选用中，其检测精度是一个重要的指标。 负载设备主要有：报警装置、控制零件输送的振盘电机、控制分选挡板的电 磁铁、控制整个装配平台运作的主电机。 2 4 2 控制系统的软件设计 拉链头装配机控制系统中，单片机以多种方式控$ t j # t - 围设备，如直接寻址方 式、串行数据输入输出方式、循环查询方式、中断响应方式等”1 。在系统的软 件设计中，软件的主体程序是一个循环结构，通过不断调用各种功能子程序实现 控制要求。 系统软件根据控制要求进行开发，利用c 编译器和汇编编译器，用c 语言或 汇编语言编写嵌入式应用程序，再使用交叉编译和链接工具生成可执行程序。 应用程序编写完成之后，需要进行调试，检查是否有错并定位出错的位置， 不断修改直至完善。本文采用南京伟福公司生产的h 5 1 s 型仿真器及其软件模拟 环境进行程序调试，如图2 8 所示。 图2 - 8 伟福h 5 1 s 型仿真器 程序调试完毕后，应将验证后的程序固化在单片机上，再将整个控制系统安 第二章拉链头自动装配机系统的总体设计 装在拉链头装配机上进行实机测试运行。单片机的程序固化是利用程序烧录器将 p c 上最后生成的二进制可执行文件下载到单片机的内部r o m 中。程序根据标头 所提供的信息进行定位，在连接时生成含内存分配段表的堆栈，段表的每行描述 一个段，按代码段、数据段和堆栈段的次序排列。单片机采用上电直接启动的运 行方式，上电后程序跳转到起始地址的位置，首先运行主程序，然后根据堆栈中 记录的各段相对地址，依控制要求跳转到各段运行。 系统的软件丌发流程如图2 9 所示8 1 。 图2 - 9 系统软件开发流程图 拉链头自动装配机嵌入式控制系统设计 拉链头装配机控制主程序流程如图2 1 0 所示。 【 茎塑 】 王一 初始化 二二 工作模式扫描 墼堡坚苎 数据读取 j l 一 数据显示 0 普通模式 备料槽传感器检测l 二二 二二 各撮盘电机控制l 二二 二 皱据保存、报警显荆 二二 二 各位置传感器检测i 二二 二 主电机控制l 二二 二 致据保存、报警显刺 【堕塞，】 图2 1 0 拉链头装配机控制主程序流程图 2 5 系统的抗干扰设计 2 5 1 单片机控制系统抗干扰问题概述 单片机是面向在线应用的，往往所处的电磁和温度等环境非常恶劣，有些在 实验室运行正常的程序到了工业现场却不能运行，或出现运行不稳定、死机等现 象。1 。本文所设计的控制系统在试验过程中也曾遇到此类干扰情况。归结干扰产 生的原因主要有3 个要素：一是干扰源，指干扰产生的元件、设备或信号，如雷 电、继电器、可控硅、接触器、变压器、电机、高频时钟等都可能成为干扰源； 二是传播路径，又称耦合通道，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通道或媒介， 一般有导线的传导和空间辐射两种途径；三是敏感器件，指容易被干扰的对象， 如a d 、d a 变换器，单片机、弱信号放大器等。 抗干扰问题是单片机控制系统设计中必须解决的关键环节之一，抗干扰性能 的优劣是衡量控制系统可靠性的一个重要指标。抗干扰就是针对干扰产生的性 质、传播途径、侵入的位置和侵入的形式，采取相应的方法消除干扰源，抑制干 第一二章拉链头自动装配机系统的总体设计 扰传播途径，减弱电路或元件对噪声干扰的敏感性，使单片机系统能面向在线正 常、稳定地运行。抗干扰技术一般分为硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术，下面 就本文所涉及的相关抗干扰技术分别加以说明。 2 5 2 硬件抗干扰技术 硬件系统的抗干扰性设计是单片机系统可靠性的根本。因此针对干扰产生的 基本要素在硬件设计时要尽量采取措施，最大限度抑制干扰的产生。 2 5 2 1 电源的抗干扰设计 许多单片机对电源噪声很敏感，故电源干扰对单片机的影响是很大的。一般 要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。如利用 磁珠和电容组成滤波电路，或使用隔离变压器滤掉高频噪声，低通滤波器滤掉工 频干扰。对要求较高的系统，可采用不间断电源，简称u p s 电源。 2 5 2 2 屏蔽干扰技术 对容易产生干扰和被干扰的部件及电路使用金属盒进行屏蔽，如：丌关电源、 高灵敏度的弱信号放大电路等。屏蔽本身要真正接地，从而使干扰电磁波短路接 地。 2 5 2 3 隔离抗干扰技术 输入、输出信号加光电耦合器隔离，可以将主机部分和前向、后向通道及其 他部分切断电路的联系，可有效地防止干扰进入主机系统。同时在i o 口、电源 线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件，如磁珠、磁环、电源滤波器、屏 蔽罩等。 2 5 2 4 接地抗干扰技术 高频电路( 一般高于i o m h z ) 应就近多点接地，以避免各地线间耦合，低频 电路( 一般少于1 m h z ) 应一点接地，以减少地线造成的地环路；频率处于 1 m h z i o m h z 之问时，两种接地方式均可。只是若采用一点接地，则其地线长度不 应超过波长的1 2 0 。交流地和信号地不能共用：对于小信号前置放大电路本身采 用一点接地，不能一个电路多点接地。a d 前置放大电路一般浮空。单片机和大 功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。 2 5 2 5e f t 抗干扰技术 当振荡电路的正弦波信号受到外界干扰时，其波形上会叠加一些毛刺。以旌 托链头自动装配机嵌入式控制系统设计 密特电路对其整形时，这种毛刺会成为触发信号t 扰正常的时钟信号。交替使用 施密特电路平 j r c 滤波可以使这类毛刺不起作用，这就是e f t 抗干扰技术。 2 5 2 6 减少敏感元件的干扰性 根据电器参数选择合理器件；尽量选用集成度高、温漂小、抗干扰性能好以 及功耗小的元器件。对于单片机闲置的i o h ，不要悬空，要接地或电源。其他 i c 闲置端在不改变系统逻辑的情况下，接地或接电源。对单片机使用电源监控及 看门狗电路。 2 5 2 7 印刷板p g b 电路抗干扰设计 随着电子技术的飞速发展，p c b 的密度越来越高。因此p c b 布线的好坏对单片 机系统的可靠性影响很大。合理布线能大大提高单片机的抗干扰性。一是电源线 设计：根据印刷线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻，降 低耦合噪声。二是地线设计：接地线应尽量加粗，最好不少于3 m m 。t t l ，c m o s 器件的地线要呈辐射网状，避免环形。而且要构成闭环路，数字地与模拟地分开。 三是注意晶振布线：晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，时 钟线要远离i o 线，晶振外壳接地并固定。四是各部件之间的引线要尽量短，电 路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号之间注意隔离。尽可能把干扰源 ( 如电机、可控硅等) 与敏感元件( 如单片机) 远离。五是布线时拐角尽可能大 于9 0 。，尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。六是元件而和焊接面应采用 相互垂直、斜交或者弯曲走线，避免相互平行以减小寄生耦合，避免相邻导线平 行段过长。尽量采用多层印刷电路板，多层板可提供良好的接地网，可防止产生 地电位差和元件之间的耦合。 2 5 3 软件抗干扰技术 由于受单片机控制系统体积和成本的限制，完全依赖硬件抗干扰是不现实 的，而且硬件抗干扰措施往往并不能完全消除干扰，因此采用软件抗干扰技术进 一步减小各种干扰，提高系统的可靠性十分必要“。目前软件抗干扰技术有多种， 常用的有系统自检和自校、指令冗余、数据冗余、软件陷阱、数字滤波、软件看 门狗等。 2 5 3 1 控制系统软件特点及失控原因 不同的单片机控制系统，其软件功能各异，各具特色，但就其软件结构而言， 1 9 第二章拉链头自动装配机系统的总体设计 一般都有周期性和相关性的特点。 ( 1 ) 周期性 控制系统软件的主程序一般是个“死程序”，在系统完成初始化后，就反复 执行主程序，同时等待中断请求。当有中断请求时，c p u b 应中断，c p u 执行完相 应的中断服务程序程序返回后，继续主程序的循环，因而在软件执行过程中存在 着大量的周期性活动。 ( 2 ) 相关性 一个单片机控制系统软件一般常由多个任务模块组成，各模块是配合工作 的，它们之间存在着多种关联因素，并且相互依赖，相互制约。 正常情况下，系统是按照周期性和相关性的秩序进行，但受到现场的干扰后， 软件的周期性和相关性遭到破坏，打乱了正常执行的秩序，导致整个系统的失控， 其失控的原因主要有： ( 1 ) 程序计数器p c 的内容发生了变化，引起程序“跑飞”，c p u 执行一系列 错误的指令从而导致系统失控。由于干扰的随机性，对m c s 一5 1 单片机来说，p c 的值改变后，可能指向6 4 k b 空间中的任意位置，比如，当p c 指向数据区或程序区 的操作数时，c p u 就会把数据或操作数误认为是操作码。可见，一旦p c “跑飞”， 在错误的引导下，c p u 可能会一错再错，执行一系列的错误指令，发出错误的控 制命令，导致系统的失控。 ( 2 ) 系统发生“死锁”