（精密仪器及机械专业论文）注塑机机械手控制系统设计.pdf

ab s tra c t ab s t r a c t t h e t a k e - o u t r o b o t f o r p l a s t i c i n j e c t i o n i s a r o b o t f o r g r a b a t w o r k p i e c e o f p l a s t i c in j e c t i o n . t h e r o b o t t a k e u p t h e s m a l l s p a c e , g o o d s t a b il it y , h i g h e f f i c i e n c y , i t i s in d i s p e n s a b l e a u t o m a t i o n e q u i p m e n t s i n p l a s t i c i n j e c t i o n fi e l d . t h e r o b o t d r i v e w i t h th e a i r p r e s s u r e , s i m p l e a n d c r e d i b i l i t y w o u l d b e s e r v i c e c o n v e n ie n c e . d i r e c t c o n t r o l s t r u c t u r e i s u s e d i n t h e c o n t r o l s y s t e m , a s a t a k e - o u t r o b o t f o r p l a s t i c i n j e c t i o n , h a r d w a re d e s i g n in c l u d e t h e i n p u t , o u t p u t , l c d d i s p l a y , k e y b o a r d , i s p , s o ft w a r e d e s i g n i n c l u d e a l a r m , m a l fu n c t i o n r e a s o n d i s p la y , t e a c h , e t c . t h e s t r u c t u r e i s c o n c i s i o n . t h e fu n c t i o n o f e a c h m o ld i s e x p l i c i t . a ft e r i n t r o d u c e t h e p r e s e n t c o n d i t i o n a n d e x i s t e n t p r o b l e m o f t a k e - o u t r o b o t f o r p l a s t i c i n j e c t i o n , t h e a rt i c l e i l l u s t r a t e d d i ff e r e n t h a r d w a r e s t r u c t u r e a n d p r o p o s e d t h e w a y t o s o l v e p r o b l e m . t h e h a r d w a r e p a rt o f t h e c o n t r o l s y s t e m c h o o s e s d i r e c t c o n t r o l s t r u c t u re , m e a n w h i l e ; t h e p l a n f o r c o n s i d e r a n t i - i n t e r f e r e n c e d e s i g n a r e u s e d f o r c a n c e l i n g t h e b a d e n v i r o n m e n t o f t h e r o b o t w o r k i n g . a l s o , p r o v i d e fr i e n d l y i n t e r f a c e f o r s h o r te n t h e t im e o f s t u d y a b o u t t h e r o b o t a n d s o f tw a r e a n t i - i n t e r f e r e n c e d e s i g n f o r m a k e 叩t h e w e a k n e s s o f t h e p a r t o f h a r d w a r e d e s i g n . c o m p l e t e t h e s y s te m a d j u s t s a n d r e a l i z a t i o n f u n c t i o n o f t h e r o b o t . k e y wo r d s : mc u ; t a k e - o u t r o b o t f o r p l a s t i c i n j e c t io n ; a n t i - i n t e r f e r e n c e 1 1 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。 据我所知，除了 文中 特别加以 标注和致谢的 地方外，论文中不包 含其他人已 经发表 或 撰写过的 研究成果， 也不 包含为 获 得 南昌大学 或其 他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ 手 “ : ; a ;f,a 签 字 日 ” : z 刀年 a z d 日 学位论文版权使用授权书 本学 位 论文 作者完 全了 解 南昌大李 有关 保留 、 使 用学 位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大李可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 手 写 二 一 万a, 乒 导师签名 ( 手写) : 签 字 日 期 : . d / 年 肛 日 签字日期: 2 v b年 “ 月 日 话编 电邮 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 第一章 绪论 造成污染。 3 ) 控制系统 对驱 动系 统进 行控制， 使执 行系 统按照预定的 要求而 运动。 控 制系统包括位置检测装置和程序控制两部分，通常采用点位控制和连续轨迹控 制两种方式。 注塑机取模机械手的技术参数影响到机械手的整体工作性能: 1 ) 抓重是指机械手抓取制品的 额定重量或载荷， 通常， 注塑机取模机械手 的最大抓重是2 千克 ( 包括夹具重量) 。 2 ) 机械手臂的 运动参数是指机械手的上下行程、 引拔行程、 旋入旋出角度 等参数。 3 ) 定 位精度是 指 机械手的 位置 设定 精度 和重复定 位精 度。 以 上的几个技术参数主要通过机械的方式来达到，作为注塑机取模机械手 控制系统设计，主要关注以下的几个问题: 1 ) 机械手的 工作效率在很大 程度上决定了 工厂生产注塑工件的效率， 机械 手 完成一套动作的时间成为循环时间， 循环时间越短， 机械手工作效率越高， 单位时间内完成的取模动作就越多，当然， 在具体工作过程中，这个时间还要 取决于注塑机的注塑周期。 2 ) 随着注塑机取模机械手的 普及化， 其市场需求量剧增， 整体价格不断下 调，为了占领国内的注塑机取模机械手市场， 在开发机械手控制系统时，必须 在满足机械手性能的 前提下， 尽量降低成本。 3 ) 机械手在抓取工 件时， 一个典型的 工作循环可能是: 机械手收到注塑机 开模完信号一机械手下降、前进、机械手夹取工件，机械手后退、上升、检测 是否夹住了工件、机械手收到一次上位信号， 注塑机关模*机械手旋出、 下降、 机械手放工件*机械手上升、触发二次上位信号、机械手旋入， 然后等待注塑 机的开模信号。 机械手与注塑机配合工作， 保证机械手运行的稳定性至关重要， 如果出现注塑机关模时机械手还停留在下行位置， 或者注塑机还没有完全开模， 机械手已开始下行等情况， 就会发生机械手与注塑机的直接触碰，造成注塑模 具或机械手的损坏，严重危及人身及设备财产安全。 目前，我国的气动取模机械手开发尚处于技术跟踪阶段。机械系统的仿制 相对比较容易实现，并开始取得一定的市场效果。 而控制系统开发则遇到了比 较大的困难，主要表现在以 下几个方面: 第一章 绪论 1 ) 可靠性问题 由 于注塑用机械手在工厂车间里工作，且机械手直接安装在注塑机上。注 塑机开关模时，负荷变化比 较大，会造成很大的浪涌电压。这种大电 流的涌动 会严重影响控制系统的正常运行。市场反应，国内仿制的控制系统的抗干扰能 力不能完全满足工作现场的需要， 程序紊乱、 死机、 设备损坏等情况时 常发生。 2 ) 工作效率 工作效率的好坏取决于注塑机的注塑周期、机械手各运动导轨、 气路中各 支路气压和软件延时，当多各因素调节合理才能达到理想的工作效率。 3 ) 开发成本 作为一种面向市场的产品，在满足设计要求的前提下， 在产品开发阶段就 致力于成本控制，这对该产品的市场生存能力至关重要。 4 ) 人机交互 由于国内生产的注塑机取模机械手控制系统仿制国外产品时，主要注重功 能实现而忽视了 人机交互能力的研究， 操作界面不够人性化，同时对操作人员 的素质要求比较高。 5 ) 系统升级能力 控制系统的软件通过烧写器写入单片机，不支持在系统编程能力，软件升 级比较困难。 因为注塑机取模机械手可以在很大程度上提高生产率和降低生产成本，能 够稳定和提高注塑产品的质量， 避免因为人为的操作失误而造成不必要的损失， 所以，注塑机取模机械手在注塑生产中的 作用将会变得越来越重要7 1随着我 国注塑工业的迅猛发展，将会有越来越多的机械手用于上料、混合、自 动装卸 模具、回收废料等各个工序上，并且将向着智能化的方向发展. 受宁波世控自 动化科技有限公司的委托，我校承担了该公司旋臂系列机械 手的 控制系统开发任务，以 促进该公司注塑 机取模机械手国产化整体技术的 提 升。 1 . 2 . 2课题完成的任务 作为系列注塑机取模机械手控制系统研究的第一阶段， 本课题主要针对单 旋臂式注塑 机取模机械手的 控制要求而展开， 具体研究内 容包括:硬件电 路设 第一章 绪论 计和软件编程两大部分。其中，硬件电路包括开关量输入输出 模块、液晶显示 模块、键盘模块、中继控制模块、i s p模块、串口通讯模块和电源转换模块; 软件部分包括液晶菜单设计、机械手固定动作程序设计、机械手示教模式程序 设计、 报警设计、l a p数据存储设计、 机械手动作状态设计和示教动作存储设 计。 本课题所研制的单臂注塑机取模机械手控制系统的主要特点是: 1 ) 硬件部分 采用模块化设计，自 行设计 通用接口， 尽可能的 减小电 路板空 间占 有量， 在电 气、机械性能上得以 增强，可靠性高。 2 ) 采用增强型单片机， 大容量的程序存储器、 数据存储器和闪存都集成 在 一块单片机内， 减少了电路板上的元器件数目。 3 ) 从 硬 件 和软 件两 个方面 加入抗干 扰措 施， 提高系统的 抗 千 扰能 力. 4 ) 采 用i a p 方式 存储机械手的 动作示 教 和设置 参数， 方便 可靠. 5 ) 在电 路 板 上 特别 增加了i s p 模块和软 件的 模 块化编 程都 方便 程序 调 试 和 以后的软件升级。 1 . 3课题的意义 本课题涉及到机械技术、电子技术、气动技术等多个学科。通过本课题的 工作，不仅可以实现注塑机取模机械手的单片机控制，而且对于多学科交叉、 渗透与交流有积极的促进作用。 目 前，国内厂商所用的注塑用机械手的控制部分，大部分是购买国外的 控 制板，国内的控制板由于稳定性和抗干扰效果不理想，运行故障率比较高。本 课题以加强稳定性和抗千扰能力为切入点，注重成本的降低.希望通过这一课 题的 研究， 达到注塑用机械手在我国得以 推广的目 的。 同时， 本课题将对经济性， 可靠性为实用化指标的追求贯彻研究的全过程， 为改变高校科研成果“ 重水平，轻应用” 的普遍现象进行了 有益的尝试。 第二章 注塑机取模机械手控制系统的总体设计 第二章注塑机取模机械手控制系统的总体设计 2 . 1控制系统的总体方案 目 前，在市场上的注塑用机械手的种类主要有单悬臂式机械手、双悬臂式 机械手、 双臂横走式变频机械手、单轴伺服双臂横走式机械手、三轴伺服双臂 横走式机械手等，对于不同的注塑用机械手，其动作要求略有不同。详细要求 见表 2 . 1 表2 . 1 不同机械手的动作要求 动作 型 号单 旋 臂 式 双旋臂式双臂横走式 夕、.习 月yj丫月丫 月习月习月丫 口m日.丫.习 上下 引拔进退 旋入旋出 横走 吸夹 定点放置位置 j( 无吸)a j 本文主要研究的是单旋臂式注塑机取模机械手，这种注塑机取模机械手需 要完成的动作有:上行，下行、引拔进、引拔退、旋入、旋出、夹、夹放、吸 和吸放。这1 0 个动作相互组合，完成相应的动作安排. 表2 .2 机械手动作行程要求 序号动作 上下 前后 旋出 爪旋 名称 程 (mm) 程( ) 角 度( 0 ) 角 度( 0 ) 范围 5 5 0 mm 1 2 0 mm 5 0 - 9 0 行行 工作 5最大夹取负 荷 ( 含 夹具重量) ( k g ) 2 这1 0 个单步动作并不是任意的组合都可以 进行， 为了 机械手的正常、 安全 ，必须妥善处理以下动作之间的联锁控制: 第二章 注塑机取模机械手控制系统的总体设计 1 ) 在 机械手 下 行位置时， 机 械手不能进行旋 入、 旋出 动 作。 z ) 机械手 在完 成一 套动作 后 必 须回 到原始 位置. 3 ) 由 于 机械手 是和 注塑 机配 合 工作， 所以 在机 械手开 始 第 一个动作之前， 要等待注塑机开模完信号。换句话说，在开模完信号到来后，机械手工作，在 开模完信号没有到来时，机械手等待。 4 ) 在 机械手同 时处 在旋入状 态 和下 行位置时， 不能向 注 塑 机发允许关 模信 号。 当发现以上错误时，根据当时机械手和注塑机的不同情况，机械手给注塑 机不同的控制方案: 1 ) 机械手 在 上 行位置时 按下 急 停按钮， 机械 手立即 停止工 作， 并 使允许关 模信号无效，此时如果注塑机没有关模，则由 于注塑机没有收到允许关模信号 而处在待机状态。如果注塑机己 经关模，则注塑机在正常完成一次注塑工作后 开模，等待允许关模信号。 2 ) 如果机械手在下行和旋入 位置时按下机械手急停按钮， 机械手立即 停止 工作，并给注塑机发机械手急停信号，此时注塑机立即停止工作。 2 . 1 . 1机械手控制系统典型方案 针对不同类型的注 塑用机械手， 采用不同的 硬件连接结构。 主要分为 以下两种: 1 ) 直接控制结构， 在这种硬件结构设计中， 硬件部分只要分为主控 制板、 中继板、 键盘板和 液晶显示电路板， 对机械 手的控制是通过主控制 图2 . 1 直接控制结构 板直接对中继板发控制信号，中继板上的继电 器根据主控制板的控制信号对机 械手进行相应的动作控制。 主控制板、 键盘板和液晶显示模块经过合理设计后 被安装在控制盒中，继承性好，外部通过一根电缆连到中继板上，实现对机械 第二章 注塑机取模 机械手 控制系统的总体设 计 手的直接控制。如图2 . 1 所示 这种硬件结构的优点是: 硬件结构简单， 主c p u对机械手的各运动机构进 行直接控制，适用于单旋臂式注塑用机械手和双旋臂式注塑用机械手。 这种硬件结构的不足之处是:由 于硬件结构相对简单，唯一的控制单元核 心要负责检测键盘、 液晶显示、 输出机械手的动作和检测输入点等大量的工作， 这对处理器的处理能力和即时性提出了 挑战， 而且输入输出点有限， 控制集中， 只能适用于悬臂式机械手等紧凑系统，而对于相对大型的横走式机械手则无法 适用。 2 ) 命令控制结构，其硬件部分主 要分为主控制板、 键盘板、 液晶 显示板、 中继板和端子板。在这种硬件结构设计中，端子板接收来自 主控制板的串口指 令，而主控制板负责键盘 识别、液晶显示和对端子 板发命令，而端子板根据 主控制板发来的串口命令 来对端子板上的继电器进 行开关操作，以达到控制 机械手动作的目的。如图 2 .2 所示。 这种硬件结构的优点 是:在端子板上专门由一 块c p u负责 机械手的 输入 输出控制，以利于实现更 图 2 . 2 命令控制结构 加复杂的注塑机取模机械手的检测与运动控制，同时使得各个模块的功能区分 更加明确， 对于变频或者伺服型的注塑用机械手，可以 加上变频电 路模块或伺 服电路模块，适合于双臂横走式注塑用机械手 这种硬件结构的缺点是: 硬件设计相对复杂，开发周期长，指令通过串口 总线电缆发送到端子板上的单片机，资料的串口 传输减弱了整个控制系统的抗 干扰能力 s 1 第二章 注塑机取模机械手控制系统的总体设计 2 . 1 . 2常用核心处理器 1 ) 单片机 单片机具有较高的集成度，特别是当前比较流行的增强型单片机，一块芯 片 上 集成了c p u , r a m , r o m ( e e p r o m或e p r o 峋、 时 钟， 定时 器。 外 部中 断、模数转换、数模转换、s p i , p wm, p c a , i s p , lap等诸多功能，价格从 几圆到几十圆 不等， 但总体来说比 较便宜18 。 其缺点是处理速度相对较慢，当要处理的数据量特别是浮点运算工作量比 较大、实时性和精度要求比较高时运用单片机开发控制系统就比较困难了. 2 ) a r m a r m核处理器 3 2 位处理器，是具有高性能、廉价、低功耗的r i s c处理 器，同时，a r m处理器可以支持s 位、1 6 位、3 2 位数据类型，采用流水线来 增加处理器指令流的速度， 锁相环技术进一步提高指令运行速度u .。 可以 嵌入 操作系统，运用于更加复杂的操作对象。 其缺点是开发周期长，多用于嵌入式运用。 3 ) d s p d s p 器件具有很高的集成度，运行速度更快，多级流水线和内置的高速硬 件乘法器，并且提供了高度专业化的指令集， 这些都提高了f f t快速傅里叶变 换和滤波器的 运算速度【 10 ， 所以d s p 器件多 用于以算法为主的嵌入式系统. 其缺点是开发难度相对比较大，而且d s p 器件的价格也不便宜。 上述的选择方案各有优缺点，对于控制系统的设计不需要选择速度最快的 硬件器件，而是在达到设计要求的前提下，尽量降低系统的运行速度和开发成 本。这样也提高了系统运行的稳定性。 2 . 1 . 3本控制系统采用的方案及选用的核心处理器 本控制系统的开发主要是针对单悬臂式注塑用机械手，在机械臂工作时， 运用一个机械手胃， 从注塑机中吸或夹出注塑成型好的工件，通过对此机械手 运动要求、注塑机通信和检测机械手运动位置的研究，得出单旋臂式注塑机取 模机械手一共需有1 3 个输出点和9 个输入点。 考虑到注塑用机械手的工作环境， 根据以上的论述，在硬件结构上，选用直接控制不但可以 完全胜任对此型号注 塑机取模机械手各个动作的控制安排， 而且硬件结构紧凑， 开发周期短。 同时， 第二章 注塑机取模机械手控制系统的总体设计 考 虑到 此 款 机 械手 控制 工 作 量 较 小， 以 及 需 要 在 车间 恶 劣的 环 境 重 可 靠的 运 行， 根据前文的叙述， d s p 更加注重于算法， a r m适合于复杂的嵌入式系统， 而普 通8 位单片机注重对突发事件做出相应，故本系统采用单片机作为控制核心比 较合适。 2 .2控制系统功能及基本解决方案 2 . 2 . 1 控制系 统功能 要求 单悬臂式机械手要配合注塑机的工作完成注塑工件的提取，在设计过程中 要考虑注塑机提供给注塑机取模机械手的信号接口。同时，为了使操作者能够 方便地对注塑机取模机械手的操作、控制和编程，经与课题委托方共同讨论， 确定控制系统功能要求如下: 1 ) 主 控 制板、 键盘和 液晶 显示 模板安 装 在同 一 个控 制盒里， 设 计时 要确定 合理的电路板尺寸，努力减少体积和控制盒重量。 2 ) 考虑到 注塑用机械手的工作环境比 较恶劣， 特别是在注塑机开关模时， 电路中的电流变化比较大，故硬件布局和电路走线要合理，在电路设计时应重 点进行抗干扰设计，提高控制系统的抗干扰能力。 3 ) 根据机械手的 运动状态， 要有明 确的 状态显示， 能完成对机械手动作示 教和相关动作设置。 叼根据机械手的动作要求， 设计适当 数量的 按键， 方便工作人员对机械手 操作。 5 ) 机械 手应具有自 诊断 与 故障 报 警功能， 当 故 障出 现时， 系统 会自 动对故 障原因给出一个初步的诊断. 6 ) 合理设置 气路 气压、 机 械手各动作的 延 迟时 间 等 影响 机械手工作 效率的 参数，提高机械手运动速率， 减少机械手每套动作的运动周期。 2 .2 .2控制系统基本解决方案 针对以上的功能要求， 本文采用以 下基本解决方案: 1 )为方便工作人员操作机械手，机械手控制盒的设计需尽量小巧、轻便， 第二章 注塑机取模机械手控制系统的总体设计 为达到这一设计要求， 在电路板设计中，可全采用贴片 ( s m d ) 元件，电路布 局紧凑， 采用内 含大容量r a m 的高性能单片机等，以尽量减少电路板上的芯 片数目，简化系统。 2 ) 工 业控制设 备都 非常 注重 安全性， 本 控制 系 统同 样也非 常 重视机械手工 作时的设备和人身安全。目 前， 在抗干扰方面，有很多行之有效的结构，比 如 在电源端加入压敏电阻、 磁珠， 在输入输出通道加光电隔离器、 低通滤波器等， 都能有效提高系统的抗干扰能力。同时，可采用wd t( 看门 狗定时器)技术、 软件冗余技术、软件陷阱技术、容错技术等手段来提高软件系统的可靠性。 3 ) 键盘可以 完 成机 械手的 动作示教和 相关 动作设计， 键盘的 设 计形式比 较 单一，主要是按键数的安排，按键太多，软件设计相对简单，但增加了硬件设 计的复杂程度，按键少，虽然硬件相对简单，但是增加了软件设计难度。本系 统所需按键很多，因此，需采用一定的软件措施来简化键盘操作、减少实际使 用的按键数。 4 ) 显示模块在当 前的 控制系 统中 非常 常见， 通常 采 用l e d . l c d显示。 l e d可以显示简单的亮灭状态，而 l c d可以设计菜单，显示更复杂的内 容， 完成多样化的操作。 在进行注塑机取模机械手操作和使用过程中，需要通过显示模块显示系统 状态，并进行复杂的人机交互，如: 光标移动功能 数值设定功能 功能灯显示功能 机械手当前动作显示功能 菜单导航功能 机械手急停、软件复位显示 机械手成套动作显示功能 机械手总运行次数显示 软件系统版本显示 除上述以外，在机械手示教功能中，对示教是否成功判断结果显示、实时 的 机械手位置显示和机械手 基本故障原因显示等功能都加大了 对显示模块的要 求。 所以， l c d显示器是本系统的不然选择。 第二章 注塑机取模机械手 控制系 统的总体设计 5 ) 软件采用模块化编程， 在研究机械手功能要求和稳定性要求的 基础上， 软件功能 从以 下6 大方面进行规划: 控制系统页面操作方面: 菜单导航功能 机械手状态实时显示功能 机械手动作控制与检测方面: 机械手单步运动功能 机械手成套动作控制功能 机械手位置检测功能 机械手示教功能 资料存储 ( i a p 方式) 方面: 机械手动作设置存储功能 机械手示教资料存储功能 机械手运行时间参数存储功能 断电与急停时，机械手位置资料存储功能 机械手总运行次数存储功能 机械手控制系统中，除了s 套固定动作外，可容纳 1 2 套示教动作，每 套动作可以至多示教2 0 个步数，带记忆，可更新。 安全性 程序运行紊乱时，通过硬件wd t( 看门狗定时器)技术，机械手保持当 前位置不动，注塑机停止工作动作间的联锁控制 支持i s p 程序下载 下面将从软件和硬件两个方面来讨论机械手的具体实现方案. 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计 3 . 1引言 作为一个完整的控制系统， 硬件部分的合理设计对于整个控制系统的正常、 稳定工作是非常重要的。本章在研究注塑用机械手在工厂车间的工作环境的基 础上，详细介绍了输入输出通道、液晶显示端口、键盘扫描和读取端口 和中继 板等全部硬件电路设计方法和成果。 3 .2硬件模块设计 硬件部分采用模块化设计，能够将复杂的系统划分成任务单一的模块，既 有利于团队并行展开工作和系统维护与检修，也能实现项目间 模块设计成果的 通用化。 模块化设计要求根据具体的实际情况和要求来组成系统，在组成一个 系统时，各个模块之间不能相互干扰，要协调工作，完成相应的功能。 按照单旋臂式注塑机取模机械手的动作和操作要求:输出 通道用于输出 控 制机械手信号和给注塑机相应的信号、输入通道检测接近开关的信号、液晶用 于显示当前机械手的工作状态以及菜单、键盘用于键盘扫描和键盘读取。从功 能上看，本控制系统可以分为7 个模块，如图3 . 1 0 每一个模块需负责的任务如下: 1 )电 源模块 本控制系统采用a c 2 2 0 v / 5 0 h z电源供电， 中级板对电 源要求是d c十 2 4 v , 主控制板是d c + 5 v . 2 ) i s p 模 块 i s p( 在系统编程) 模块负 责从计算机上下载程序代码到单片机中， 方便代 码编写、调试和软件升级。 3 ) 输入通道 输入通道负责把接收接近开关的 信号 和来自 注塑机的 控制信号传输到单片 机中，检测机械手的动作状态。 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计 4 ) 输出 通道 输出通道负责把单片机的输出控制信号传输给机械手产生相应动作、传输 给注塑机，实现机械手和注塑机的动作配合。 5 ) 键盘 及状态灯 在菜单确认、光标移动、相关功能设置和动作编辑等操作中，都需要键盘 参与，为了合理完成机械手功能和降低硬件设计的复杂程度，可能有些按键还 必须具有复用功能。 键盘端口主要用于键盘扫描、键值读取和状态灯编辑接口，状态灯用于显 示机械手和注塑机的关键信号。 采用状态灯是为了 方便机械手的故障检修和动 作调试。 6 ) 中 继板 中继板负责对机械手发控制信号和接收来自 机械手、注塑机的状态信号， 此板工作电 压为d c 2 4 v . 7 ) 液晶 显示 模块 液晶显示用于显示机械手位置状态、动作编辑、菜单显示和机械手动作设 置等内容。 图3 . 1 模块结构图 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计 3 .3电源模块和电源电路设计 电源模块是整个控制系统的重要部分，电源选择影响系统的工作稳定，本 控制系统中，由于机械手整机由a c 2 2 0 v / 5 0 h z 供电，考虑到主控板对电源的 要求高于中 继板，同时中 继板电压高于主控板， 采用一次电 压变换为d c 2 4 v , 二次稳压转换为d c 5 v 。在中继板采用d c 2 4 v d供电，主控制板为d c 5 v供 电，电源具体要求如下: 1 ) 十 2 4 v ， 该电 源向 中 继 板 供电 。 为 继电 器 提供线圈 驱动电 压。 采用富 士 通继电 器r y 2 4 w - k . + 2 4 v供电 ， 吸 合电压d c 1 6 .8 v ， 释放电 压d c 1 .2 v ， 功 耗2 0 0 m w。因此，对电 源电压稳定性要求并不高。 2 ) 十 5 v ， 为主 控制 板供电。 该电 源是 数字电 路电 源， 主c p u的 供电电 源 要求在4 . 5 5 .5 之间，而外部的ttl电路的供电电源要求在4 .7 5 5 .2 5 之间。 3 . 3 . 1变换 按照系统选择的a c / d c变换方案，需要一个转换单元来承担以d c + 2 4 v 为输入，获得主控板所需d c + 5 v的电 源变换，该电源在功率、电源稳压性和 波纹度等方面必须满足主控制板上芯片的工作要求。 在主控制板上共使用了1 2 片7 4 系列的芯片，按平均水平统计， 每片芯片 工作时的功耗为1 2 0 m w， 不同型号芯片或相同型号芯片不同厂家生产的可能略 有不同。系统其它芯片还有:一片m a x 2 3 2 ，功耗约为7 6 0 m w;主c p u在外 部晶 振为2 4 mh z的情况下， i a p模式下的电 流为7 0 m a ,i d l e 模式下的电流为 9 . 5 m a ， 正常模式下电流为2 5 m a ; 液晶屏背光功能要消耗较大的电 流， 最大为 3 7 5 m a ，其它的电容、电阻和小芯片可以忽略，则在主控制板上，消耗的功率 为: 1 2 0 mwx l 2 +2 5 max 5 v+3 7 5 max 5 v=3 . 4 4 w 在设计转换电源时，需要考虑降额设计，在主控制板实际消耗功率的基础 上乘以1 4 0 %，于是得出以下: 3 . 4 4 wx l 4 0 %=4 . 8 1 6 w 根据当前市面上电源转换模块的型号和种类， 选择北京星原丰泰电子技术 有限公司的一款十 2 4 v转十5 v ，电 流 i a ，功率5 w，单路输出d c / d c模块， 此款d c / d c 模块在8 0 %的 额定负载下， 纹波峰峰值小于1 % , 输出电压精度在 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计 6 0 %的额定负载下变化小于士 1 %0 选用d c / d c 进行电 源隔离， 完成不同电 压之间的转换， 可以 保证电 路不受 电源中的信号干扰。 由于d c / d c本身也是一个电磁干扰源， 故为了减少其电容 性祸合和电 感性祸合， 必须优化d c / d c的电路板布线， 在布线时采用以 下两个 方面来减小或消除其电 容性祸合和电 感性祸合d 1 , 用平面布线方式接电源线和地线. 输入线和输出线要明显的区分，和周围元器件的连线短而宽，以减小 噪声，输出电容和d c / d c尽量靠近，减小电流回路。 d c / d c相关外围电路如图3 .2 所示。 图3 . 2 电源转换电路 图3 .2中，对应 v c c的地 g n d和对应+ 2 4 v的地a g n d在电容 c 3 2 处相 连，然后接到大地上。 3 . 3 . 2 a c / d c变换 a c / d c电源转换完成交流2 2 0 v交流电源转换成低压直流电压的任务，根 据转换任务对直流电源的不同 要求， 可采用以下两个方案: 变压器方案 运用变压器交流变压， 然后经过整流、滤波达到系统所 需直流电压。 开关电源方案直接选用成品开关电源。 变压器方案能够方便地通过多次级绕组方法，经整流、滤波后，再使用集 成稳压模块，获得独立的d c +2 4 v和d c +5 v电源，电源间干扰小，直流 输出的电 压波纹度小，是工业控制领域中常用的电源解决方案。 开关电 源具有品 种多、 种类全、 价格低、 允许输入电 源波动范围大的 特点， 是工业控制领域的一种电源新方案。计算机系统中己经普遍采用开关电源为系 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计 统供电 。 但是， 开 关电 源 输出 直 流电 压的 波 纹 度 相 对于 变压 器 供电 的 方 式 来 讲 明显偏大，且对周边构成一定的电磁干扰，因此，在需要精密稳压电源的场合 ( 如仪器放大器等) ，开关电源的后续处理比较麻烦，适用性受到限制。 本系统全部为数字电路，并考虑到工业现场电网电压波动较大可能对控制 系统产生的不利影响，适合采用开关电源方案。 进一步比较系统所需双电源， 主控板对电 源品质的要求高于中继板， 而中 继板所需电压及其功率高于主控板， 考虑单路输出的开关电源的市场价格明显低于双路输出开关电源的实际情况， 系统没有选用变压器方案，也没有选择双输出开关电源方案，而是选择了 a c / d c开关电源一次电压变换为d c 十2 4 v为中继板供电， d c / d c二次电压变 换为d c +5 v的方案。 在对d c / d c模块的讨论中，已经明确选定最大功率为5 w的d c / d c转换 模块， 在a c / l (转换部分，要考虑d c / d c部分的功耗。本控制系统中， + 2 4 v 电源主要是给触点继电器供电， 根据设计要求， 采用8 个触点继电器， 功耗为: 2 0 0 mw x 8 =1 . 6 w 在a c / d c设计中，同 样采用降额设计， 则: 1 . 6 w x 1 4 0 %=2 .2 4 w 整个系统的 最小功耗为: 2 .2 4 + 5 = 7 .2 4 w 考虑到继电器的电压要求、二次电压变换的功率要求和电路中的最小电 流 要求，选用 me a n we l l的 s - 4 0 - 2 4 ，输出电压为十 2 4 v ，电流为0 . 2 2 .2 a . 波纹度为土 5 %。 3 . 4 c p u . i s p . 输入、输出 通道模块及其电路设计 3 . 4 . 1 c p u选用及其性能介绍 在当前市场上有很多品牌的m c u ， 性能优良 、 价格低廉， 本控制系统设计 中，考虑到要加液晶屏，菜单编辑必将使程序代码较长，故选用一款大容量闪 存的 处理器s s t 8 9 e 5 6 4 ， 具有5 1 内 核， 其功能 特性如下 12 1 - 兼容8 0 c 5 1 系列，内置大容量f l a s h存储器 1 k 8 内部r a m 时钟频率0 -4 0 mh z 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计 两块f l a s h e e p r o m, 6 4 k x 8 的基本存储块和8 k x 8 的二级存储块( 扇 区大小为1 2 8 字节) ， 独立的块加密， i a p 下并行操作，块地址重映射 最大片外程序/ 数据地址空间为6 4 k x 8 三个高电流驱动引脚，每个1 6 m a ，可直接驱动l e d 三个 1 6 位定时器/ 计数器 全双工增强型u a r t ，帧错误检测，自 动地址识别 9 个中断源，四个中断优先级 看门狗定时器 可编程计数阵列 掉电 检测 ( 可设置为产生中断) 降低e mi 模式 ( 通过a u x r s f r ，不允许a l e输出时钟) 四个 8 位i / 0口 ( 3 2 根输入输出线) 双 d p t r指针 s p i 串行接口 兼容t t l 和c m o s 扩展省电 模式， 有i d l e 模式， 由 外部中断唤醒的省电模式， s t a n d b y 模 式 131 单旋臂式注塑机取模机械手用于在注塑机完成注塑工件后，从模板中取出 工件， 机械手运动期间， 注塑用机械手不能碰到模板， 要按照既定的动作安排， 安全可靠地运行，当注塑机取模机械手与注塑模板触碰时，必然引起上位信号 异常，使机械手和注塑机停止工作。在异常情况下， 还可以 通过控制盒上的急 停按钮使得机械手和注塑机停止工作。 当按下机械手急停按钮 ( 此时i i 处无连 接) ， 机械手会立即停止动作， 然后给注塑机发机械手急停信号， 使注塑机也停 止工作。机械手急停按钮接到c p u的外部中断0 ，且在软件上设置中断级别最 高，当急停按钮弹起时 ( 此时j 1 处连接) ，控制系统复位， 机械手和注塑机可 正常工作。其电路设计如图3 .3 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计 图3 .3机械手急停电路部分 3 . 4 . 2 i s p及其电路设计 本控制系统中，硬件电路搭建结构，软件实现各种具体的功能，在任何一 个控制系统中，都少不了软件和硬件的配合，同样，本控制系统同样也需要软 件， 在编好软件代码后，需要把代码下载或烧写到程序存储器中，有两个方法 可以达到这样的目的: 使用i s p ( i n - s y s t e m p r o gr a m ， 在系统编 程) 采 用在系 统 编程， 将程 序代码通过串口 直接下载到单片机r o m中。 使用烧写器 使用专门的 烧写器和烧写器供应商提供的软件，把程序 代码烧到单片机r o m中。 程序代码的不同下载方式并不影响机械手的正常工作。使用烧写器，不用 设计专门的串口电路，但是在每次调试程序，把程序烧写到芯片中时，都必须 从主控制板上把芯片取下来，放到烧写器的芯片插座上，这样频繁的操作必然 不利于程序的调试和芯片寿命。采用 i s p方式，需要自 行设计一个串口电路， 但是带来的好处是方便程序下载和程序调试，在机械手出厂后，如果软件被无 意破坏，不需要拆开换硬件，只需接上电脑，把程序重新下载一遍即可，方便 了维修。 而且选用的s s t 8 9 e 5 6 4 支持i s p 方式， 这款芯片在出厂时， 单片机内 部固 化了b s l ( b o o t - s t r a p l o a d e r ) 引 导 程 序， 为了 方 便 程 序调 试 和 升 级， 选 用 了i s p 方式下载程序代码。i s p 模块的电路如图3 . 4 所示 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计 图3 .4 i s p电 路部分设计 在系统编程是通过一个单片机上的串口和计算机上的串口相连， 运用 s s t 单片机供应商提供的下载软件，把程序代码下载到单片机中。 计算机的串口 用的是r s -2 3 2 c标准，r s -2 3 2 c在逻辑电平上做了 规定: 逻辑 1 逻辑 0 -5 一 1 5 +5 - +1 5 显然， r s - 2 3 2 c是用正负电压来表示逻辑，与t t l以高低电 平表示逻辑 状态的规定不同，所以 在图3 .4中， m a x 2 3 2 用于串口r s - 2 犯与t m 电 平之 间的转换。 在 下 载程 序 代码时 ， 用s s t 单片 机供 应商 提 供的s s t e a s y l a p .e x e 下 载 软 件 ， s s t e a s y l a p e x e 程序可以自 行决定最适合的 波特率 ( 基于目 标m c u的 外部晶 振频率，从1 到4 0 h z ) 、自 动检测串口连接、自 动升级到最新f n mw a r e 版本、 设定 / 改 变 密 码 来 保 护f l a s h内 容、 和 按b y t e 修 改f l a s h的内 容 14 1 。 在 下 载 用户程序前，先完成串口的有关设置后就可以点击下载按钮，然后给单片机上 电， 单片 机上电 后， 按照此款单片机( s s t 8 9 e 5 6 4 ) 的出 厂设置， 先从b l o c k i 开始执 行b s l 程 序 ( b o o t - s tr a p l o a d e r ， 主 要用 来 探测p c预先设定 的r s 2 3 2 的波特率， 写沁校验密 码以 及防止未允许从f l a s h存储块中获取代码 / 数据和 执行i a p 操作) ， b s l 程序会读单片机的u a r t口，检测是否接收数据， 如果 接收到有效数据， 就会下载程序代码到b l o c k o 中: 如果没有接收到或接收的 是无效数据，b s l就会重置单片机，然后跳到b l o c k o的o o o o h执行用户程 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计 序。如图3 .5 图3 . 5 单片机上电流程 3 . 4 .3输入通道及其电路设计 本控制系统的输入量全是数字量输入，外部的数字输入量主要来自 安装在 注塑机取模机械手和注塑机上的接近开关。对于数字输入量，主要有两种应对 方法: 非ttl电平信号:光电隔离防抖*整形一单片机 ttl电平:光电隔离*防抖*单片机 在本控制系统中， 使用的接近开关是阳明电 机股份有限公司的p s - 0 5 ， 最 大检测距离是5 m m , n p n型，电 源为+2 4 v ，当机械臂在5 m m以 外时，输出 为1 2 v ，当机械臂在5 m m以内时，输出为o v , 输入通道电 路设计如图3 .6 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计 图3 .6 输入通道电路设计 在图3 . 6 中， 7 4 l s 2 4 5 为8 总线接物发送器， 可以 双向 输入、输出， 其数 据传输方向 见表3 . 1 所示 1 5 1 . 表3 . 1 7 4 l s 2 4 5 真值表 控制信号数据传输方向 e d i r ba8 h x高阻 p c 8 1 7 为光电隔离器，在p c 8 1 7 的两端无电路连接，各用独立的电源和接 地端，提高了系统的抗干扰性。 在光电隔离器的 输入端，通过电阻和接近开