（机械电子工程专业论文）某堆栈单元的结构与控制系统研究.pdf

硕士论文 某堆栈单元的结构与控制系统研究 摘要 i 眦y 帆2 黜0 帆6 黜眦1 凇7 m 2 玳0 蕊 随着人工智能化的日益普及，自主化供货系统的研究也越来越受到更多的关注，本 论文正是基于此背景开展了对某供货堆栈单元的结构和控制系统进行研究，确定了以堆 栈单元结构、分布式控制系统和c a n 总线通信方式为核心的系统整体方案。为了实现 单元的装货、选货、开锁及供货功能，本文对各功能模块进行了分析，并设计了单元的 结构与控制方案，其中控制系统的设计、实现与调试是本文重点解决的问题。 在方案确定完之后，本文分别对单元的关键部件进行了选型分析；对部分部件的特 性进行了进一步的理论分析；对单元的控制系统的软硬件进行了重点设计分析。其中硬 件的设计分析包括了系统整体构架的功能分配、电机控制电路的设计、电磁铁驱动电路 的设计、开关计数传感器和光纤传感器电路的设计、c a n 总线通信电路的设计、电源 电路的设计、调度模块与上位机选型及电路可靠性设计等，并进行了选型，p c b 板制作 和实验调试。软件设计主要是对软件进行编写、调试和改进。通过对系统的工作流程及 各功能模块控制方法的分析，确定了单元测控软件的整体设计方案，对软件的通讯协议 的设计进行了重点研究，对单元测控软件的主程序和各子程序进行了系统的设计与机电 联调。此外，本文还专门设计了系统的自诊断程序用于提高单元工作的可靠性，设计了 堆栈单元测试程序用于各功能模块的单独调试。 为了验证堆栈单元结构和控制系统的可靠性，本论文展开与相关工厂的合作，搭建 了实验平台，利用l k g 1 5 0 和l k - g 4 0 0 的激光传感器等检测手段，对堆栈单元的的运 动情况进行了特性分析，验证了系统设计的可行性和初步自主化能力。 关键字：供货系统，单片机，c a n 总线，可靠性 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e s p r e a do fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，s t u d yo ft h ei n t e l l i g e n ts u p p l ys y s t e mw a s p a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d , t h i sp a p e rs t a r t e ds t u d yo ft h e s t r u c t u r ea n dc o n t r o ls y s t e mo fs u p p l ys t a c k u n i t s t a c k u n i ti sa ni m p o r t a n tp a r to fa s u p p l y s y s t e m as y s t e m s o l u t i o nw a se s t a b l i s h e dw i t hd i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，w h i c h c o m m u n i c a t e sw i t hac a nb u s e a c hu n i ti sa l li n t e g r a t e ds u p p l ys u b s y s t e m i ti n v o l v e s s i g n a la c q u i s i t i o n 、f e e d b a c km o d u l ea n de x e c u t i o nm o d u l e i no r d e rt oa c h i e v ef u n c t i o n so f g o o d sl o a d i n g ，s e l e c t i n g ，u n l o c k i n ga n ds u p p l y i n g ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e s ef u n c t i o n sa n d d e s i g n e dt h eu n i ts t r u c t u r ea n dc o n t r 0 1 t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mi st h ek e r n e lw o r ko ft h i s w o r k a f t e rt h ed e s i g nw a sd e t e r m i n e d ，t h i st h e s i si n t r o d u c e dt y p es e l e c t i o no ft h ea d o p t e dm a i n p a r t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i so fm a i np a r t s c h a r a c t e r i s t i c sa n da n a l y s i sa n dd e s i g no ft h ec o n t r o l s y s t e m ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h eh a r d w a r ed e s i g ni sm a i n l ya b o u tt h es y s t e mf u n c t i o n a l l o c a t i o n , t h ed e s i g no ft h em o t o rc o n t r o lc i r c u i t ，t h ee l e c t r o m a g n e tc o n t r o lc i r c u i t ，t h ed i g i t a l s w i t c hs e n s o r sc o n t r o lc i r c u i ta n dl i g h ts e n s o rc o n t r o lc i r c u i t ，c a n b u sc o m m u n i c a t i o n c o n t r o lc i r c u i t ，t h er e l i a b i l i t yf o rs c h e d u l i n gm o d u l ea n dt h et y p es e l e c t i o no fp ca n de r e t h e nt h ee l e c t r i c a lc o m p o n e n tt y p es e l e c t i o na n dt h ep r o d u c eo fr e q u i r e dp c b sw e r e p e r f o r m e db e f o r ee x p e r i m e n t s t h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e dm a i n l yt h es o f t w a r ee d i t i n g ， d e b u g g i n ga n di m p r o v i n g t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs y s t e mw o r kf l o wa n df i m c t i o nm o d u l e s ， t h eu n i tc o n t r o ls o f t w a r e sd e s i g ns c h e m ew a sd e t e r m i n e d m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i df o r t h ed e s i g no fs o f t w a r ec o m m t m i c a t i o np r o t o c 0 1 m o r e o v e r , i no r d e rt od e v e l o pt h er e l i a b i l i t y o ft h eu n i t s p e r f o r m a n c e ，s e l f - t e s tp r o g r a m sa n ds t a c ku n i tt e s tp r o g r a m sw e r ea l s od e s i g n e d i nt h i sw o r k i no r d e rt ov a l i d a t et h er e l i a b i l i t yo ft h es t a c ku n i ts t r u c t u r ea n dc o n t r o ls y s t e m ，t h i sw o r k h a sc o o p e r a t e dw i t hs o m ef a c t o r i e st ob u i l dt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m t e s tr e s u l t sv e r i f i e dt h e f e a s i b i l i t yo f t h es y s t e md e s i g na n dp r e l i m i n a r yi n t e l l i g e n to ft h es y s t e mb yt e s ta p p a r a t u sl i k e i 。k g 15 0 、i ，k g 4 0 0 k e y w o r d s ：s u p p l ys y s t e m ，m c u ，c a nb u s ，r e l i a b i l i t y 硕士论文 某堆栈单元的结构与控制系统研究 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 本论文以相关项目为背景，对某一堆栈单元的结构和控制系统进行研究，是一个典 型的机电一体化自动控制设备。该设备应用广泛，不但可以被应用于军事上的远程控制 设备，也可应用于民用的智能化输送机及进给设备等。 本论文研究的堆栈单元是某供货系统中的储货单元，并且是整个供货系统的关键子 系统，所以单元性能将决定供货系统的整体性能好坏。由于本供货系统的货品为直径为 2 7 m m 的圆柱品，且工作状况和使用环境与供弹系统比较相似，所以本供货系统借鉴了 供弹系统的供弹原理。 现在供弹方式主要有无链供弹和有链供弹。无链供弹又可分为弹夹供弹、弹鼓供弹、 弹槽供弹、传送带供弹、智能式供弹等。弹链供弹的优点是弹链上可以装的弹的数量有 很大的变化，便于实现较长时间的连射，可是弹链供弹有更换弹链的时间较长，将弹装 入弹链和弹箱比较麻烦等缺点【m 】。弹夹供弹为了便于操作，一般每个弹夹的弹的重量 不会太大，因此弹夹上的弹数量是极其有限的，一般只有4 发到5 发。为了保证能够连 续射击，需要人工及时地供给弹丸，因此容易产生“卡弹 等故障，还会因来不及供给 弹而造成停射u 吲。 我国各种机械装备发展必然走向机电一体化高度融合的道路。目前随着新材料、机 械技术、传动技术、控制技术。信息技术、计算机技术、传感技术等不断发展，技术可 靠性的不断提高，为自动机的发展提供很好的技术基础，所以装备都不断变为高度机电 一体化。 通过了解供弹装置的各种供弹方式的优点、缺点和发展趋势，本课题组设计了一套 全新的机电一体化的供货系统，此系统结合了有链和无链供给方式的长处，采用混合供 给方式。储货单元采用无链供货的方式，连接储货单元和调货装置的传送带采用有链供 货的方式，储货单元将储备的货品输送到传送带上，传送带由调货装置本身能源驱动， 储货单元的运动由外部能源控制电机来完成，这样能很好的避免有链供给方式与无链供 给方式的缺点。此外，本堆栈单元也是完全高度机电一体化的系统，具有智能选择货品 型号，跟踪记忆供货系统中货品型号的分布和数量的能力。为了完成堆栈单元的功能， 必不可少地需要一套控制系统来控制单元的运动和监测单元的状态。此系统将包含电 机、电磁铁、上位机、智能控制器、传感器、离合器等与之相关的附件，并能够根据任 务的不同，自动选择合适的供货速度和最佳供货方式，并能够及时反映供货单元的货品 1 绪论硕士论文 消耗情况，便于实现使用间隙时及时的补充单元里面的货品。 堆栈单元控制系统核心内容是系统在自觉采集多路传感信号和实时更新系统状态 信息基础上，根据任务的需要自主处理并下达控制命令，再通过对伺服电机、电磁铁、 离合器等控制对象的控制完成供货任务，实现高频高速的供货要求。其中传感技术、单 片机技术以及现场总线技术的使用使供货系统在供货的过程中能够模拟人进行自主供 货和故障诊断，还能够突破人工供货速度的限制，实现高速下的自主供货。所以对智能 供货系统的研究具有重要的科学意义，而且其控制系统也可扩展到其他的应用领域。 1 2 国内外机电一体化发展状况 机电一体化是机械技术、电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一种新形 势，是电子技术，信息技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的一个新概念。本供货 系统是典型的机电一体化系统。这个系统综合了机械技术、传感器技术、自动控制技术、 信息处理技术、人工智能技术等多学科的最新成果【丌。 日本在1 9 7 0 年左右最早提出“机电一体化技术”，即结合应用机械技术和电子技 术于一体。8 0 年代，信息技术崭露头角。微机的性能提高，为更高级的机电一体化设备 所使用，经典的机电一体化产品如数控机床、工业机器人和汽车的电子控制系统等。此 外，光学技术也进人了机电一体化，产生了“光机电一体化 的新领域【7 1 。 9 0 年代，通信技术进人了机电一体化，机器可像机器人系统那样通过遥控和虚拟现 实。不少机电一体化设备可两用，某些在性能上用途也变的多样化，尤其是微传感器和 执行器技术的发展，及半导体技术以光刻为基础的方法且和传统机电一体化微型化方法 的结合，开辟了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机电一体化 7 1 。 我国是从2 0 世纪8 0 年代初才开始在这方面从事研究和应用。虽然经前辈们的努力 和国家的支持在一定程度上得到了发展并取得了一定的成果，但与欧美及日本等国家相 比我们的技术仍还有一定的差距。 1 3 本文所研究的机电一体化系统 1 3 1 系统的组成 无论系统是什么结构，机电一体化系统都包含机械系统、控制及信息处理系统、动 力系统、传感检测系统、执行元件系统五个子系统，并且具有满足人们使用要求的功能 ( 目的功能) ，且不管哪类系统，其系统内部同时具备五种内部功能，即主功能、动力 功能、计测功能、控制功能和构造功能川。 本文根据做的项目需要，针对整个供货系统中的堆栈单元进行了研究，研究的系统 2 硕士论文某堆栈单元的结构与控制系统研究 的基本构成如图1 1 所示 图1 1 机电一体化系统的基本构成 其中 ( 1 ) 传动部分和工作构件都属于机械系统部分，其中传动部分包含了减速机构和 离合器等；工作机构包含了滑板、丝杠及螺母等。 ( 2 ) 控制及信息处理系统包括了上位机计算机，调度模块d s p 和下位机单片机 等。它们首先将从检测模块采集的信息和从外部输入的指令进行集中、存储、分析、加 工处理，然后按照信息处理结果和规定的程序与节奏通过接口向执行机构发出控制指 令，控制整个系统按要求的方式运行。 ( 3 ) 动力源主要是给控制及信息处理系统，传感检测系统及驱动部分提供电源。 ( 4 ) 驱动部分主要包含两个控制电机。根据控制系统发出的指令做出相应的动作 并通过传动部件来驱动工作机构。 ( 5 ) 检测部分主要包含数个接近开关和多个光纤传感器。它们主要是对工作机构 的各种工作参数和状态进行检测和采集，然后将这些参数和状态转换成可识别的信号， 并传输给信息处理器件，最后经过分析、处理以产生相应的控制信息。 1 3 2 系统工作特点 本供货系统是一个具有自主地或半自主地完成供货并具有高速耦合和传输交接的 机电一体化设备，并且有其特定的使用要求，因此将有其自身的很多特点，这些特点如 下： ( 1 ) 苛刻恶劣的工作环境 首先，电磁环境相当恶劣。供货装置上不但有操控计算机、整个供货区域的管理控 制器等弱电电子仪器和设备，还有很多大功率强电设备，电磁环境特别恶劣。要保证其 电器设备正常工作，其电气设备，特别是控制部分必须采取多种措施提高电磁兼容性和 3 1 绪论硕士论文 抗干扰能力。其次，具有苛刻的供配电要求。这样就要求每个单体在满足系统性能的条 件下，尽可能减小系统的功率。最后，工作时将面临高速、冲击、振动、潮湿、温度变 化范围广等恶劣的条件。由于高射速要求，分解到每个完成动作的时间是很短的，这样 每个动作的本身就会引起很大的冲击和振动。同时，由于工作环境恶劣，将受到剧烈的 冲击考验。这些种种也会给设备的温度带来急剧的变化。 ( 2 ) 具有很高的性能和可靠性 设备自身的性能和可靠性是相当重要的。供货设备如果没有很好的响应时间和高度 的机电一体化及整体协调性，供货系统和整个工作的设备将大大受到影响，这将让设各 自身遭到淘汰。同时，正是因为要面临很严酷环境，所以要求设备必须有很好的可靠性， 才能满足使用要求。 ( 3 ) 复杂的机电一体化集成 供货设备是一个包含了电机、电磁铁、上位机、智能控制器、传感器、离合器等其 他相关附件的高度机电一体化的设备。具有自觉采集多路信息并根据自动机需要下达命 令以完成供货任务，实现高速的供货要求，机、电与控制系统必然会有耦合作用，可能使 系统特性出现一些意想不到的变化，所以必须考虑到系统集成情况下的耦合情况。 ( 4 ) 可靠的信息感知与精确控制 供货系统的性能不单纯依靠机械精度的提高，机构动作精度主要靠闭环控制技术和 相关传感检测技术来保障。精确控制的实现，首要前提是对于系统信息的准确感知。通 过运用信息技术，使各部件之间、系统与其他系统之间及系统与操作人员之间构成统一 的整体。另外，供货系统工作是各种信息的实时获取，也是进行故障诊断和维护所期望 的系统有序状态进行控制调节的前提。 1 4 本文研究的内容 本课题是基于教研室相关项目而提出的，研究基于某供货系统的供货单元的结构与 控制特性分析。本设计旨在对供货单元的结构和控制系统进行研究，通过试验测试平台 检测供货单元的特性是否满足要求。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 系统的功能分析 根据供货单元的结构和运动特点，提炼出堆栈单元的功能要求。建立基本的控制系 统方案。 ( 2 ) 关键部件的选择设计 对单元使用的电机进行了选型分析并针对此种电机进行了部分特性的分析，提出了 电机的基本特性的分析方法，根据电磁铁的行程和作用力选择了相应的电磁铁，然后选 择了起安全保护作用的离合器，最后确定了丝杠和轨道的基本结构形式和材料并对丝杠 4 硕士论文 某堆栈单元的结构与控制系统研究 和轨道的特性做了初步的理论分析。 ( 3 ) 硬件系统的设计与分析 设计了控制系统的硬件控制电路和检测电路。根据设备的原理情况，确定了多节点 控制单元的方案。并根据方案确定了选用的硬件类型，重点强调了电路设计的可靠性设 计。 ( 4 ) 软件系统的设计与分析 根据系统工作的流程及机构工作的先后顺序，确定了软件的流程及编写方案，分配 了系统的通讯协议，同时为了保证系统可靠工作，软件还专门设计了系统的自检测程序 模块。 ( 5 ) 设备实验调试验证 搭建实验平台，对设备的控制系统进行调试，并通过实验设备对供货单元的运动情 况与响应情况进行了测量与分析。通过调试与测量得出单元控制系统的工作情况及关键 部件的运动情况，验证整个单元的可行性和初步的自主化能力。 ( 6 ) 设备实验总结并做出相应的预期分析 总结单元调试及实验情况，对单元预期会产生的问题进行进一步分析。 5 2 堆栈单元的方案分析硕士论文 2 堆栈单元的方案分析 本课题研究的供货系统是一个集多种技术于一体的复杂机电系统，目的在于减少人 员操作，提高供货效率，因此在供货系统的设计之初，就对其提出了两个指标：主动供 货时设备能够达到3 0 0 个分钟的出货速度；具有初步的自主化供货能力，即在多单元 联调时，在最有利的条件下，开锁机构能够及时打开。 供货系统在设计时，不仅要考虑到其本身的各项特性指标必须满足要求，同时也要 考虑到供货系统的使用环境条件恶劣，需要在各种环境下进行工作，适应各种使用条件。 譬如在炎热的夏天持续工作的情况下，设备的温度会急剧上升，这就要求控制电路对温 度的适应性要强，又或者在雨雪低温天气，设备能防水防冻等。这些因素将直接决定系 统设计的成败。 在满足上述条件的前提下，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，对系统也提 出了三个要求： ( 1 ) 精度高 设备只有在高精度情况下，才能使设备的每一个动作执行到位，否则将直接影响系 统的工作质量。 ( 2 ) 响应及时 由于设备在高速情况下工作，所以对设备的响应情况要求特别的严格，要求设备在 操控终端发出指令后，设备能及时的按指定的要求进行动作并及时执行。 ( 3 ) 稳定性强 即要求系统即使受到一定的干扰，也能正常的完成既定的工作。 前面我们也提到，本论文研究的堆栈单元是供货系统的核心部分，因此堆栈单元也 必须满足以上要求。 2 1 供货系统总体设计思路 在了解堆栈单元的结构和功能之前，我们首先对供货系统的总体结构组成和工作情 况做一个介绍，同时对单元在整个系统中的作用进行初步的了解。 本供货系统主要由堆栈单元、传送带、主控电机、选货电机、开锁电机、电磁铁、 传送带、智能控制器、控制面板、传感器、c a n 总线等部分组成。整个系统以堆栈单 元为单位，储存不同的货品型号，能够记忆和跟踪每个单元的装货货品型号和供货情况， 可根据操控系统的要求，自动选择正确的供货货品型号和最佳的供货方式，及时反应不 同货品型号货品消耗的情况，便于实现使用间隙及时补充货品。供货系统的结构组成如 6 硕士论文 某堆栈单元的结构与控制系统研究 下图2 1 所示： 转动台 - 1 4 厂i 一一一一一一一一一一1 冲 ( n )! 传输带 j 货品输出方向 l j 一 i r j， 传送带 i 货品装填方向 一一一- 一一一一置。i 图2 1 供货系统的结构简图 o l 选货电机；0 2 选货计数传感器；0 3 一货品；0 4 一货品型号识别传感器；0 5 一开锁电机； 0 6 一开锁到位传感器；0 7 一连接电磁铁：0 8 一主控电机 从图中我们可知：系统由堆栈单元环绕拼接而成，起储货和为传送带供货的作用。 装货时，货品处于单元( 1 ) 的位置处，从货品装填方向往单元里面装弹，货品型号传 感器将会记忆装入的货品数量和型号；供货时，选货电机将根据指令选择相应的货数， 选择完毕后，通过主控电机驱动闭合传输带和堆栈单元运动，那么货物将由闭合传输带 带动进入传送带。每次传输完一个单元的货品时，转台将带动整个单元旋转相应的角度， 使下一个单元等待供货。传送带处于调货设备与堆栈单元之间，将货从堆栈单元导出并 输送到调货设备的进货口，其驱动主要由调货设备提供和控制。 7 2 堆栈单元的方案分析硕士论文 2 2 堆栈单元的结构组成及控制方案 2 2 1 堆栈单元的结构组成 根据整个系统的设计需要和供货流程分析可知，整个模块的机构需要包含以下几个 部分：选货电机、开闭开锁电机、减速传动机构、选货机构、开锁机构、电磁铁。 ( 1 ) 选货电机主要是驱动选货机构对单元中货品的选择，其本身不需要驱动货品 运动，所以不需要多大的驱动力矩，因此选用一般的直流电机即可。 ( 2 ) 减速传动机构用于使电机输出的转速减到所需的速度同时提高电机的输出力 矩。考虑到工作中经常出现无法预知的阻力过大情况，在减速机构中加入超越离合器， 通过打滑来避免电机堵转烧坏。 ( 3 ) 对于选货机构而言，由于货品是在导轨中直线运动，所以选货机构也是在直 线中运动。因此必须通过一种机构使电机输出的转动转换为直线运动以配合选货机构进 行选货。在这里我们采用了丝杠螺母的搭配方式哺j 。由于选货过程和出货过程刚好是两 个相反的运动过程，即选货机构需要在单元中往复运动，所以丝杠螺母的传动需具有可 逆性。 ( 4 ) 开锁电机主要用于启闭开锁机构。由于开锁机构的打开有一定的时间要求， 所以要求开锁电机的转速响应要快。所以选用输出功率比较大的电机。既要保证转速又 要保证有一定的输出扭矩。同时为了防止烧坏电机，在输出端加装超越离合器。 ( 5 ) 开锁机构控制着设备交接的准备情况。通常开锁机构都是处于闭合状态，开 锁机构开启时，设备即可以进行交接了。 ( 6 ) 电磁铁用于控制设备的交接的启闭。只有当电磁铁打开后，单元才能正常进 行启闭。当电磁铁关闭时，单元启闭将会失效。 通过上述机构及设备的分析，可得到设备的结构示意图如图2 2 所示： 8 图2 2 堆栈单元的结构示意图 弹簧 硕士论文某堆栈单元的结构与控制系统研究 2 2 2 堆栈单元的工作流程 堆栈单元的工作的启闭可以通过两种方式实现，即通过远程操控端进行远程控制使 其自动工作和手动方式使其工作。 通过自动控制方式时，远程操控端先向单元的控制器发出指令，然后通过驱动选货 电机正转对单元进行选货，电机按照指令要求数量的货品进行选货。出货策略制定后， 开启闭合传送带，等待开锁打开。如果操控端发出出货指令，单元的控制器便驱动开锁 电机正转开开锁机构，开锁到位传感器检测到开锁机构后，开锁机构运动到了指定位置， 控制器关闭开锁电机。最后让电磁铁通电，允许闭合传送带与堆栈单元顺利的交接。此 时堆栈单元的驱动源是主控电机，主控电机驱动单元往传送带供货，当本单元上的货品 供给完毕时，单元与传送带自动解脱。最后，开锁电机反转关闭开锁机构，并使电磁铁 断电。堆栈单元的自动启闭过程如图2 3 所示。 采用手动方式调试设备时，首先切断各电机的电源，以免误操作。然后通过扳手调 节丝杆末端使其转动以达到选货效果。同时启闭开锁时也是同过同样的方式进行调节， 最后通过启闭钥匙打开开锁机构，即可人工进行供货。 一上鬻出h 选慧货h 徽h 闭合曹带运h _ 嚣h 勰爱篱h 勰宴h 单淼晰 l | 揪毳h 壤鬻h 断电 一菱嚣昊器鼻象l 机构 u 蚕蓑鼍袈蕃巽 2 2 3 堆栈单元控制方案 图2 3 堆栈单元的启闭过程 由于系统包含了多个堆栈单元，且每个单元要单独完成自身的任务，所以控制系统 采用分布式结构。即采用上位机，调度控制器与下位机组合的方式。上位机与调度控制 器通信，负责实时监控、任务的规划及指令的下达。调度板负责对收集到的信息进行分 析与处理并对下位机的工作进行调度，下位机主要时刻检测各主要构件的运动和位置， 并控制执行器的动作。各模块通过c a n 总线的方式进行通信。 9 2 堆栈单元的方案分析硕士论文 根据供货系统的工作特点及技术指标，对控制系统提出了如下要求： ( 1 - ) 系统能够综合自检与故障自我诊断一：。 ( 2 ) 能够将各个节点所存储的信息上传到上位机，同时也能将控制策略与指令通 过c a n 总线下传到下位机各节点中去，以实现系统状态的动态监测、参数设定、工作 方式转换和数据保存。 ( 3 ) 接受操控系统指令信号，根据系统状态自判、自主决策以生成动作优化控制 时序指令，或根据人为选择的工作模式生成动作设定控制时序指令； ( 4 ) 软件具有自我学习和自判连锁保护功能，在机构连锁保护的基础上进一步提 高系统的可靠性。 ( 5 ) 上位机软件采用图形化编辑界面，用户可以建立、修改控制方案。 ( 6 ) 传感器信号的实时连续的监测、处理与上传。 为了达到要求，分解提炼出了若干功能模块，其中包括选货电机控制模块，开锁电 机控制模块，信号检测模块，数据通信模块，指令发送模块等。同时，为了使设备正常 运转，控制模块需要对以下部分进行控制和检n - ( 1 ) 选货电机的控制：在供货设备开始工作前，设备将根据操控系统任务需求和 供货单元里面货品型号和货品数的情况，自主地向相应的堆栈控制电路发出指令。堆栈 控制系统即根据指令来控制对应的选货电机，以达到不同货品型号和货品数量的选择。 在电机的控制当中，电机将根据需要，实现电机的正转，反转和急停。 ( 2 ) 装货数量和货品型号的检n - 在供货系统工作前，需在储货单元中提前装填 各种不同的货品。装填过程中，光纤传感器能实时的将货品型号和货品数目检测出来， 并对数据进行记忆存储。 ( 3 ) 选货时货品数目的检测：供货设备接收到了供货指令后，将首先进行选货， 其中需要对实际选择了多少的货品数进行检测，并与出货策略进行对比，以实时的了解 各堆栈单元选货的工作情况。 ( 4 ) 出货时货品数的检测：与选货传感器类似，出货传感器将在货品出货过程中 实时检测出货情况，并与出货策略进行对比，出现错误即发出相应的警告。 ( 5 ) 开锁电机的控制：开锁电机位于堆栈单元的装货端，是用于控制堆栈单元与 传送带的交接的关键设备。堆栈单元选货完成后，上位机立刻向开锁电机发出控制指令 打开开锁，堆栈单元即可与传送带进行交接以向传送带供货。同时，当出现问题时，上 位机将立刻发出控制指令，使电机反转以解脱开锁。在多单元供货时，开锁电机的转速 将直接影响开锁打开的时间并间接决定了单元与单元是否能够顺利交接。 ( 6 ) 开锁机构到位检测：开锁机构到位传感器主要检测开锁打开时开锁机构是否 运动到指定的位置，以决定单元是否能够供货。 ( 7 ) 堆栈单元出货的控制：堆栈单元的出货主要是由外部主控电机驱动，由其控 硕士论文 某堆栈单元的结构与控制系统研究 制传送带与出货单元同时运转，以实现要求的供货速度和稳定的交接。 通过对各个功能模块的分析，可以知道控制系统的整体结构如图2 4 所示。从整体 结构图中我们可以了解到如下内容： ( 1 ) 系统分为四个大的模块：p c 机操控模块、d s p 调度模块、c a n 总线通信模 块、单片机节点模块。 ( 2 ) 上位机是单独与调度模块通信，而不是在统一的c a n 总线上通信。这主要考 虑到让系统更加可靠，减少不必要的干扰，同时减少同一根总线上的负担。 ( 3 ) 系统中每个节点测控一个供货单元，选用的各控制模块自身都集成了c a n 控 制器，所以通信节点之间通过c a n 收发器相连。d s p 接收p c 机操控系统及各节点发 送的现场数据一如货品数、位置等，经过计算分析和判断做出相应的控制命令并下达至 各单元节点。各单元节点控制器采集现场各种数据并执行相应的命令。 图2 4 控制系统的整体结构 2 堆栈单元的方案分析硕士论文 ( 4 ) 此控制系统的分配方案与每个测控元件作为节点相比，能够减轻总线负担， 提高系统的实时性与可靠性；与同类元件归类合并为节点相比，能够提高系统的并行处 理能力，保证测控的实时性。 ( 5 ) 图中的主控电机虽不属于单元的元部件，但是单元的出货运动靠其驱动，所 以在此也同时画出。 ( 6 ) 系统的通信方式之所以选择c a n 总线通信方式是因为其所具有的高可靠性和 良好的错误检测能力。c a n 总线协议已被国际标准化组织认证，现时的技术已经比较 成熟。c a n 控制器能够工作于多主的工作方式，总线网络中的每个节点都可根据总线访 问优先权采用无损结构且逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且c a n 协议放弃了站 地址编码，而是对通信数据进行编码，这样可以使不同的节点同时接收到相同的数据，这 些特点使得c a n 总线网络各节点的数据通信实时性很强，并且容易构成冗余结构，这个 特点有利于提高系统的可靠性和系统的灵活性。同时控制芯片的商品化，性价比好，且 很多单片机集成了c a n 的控制器。本系统就是选用的集成了c a n 控制器的单片机【9 1 5 】。 2 3 堆栈单元机电一体化整体框图 通过上面的结构分析和控制系统分析，我们可以得出堆栈单元的整体框图如图2 5 所示。 图2 5 堆栈单元的整体框图 硕士论文 某堆栈单元的结构与控制系统研