（信号与信息处理专业论文）注塑机机械手控制器的设计与实现.pdf

摘要 摘要 当前，中国塑料加工行业发展迅猛，注塑成型设备的自动化程度越来越高。 注塑机机械手是现代塑料产品制造业中的主要加工设备之一，是成型塑料制品 的设备。近年来注塑机机械手控制器的快速发展为实现塑料制品的先进生产奠 定了重要基础。 本论文设计了一种可预编程操作的机械手控制器。手持式编程控制器( 手 控盒) 采用a v r 单片机为嵌入式实时操作系统的处理器，完成人机交互接口的 功能，包括液晶显示、触摸屏控制、通信传送数据等功能。采用触摸屏比传统 的键盘操作更生动、更简单。 下位机采用d s p 和可编程逻辑器件，通过硬件的扩展和软件编程来完成机 械手的动作控制。整个系统采用模块化设计方法把复杂的控制系统划分成相对 独立的模块，如工艺编程、串口通信、手动测试、自动运行等，并分别对这些 模块进行编程来实现机械手的功能。 在仿真实验的基础上，对试验样机进行的各个功能模块的测试表明：整套 设计方案实现了各个模块的功能，满足了实际系统的实时性和可靠性要求。此 外，由于系统设计比较灵活，只要在软件方面作些变化就能适应单轴伺服、三 轴伺服以及五轴伺服等多种机械手的控制。 关键词：机械手a v r 单片机触摸屏d s p 手控盒 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp l a s t i c sp r o c e s s i n gi n d u s t r yi nc h i n a , t h ed e g r e eo f a u t o m a t i o ni ni n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n ti sh i g h e r t h em a n i p u l a t o rf o rp l a s t i c i n j e c t i o nm a c h i n ei so n eo ft h em a i ne q u i p m e n ti nm o d e r np l a s t i cm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y , w h i c hi s u s e dt oc o n v e yp l a s t i cp r o d u c t s i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i d d e v e l o p m e n to fm a n i p u l a t o rc o n t r o l l e rl a y s ak e yf o u n d a t i o nf o rt h ea d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gf o rt h ep l a s t i cp r o d u c t s a m a n i p u l a t o rc o n t r o l l e rw h i c h c a nb ep r e - p r o g r a m m e di sd e s i g n e di nt h i st h e s i s h a n d h e l dp r o g r a m m i n gc o n t r o l l e ru s e sa v rs i n g l ec h i pa se m b e d d e dp r o c e s s o r so f r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mt oc o m p l e t et h ef u n c t i o no f m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，w h i c h i n c l u d e sl c dd i s p l a y , t o u c hs c r e e n ，c o m m u n i c a t i o n sd a t at r a n s m i s s i o na n d s oo n t h e u s eo ft o u c hs c r e e nm a k e st h eo p e r a t i o nl i v e l i e ra n ds i m p l e rt h a nt h et r a d i t i o n a l k e y b o a r di n t e r f a c e d s pa n dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ea r ea d o p t e da sac o r ei nt h es l a v ec o m p u t e r , w h i c hc a r lc o m p l e t em o t i o nc o n t r o lo fm a n i p u l a t o rt h r o u g ht h ee x p a n s i o no ft h e h a r d w a r ea n ds o r w a r e c o m p l e xc o n t r o ls y s t e m i s d i v i d e di n t o r e l a t i v e l y i n d e p e n d e n tm o d u l e sb ym o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，i n c l u d i n gt e c h n o l o g yp r o g r a m m i n g , s e 竹a lc o m m u n i c a t i o n s ，m a n u a lt e s t i n g ，a n d a u t o m a t i co p e r a t i o n , w h i c ha r e p r o g r a m m e dt h e ns oa st oa c h i e v ea l lt h ef u n c t i o n a l i t yo f t h em a n i p u l a t o r o nm eb a s i so ft h es i m u l a t i o n ，t h et e s to nt h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e so f e x p i e r i m e n t a lp r o t o t y p e m a n i f e s ta sf o l l o w e d t h ew h o l ed e s i g na c h i e v e st h ef u n c t i o n d e s i g n e do ft h ev a r i o u sm o d u l e s ，a n dm e e t st h er e a l - t i m ea n dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t s o fa c t u a ls y s t e m b e s i d e s ，a st h er e s u l to f t h ef l e x i b l ed e s i g no ft h es y s t e m ，i tw o u l d b e a d a p t e dt ot h ec o n t r o lo fm a n ym a n i p u l a t o r s ，s u c ha ss i n g l ea x i ss g r v o ，t h et h r e e - a x i s s e l v oa n df i v e a x i ss e r v om a n i p u l a t o rw h e nm o d i f i e d i ns o f t w a r e k e yw o r d s ：m a n i p u l a t o r ；a v rm i e r o c o n t r o l l e r ；t o u c hs c r e e n ；d s p ；c o n t r o lb o x i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：2 拖仡 沙8 年主胪7e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：王鞋抱 沙8 年j 月7 e l 第一章绪论 1 1 1 研究背景 第一章绪论 第一节本课题的研究背景和意义 1 9 5 9 年，美国的发明家英格伯格和德沃尔联手制造的世界上第一台工业机 器人，开启了人类真正使用机器人的历史。在随后几十年中，伴随着计算机科 学与技术、自动控制理论以及其它相关技术的发展，同时在工业生产需要的促 进下，机器人理论、技术与应用得到了高速的发展。回顾其发展历程，大致可 划分为如下3 个阶段i l j ： ( 1 ) 7 0 年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技 术的发展，机器人技术得到了快速发展。1 9 7 4 年c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司成功 开发了多关节机器人。1 9 7 9 年，u n i m a t i o n 公司又推出了p u m a 机器人【2 j ，它 是一种多关节、全电动驱动、多c p u 二级控制的机器人。现在的工业机器人结 构大体上是以此为基础的。这一时期的机器人属于示教再现型机器人，只具有 记忆、存储能力，按相应程序重复作业，对周围环境基本没有感知与反馈控制 能力。这一时期的机器人被称作第代机器人。 ( 2 ) 进入8 0 年代，随着信息处理技术的发展，出现了第二代机器人，即 有感觉的机器入。第二代机器人带有一些可感知环境的装置，通过反馈控制， 使机器人能在一定程度上适应环境的变化。 ( 3 ) 第三代机器人是目前正在研究的“智能机器人”。它不仅具有比第二 代机器人更加完善的环境感知能力，而且还具有逻辑推理、判断和决策能力， 可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。机器人控制技术逐步转向对智能 控制、多算法融合技术的研究。第三代机器人具有高度的适应性和自治能力， 这正是人们努力要使机器人达到的目标。 目前，机器人已广泛应用于工业、农业、医疗卫生和人民生活等诸多领域。 在制造业中，工业机器人在焊接、装配、搬运、装卸、铸造、材料加工、喷漆 等领域的应用，已取得了显著的经济效益和社会效益 3 】。另外，机器人在众多 第一章绪论 新领域中获得了应用，如农林水产、土木建筑、运输、矿山、通讯、煤气、自 来水、原子能发电、宇宙开发、医疗福利以及服务行业等【4 】。 在未来的1 0 0 年中，科学与技术的发展将会使机器人技术提升到一个更高 的水平。机器人将会成为人类多才多艺和聪明伶俐的“伙伴 ，更加广泛地参与 人类各方面的生产活动和社会生活【5 6 1 。广泛应用在注塑行业的取零件机械手正 是此方面的一种体现。 机械手是能够模仿人手和手臂的功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作 工具的自动操作装置。它可以部分或全部代替人力，从事一些单调、繁重的重 复性劳动，实现生产的机械化和自动化，能在有害环境中操作得以保护人身安 全，当前广泛用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要 由多自由度机械运动臂和运动控制与驱动系统组成。 根据结构布局方式的不同，机械手可分为直角坐标式、极坐标式、球坐标 式和关节式等种类，而一台机械手所具有的独立运动机构( 抓取动作机构除外) 的数量称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多， 机械手的灵活性越大，通用性越广，而相应的结构也越复杂。理论上讲，为了 能够抓取空间中任意位置和姿态的物体至少需有6 个独立的自由度，而一般简 单的机械手有2 , - - - 3 个自由度。 根据驱动方式的不同，机械手可分为液压式、气动式、电动式、机械式机 械手等。驱动方式直接影响着该机械手的运动特性、快速性和准确性等性能指 标。 根据适用范围的不同，机械手可分为机械手和通用机械手两种。机械手是 为特定工作要求而制作的，其功能、性能、工作参数、动作顺序基本固定。由 于机械手的性，其自身作为一种产品不能形成规模生产，所以设计开发成本比 较高；而通用机械手的参数或运动顺序可按一定的方式( 如示教、编程等方法) 进行快速的调整，可以胜任不同工作场合的多种要求。尽管通用机械手结构可 能相对复杂，但仍有可能通过形成批量生产从而促使成本的降低。 根据运动轨迹控制方式的不同，机械手可分为点位控制和连续轨迹控制机 械手。轨迹控制的实现，使机械手不仅能够完成物体搬运、上下料等简单任务， 还能承担焊接、装配、探测等复杂任务。 2 第一章绪论 1 1 2 注塑机机械手研究意义 当前，中国塑料加工行业发展迅猛，每年都以超过3 0 的速度增长。同时， 注塑成型设备的自动化程度也越来越高。大型的企业有几十甚至几百台注塑机 需要管理，而且生产高质量的产品不能用人手来取产品，这个时候就需要用到 注塑机机械手 7 1 。为了适应这种发展趋势，越来越多从事塑料加工行业的厂商 在其注塑机上都配备了注塑机取件机械手。在我国，目前注塑机取件机械手主 要用于快速地从模具中取出工件并且送到下一个工位上。采用机械手来取注塑 工件大量节省了操作员工的时间，提高了操作人员的安全性和舒适程度，减轻 了繁重的体力劳动，改善了劳动条件，保证了安全生产的进行。同时，采用机 械手也能提高注塑成型机的生产效率、稳定产品品质、降低废品率、降低生产 成本、增强企业的竞争力瞵j 。 尽管注塑机机械手有如上所说的众多优点，但我国大陆内的机械手基本上 是寥寥无几，现在中国大陆的塑料制品行业大多采用日本、台湾品牌的机械手。 从台湾、日本和欧美进口，不仅成本高昂，而且它们的设计不太适合中国人的 操作习惯，需要很长的时间来熟悉。为此，我们研究开发了一种注塑机机械手 控制器。经实践检验，该控制器操作方便、性能可靠、功能齐全。 本课题涉及到机械技术、电子技术、气动技术等多个学科。对该课题的研 究，不仅可以实现注塑机取件机械手的控制，而且对于多学科交叉、渗透与交 流有积极的促进作用。目前由于国内的控制板稳定性和抗干扰效果不理想、运 行故障率比较高，国内厂商所需要的注塑用机械手的控制系统大部分器件都是 从外国购买的。本课题以加强稳定性和抗干扰能力为切入点，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， 本课题将以经济性、可靠性为实用化指标的追求贯彻于研究的全过程，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。 第二节国内外研究现状 1 2 1国内外研究现状 早在上个世纪5 0 年代，美国在原子能实验中，率先采用机械手搬运放射性 3 第一章绪论 材料，工作人员在安全室操纵机械手完成各种动作和实验，其控制系统采用遥 控操作方式【9 j 。遥控操作方式是一种最简单的机械手控制形式，机械手( 执行 机) 通过机械或电动等仿形机构跟踪操作人员的手臂( 操作机) 动作。其突出 特点是机械手工作过程中需要人的参与，能够充分发挥人的视觉、听觉等器官 的传感与检测能力以及人脑的思维、判断与决策能力。但因为其对人的依赖， 自动化程度不高。 6 0 年代后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地 方取放工件和装卸材料。同时也作为机床的辅助装置，在自动机床、自动生产 线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具 等操作。在这些机械手系统中，普遍采用了继电逻辑控制或计算机逻辑控制， 即机械手按照事先编制好的控制逻辑，自动完成顺序动作。 进入2 0 世纪9 0 年代，由于具有一般功能的传统工业机器人的应用趋向饱 和，而许多复杂操作或特种应用却需要具有一定智能的机器人参与，使智能机 器人获得较为迅速的发展。智能机器人的机械部分与机械手并无本质区别，但 控制系统发生了根本性的变化。智能机器人不仅能够根据事先编制的程序实现 预定的动作，同时能够探测工作环境的变化，自动修正运动参数或运动规律。 随着注塑工业的发展和注塑机的产业化应用，注塑机机械手逐步形成批量 和规模，并最终走向了通用化和系列化构成了一个稳定的产品市场【1 0 1 。台湾的 行自动化机械股份有限公司专门生产出成型专业机械手臂及周边自动化设备， 是产品设计、制造、销售、服务为一体的企业，其产品为世界知名的领导品牌 之一，销售范围遍布及世界各地。 日本有信( y - u s h i n ) 精机株式会社主要生产以机械手为中心，推进注塑工 厂生产合理化的各种机械设备、仪器等。其主要产品有旋回型浇道料取出机、 单轴n c 控制伺服马达驱动取出机、4 轴5 轴n c 控制伺服马达驱动取出机等。 其中h o p w - 4 5 0 5 5 0 取出机是适用于注塑机锁模力为3 0 1 0 0 吨的高速浇口料 取出机，采用了低阻力导轨机构，机械手臂采用更轻、硬度更高的材质，从而 实现高速的机械动作 1 。 欧美的机械手发展也比较成熟。p m a c 是美国d e l t at a ud a t as y s t e m s 公司 于1 9 9 0 年推出的基于p c 机平台的多轴运动控制卡，可同时控制1 - - 3 2 个运动 轴。p m a c 运动控制器的集成化、兼容性和高速性，为设计新型的机器人控制 器提供了有力的支持 1 3 1 。位于奥地利的w i t t m a n n 集团是全球最大的注塑自动化 4 第一章绪论 设备供应商之一，产品有全伺服机械手w 7 11 、单轴伺服机械手w 7 1 0 等【1 4 1 。 它生产的高性能的线性机械手适用于最大吨位至3 0 0 吨锁模力的注塑机，其中 w 7 1 0 型机械手的横轴采用伺服马达，确保运动自由灵活；w 7 n 型机械手是三 轴主轴配备高速伺服马达的机械手，可实现图形化的操作界面。 现在中国大陆的塑料制品行业大多采用日本、台湾品牌的机械手。其中日 本品牌有星牌( s t a r ) 、有信、哈模( h a r m o ) 。星牌机械手相对便宜，号称中国 机械手行业的先锋，有信的相对高端，哈模则主要供应日本在华企业。台湾品 牌主要有天行( a l f a ) 、精锐( a p e x ) ，精锐的机械手较贵，天行的比较受欢迎。 大陆客户只占其机械手销售业务的1 0 。这是因为大陆塑料行业自动化水平还 有待提高。欧美品牌的机械手有奥地利的威猛( w i t t m a n n ) 、瑞士的a b b 等， 由于是较为高端的产品，市场占有率较低。 我国的机械手研究开发工作始于上世纪7 0 年代初，到现在经历了3 0 多年 的历型1 5 】。前1 0 年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1 9 8 5 年后开始列入国家有关计划，经过几年的攻关，完成了工业机器人的成套技术， 包括机械手、控制系统、驱动转动测试系统的设计、制造、应用和小批量生产 的工艺技术等的开发。进入9 0 年代后半期，实现了我国机器人的商品化，为产 业化奠定了基础。目前，我国内地仅有少数几个企业通过仿制的方式在生产注 塑机机械手，青岛海尔机器人有限公司是做得比较成功的一家。海尔机器人有 限公司和哈尔滨工业大学合作成立海尔哈工大机器人技术有限公司，在国家 “8 6 3 计划的支持下，共同开发了以注塑机机械手为主的直角坐标机器人，致 力于塑胶射出成型机机械手臂，现已形成多种机械手产品系列，可与各种型号 的注塑机相配套。 1 2 2 本课题来源 本课题来自于南开大学机器人研究所与海尔机器人有限公司签约的横向项 目注塑机机械手控制器的设计。本课题是设计h h m l 单轴伺服系列以及 h h m 5 五轴伺服机械手控制系统，在本论文中着重介绍五轴伺服机械手的设计 与实现。 “ 5 第一章绪论 第三节本论文的组织结构 在海尔机械手的研究过程中，南开大学机器人研究所承担了控制系统的设 计与实现，包括机械手控制驱动部分和手持编程器( 简称手控盒) 。在简要介绍 机器手臂结构与功能后，本论文重点阐述控制系统的硬件设计、软件模块及系 统的运行状况。本论文的结构安排如下： 第一章绪论。该章简要介绍了本课题的研究背景及意义，对国内外注塑机 机械手的发展历程和未来发展方向进行概述，并对目前国内注塑用机械手市场 进行了分析。 第二章机械手控制系统总体设计。在对海尔机械手的结构及功能进行简要 介绍的基础上，根据功能设计要求，对机械手的控制系统简要介绍。 第三章手控盒的设计与实现。该章详细介绍手控盒液晶、触摸屏、通信、 时钟各硬件接口模块的设计，同时针对手控盒的软件设计进行详细阐述，对机 械手实现工艺编程、手动测试、自动运行功能模块的软件流程等进行了介绍。 这一部分也是我的主要工作所在。 第四章下位机制器的设计与实现。该章围绕d s p 展开，详细讲述了电源、 时钟、存储空间等硬件模块设计，同时介绍软件设计环境及程序引导装载等软 件开发的程序。在这一部分中我参与其中的硬件调试工作。 第五章系统调试与运行。介绍机械手调试运行情况。 第六章总结与展望。该章对本文所做的工作进行总结，并提出进一步的改 进工作。 6 第二章注塑机机械手控制系统的总体设计 第二章注塑机机械手控制系统的总体设计 第一节机械手结构概述 机械手在控制器的控制下完成各种操作。当控制器发出控制指令，机械手 的各关节根据设定的程序，由伺服电机等驱动直线坐标轴实现空间多自由度运 动，从而实现运动空间内任意点的定位运动。终端执行机构在控制器的统一协 调控制下，实现对目标的处理。 海尔伺服机械手是属于直角坐标式机械手，各关节相互垂直，有x 、y 、z 三个直角坐标轴，即可以完成引拔( x ) 、上下( y ) 、横走( z ) 三个方向的运 动，如图2 1 所示。 图2 1 海尔五轴伺服机械手 海尔伺服机械手主要包括人机接口、下位机控制器、机械手执行系统、驱 动单元、传感器等几部分。下面分别对各组成部分进行介绍。 。 l 第二章注塑机机械手控制系统的总体设计 ( 1 ) 人机接口 人机接口即手控盒，也叫操作盒或示教盒，它主要完成操作者与机械手的 交互对话，通过r s 2 3 2 通信接口与下位机进行通信，用户通过手控盒的触摸屏 输入指令、修改参数、查看信息。 ( 2 ) 下位机控制器 狭义的控制器是指除人机接口以外的直接控制机械手运行的控制器。下位 机的控制板装在机械手的支架上，它与机械手、注塑机、手控盒( 操作盒) 都 有电气连接，其功能是根据手控盒发出的指令以及注塑机与机械手的运行状态 控制机械手的运动，同时把机械手状态、产量、报警等信息发送给手控盒显示 给操作者。 ( 3 ) 机械手执行系统 机械手结构有底座、引拔梁、主臂、副臂几部分。除底座外，其它部分使 用铝合金型材，以减小运行中的惯性。横走伺服电机靠齿轮通过齿轮带传动， 其中齿轮带固定于导轨之上，电机与引拔梁固定在一起，相对于导轨平动。机 械手执行系统由臂部、腕部和手部等部件组成。其中外侧的一只称为主臂，用 来吸取成品，其末端的翻爪可以作9 0 。旋转，内侧的一只称为副臂，用来夹取 工件。该手臂采用了双截倍速机构，与引拔梁直接相连的一截竖直运动时，装 有末端工具的一截也沿相同的方向相对于前一截运动，这样可以得到运动速度 快、节省空间的效果。 ( 4 ) 驱动单元 注塑机机械手采用伺服电机和气动驱动相结合的方式。其中气动驱动是以 压缩空气来驱动机械手执行动作，这种驱动方式的优点是空气来源方便、动作 迅速、结构简单、造价低，但由于空气的可压缩性致使其运动速度不可精确控 制，其运动的稳定性较差。 伺服电机驱动方式结构比较复杂，成本较高，但是能够实现精确的速度曲 线控制与运动定位，运动过程的稳定性高，因此运用在性能要求比较高的生产 环境中。电机运转状态是由系统提供的控制信号脉冲和方向来决定的，其 中脉冲的频率决定电机的转速，方向信号决定机械手的上下前后左右运动。 我们所设计的五轴伺服机械手控制系统，其引拔、上下和横走方向的运动 都是由交流伺服电动机驱动的。电动机的空间电压矢量由伺服控制模块( 单相 交流2 2 0 v 供电) 生成，而电动机的转角则与控制器输入伺服模块的方波脉冲 8 第二章注塑机机械手控制系统的总体设计 数目成正比，进而调节方波频率从而实现电动机的变频调速。 ( 5 ) 传感器 机械手的翻平直、吸、夹、吹气等动作都是由接近开关反馈位置信号的。 第二节机械手控制系统介绍 2 2 1机械手控制系统总体设计 机械手的执行系统和驱动系统主要是为了完成手臂的运行功能，通过气动 或者电机来驱动机械部件的运转，机械手抓取或释放制品，从而实现各种操作。 控制系统则是通过对驱动系统进行控制，使执行系统按照预定的工艺进行操作。 控制系统一般包括位置检测装置和程序控制部分。 本项目所研究的控制系统主要针对注塑工业的机械手，具有较强的通用性。 从结构上可以分为手控盒和下位机( 电机控制) 。操作者通过手控盒进行操作， 在机械手收到注塑机给出的开模信号时，机械手切断注塑机合模信号，确保机 械手取放零件的安全性，在完成取放零件后机械手恢复注塑机的动作。在控制 系统的指挥下，机械手按照预编程好的工艺程序完成各个动作，从而将注塑生 产出的制品从模具中取出并传送到指定地点或下一个生产工序中。 系统总体设计采用预编程操作方式。手控盒为a v r 单片机为核心的人机编 程操作设备，主要负责机械手的操作、状态显示和参数修改等功能，完成与操 作者的交互对话；下位机以d s p 控制器为核心构成的运动控制系统主要完成对 机械手电机的控制，一般安装在机械手的支架上。用户可以通过手控盒直接对 机械手的位置、速度、吸夹抱等动作进行测试，手控盒与下位机通过r s 2 3 2 串行通讯接口进行通信。通过下位机的电机控制可以使机械手运行平稳且效率 高。根据机械手的实际工作情况，程序必须具有自动运行和手动运行两种基本 工作模式，此外还需提供返回原点的功能。手动操作下，用户可以通过手控盒 对机械手的位置、i o 口进行操作，来测试机械手各个动作是否到位及各个i o 信号的情况，确认有无安装松动、动作是否正常、平稳等情况，并判断有无机 械故障。自动运行是操作者先在示教状态下对机械手自由控制来完成注塑工业 的某道工序，下位机顺序存储机械手的操作流程，然后机械手进入自动运行中， 运行已经存储了的操作流程。 9 第二章注塑机机械手控制系统的总体设计 关于控制单元的任务，大致有四部分：一、运动控制，在满足一定限制条 件的情况下，如动作限制条件、故障条件、机械手位置以及注塑机状态等条件 下能执行动作，机械手有手动运行、自动运行两类运动模式。二、参数与工艺 设置，通过选定、编写个性化的工艺步骤和配置机械手运行参数实现面向多种 注塑产品的柔性自动化生产。三、生产管理，主要是记录产量，设置为达到产 量额度后自动停机等。四、机械手维护，包括查看i o 点状态、查看报警信息、 查看并修改系统日期时间等。 2 2 2 机械手控制器介绍 在手控盒的设计中，我们选用a t m e g a l 2 8 单片机，它是基于a v rr i s c 结 构的8 位低功耗c m o s 微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时 间以及高达1m i p s 的数据吞吐率，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的 矛盾。a v r 单片机在软硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡， 是高性价比的单片机【l6 ，主要体现在如下几个方面： ( 1 ) a t m e g a l 2 8 单片机内嵌高质量的1 2 8 k 字节的系统可编程f l a s h 程序 存储器，擦写方便，支持i s p 和i a p ，便于产品的调试、开发、生产、更新。 片内大容量的r a m 不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高 级语言开发系统程序。 ( 2 ) a v r 单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供u s a r t 、t w i 、 s p i 等使用。其中与8 1 6 位定时器配合的具有多达1 0 位的预分频器，可通过软 件设定分频系数提供多种档次的定时时间。 ( 3 ) 增强的高速同异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦 错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位( 接收时) 、屏蔽数据帧等功能，提高 了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统 的复杂应用。串口功能大大超过m c s 5 1 9 6 单片机的串口，加之a v r 单片机 高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。 ( 4 ) 面向字节的高速硬件串行接口n v i 、s p i 。t 、i 与i z c 接口兼容，具 备a c k 信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主从机的 收发全部4 种组合的多机通信。s p i 允许a t m e g a l 2 8 和外设之间进行高速的同 步数据传输、全双工、3 线同步数据传输，支持主从机等4 种组合的多机通信。 1 0 第二章注塑机机械手控制系统的总体设计 下面介绍现在应用比较广泛的几种机械手运动控制系统及其优缺点。 ( 1 ) 以单片机等微控制器作为核心的运动控制器 系统以单片机为核心，当单片机控制的下位机接收到手控盒发送的数据时， 单片机将把数据转换成控制信号来控制功率放大模块，从而驱动直流电动机旋 转。单片机运动控制系统具有简单、成本相对较低、灵活适应性强等优点，但 是单片机可靠性差、故障率高，在与注塑机联动时容易受到注塑机运行的电磁 干扰，且其速度较慢、控制精度不高，目前只在一些需要低速点位运动控制和 对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。 ( 2 ) 以芯片( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器 运动控制芯片具有相应速度快、系统集成度高、使用元器件少、可靠性好、 成本较低等优点，但是大多数只能输出脉冲信号，工作于开环控制方式。这类 控制器对单轴的点位控制场合基本上能满足要求，但是对于多轴协调运动和高 度轨迹插补控制的设备，它不能够满足其要求【l7 1 。 ( 3 ) 在通用计算机上用软件实现的运动控制系统 在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，并配合驱动电路板 与计算机进行信号交换的接口板，就可以构成一个运动控制系统。这种实现方 法可实现高性能、高精度、复杂的控制算法，同时控制软件的修改很方便。但 缺点是系统体积过大，难以应用与工业现场，而且难以实现实时性要求高的信 号处理算法。 ( 4 ) p l c 控制系统 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，可编程逻辑控制器) 最初是代替继 电器进行逻辑控制的，是一种面向工业应用的计算机。p l c 以微处理器为核心， 综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型工业自动 控制装置。控制过程均通过以梯形图的方式编程，随时可依生产工艺的不同要 求而随机修改，还具有可扩展性，目前海尔机器人公司的机械手就是采用p l c 控制器来对机械手进行控制的。随着超大规模集成电路和计算机技术的发展， p l c 的功能越来越强大，已不再局限于逻辑控制。p l c 以循环扫描的方式工作， 在每个控制周期里，p l c 先读入所有输入点的信息，完成对这些信息的处理之 后，再刷新所有的输出点，这使得p l c 的软件抗干扰能力比较强，加上其它针 对工业现场的设计，p l c 在可靠性方面做得很成熟。另外，p l c 的梯形图编程 语言简单易用，技术人员甚至可以在现场为用户定制程序，这是用单片机作控 制器的机械手的厂家难以办到的。 1 1 第二章注塑机机械手控制系统的总体设计 不过，p l c 也有其缺点。首先p l c 的循环扫描周期是与程序长度成正比的， 代码越长，扫描周期就越长，控制器的实时性就越差。因此，机械手的功能越 复杂，实时性问题就越突出。再者，用梯形图语言编程，可实现的功能仍然比 较有限。比如，令机械手横出时同时下降，使其末端走出一条弧形曲线，目前 p l c 机械手还办不到。 ( 5 ) 以d s p 控制器为核心构成的运动控制系统 d s p 控制器构成的运动控制系统可靠性高、升级容易。用高级语言( 如c 语言) 编程，则可以解决p l c 控制器的问题。本课题采用一片t i 公司的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 作为控制器的处理器，根据结构化程序设计思想采用c 语 言进行软件开发。该处理器运算能力比一般单片机强大，价格也很低。我们在 设计中最大限度地考虑了成本、可靠性、程序的可维护性等问题，尽量保持p l c 控制器的优点，并克服其不足。 综合上述各种控制系统的优缺点，我们设计了由a v r 单片机控制的手控盒 和由d s p 芯片控制的下位机的控制系统来达到高性价比的目标。 第三节程序语言选择 汇编语言操作硬件直观，对于硬件非常熟悉的人来说直接操作很方便，代 码执行效率也高；然而汇编语言写出来的代码可读性差，只有写代码的人能当 时知道各代码段的意义，在整个产品周期中需要不定期地维护修改模块以完善 其功能，如果在汇编语言所写的代码的基础上做修改则是件非常麻烦的事。 c 语言具有直观、可读性强的特点。由于产品周期( 包括开发周期和维护 周期) 很长，在此期间维护人员可能经常改写代码，如果可读性强，将给维护 工作者省下很大的成本。即使在开发周期内，可读性强的程序也便于检查差错， 便于其他人员接手。还有就是c 语言的模块化做的很好，程序的重用性高，以 后相类似的开发投入就可以降低，开发周期也可以减少。 c 语言目前已经成为设计嵌入式系统的标准语言，它既有普通高级语言的 结构化编程、可读性好、维护方便的特点，又具有汇编等低级语言对硬件访问 的方便、代码效率高的特点，因此十分适用于嵌入式系统的程序设计。在本项 目中，手控盒和下位机都是采用c 语言进行设计的。 1 2 第三章手控盒的设计与实现 第三章手控盒的设计与实现 3 1 1 系统结构综述 第一节手控盒整体介绍 手控盒是操作者与机械手进行交互的接口。该设备采用手持式结构、对话 式操作界面和全中文模式，具有简单易学的特点。内置模板程序可以自由搭配 使用，可自动监测故障并报警记录，并通过触摸屏可随时修改三个坐标轴( 横 行、主副臂上下前后) 的位置、速度等各项参数，以满足产品工艺要求。操作 者通过液晶屏可以实时地观测到机械手的运行状态信息，用户的操作通过 r s 2 3 2 通信线传给下位机。在软件设计上，手控盒充分发挥嵌入式系统的分时、 独立和可靠 1 8 】的特点，由主程序调用各个程序模块的工作。 本项目手控盒的设计属于a v r 单片机的嵌入式设计，其设计框图如图3 1 所示。 图3 1 手控盒的设计框图 ( 1 ) 核心处理器a t m e g a l 2 8 单片机是高性能低功耗8 位微处理器，片内 有1 2 8 k 字节的系统内可编程f l a s h 、4 k 字节的内部s r a m t l 9 1 。 1 3 第三章手控盒的设计与实现 ( 2 ) a v r 单片机通过s p i 串行接口与触摸屏控制芯片( a d s 7 8 4 6 ) 进行 高速数据传输。a d s 7 8 4 6 采集触摸屏坐标点，进行a d 变换之后的数据传送给 单片机。由于五轴伺服机械手参数多，并且工艺模号、动作也复杂了很多，简 单的键盘设计不能够满足要求，因此我们采用触摸屏按键，使得界面更美观， 操作更简单、直观。 ( 3 ) 采用了高速可编程逻辑器件实现地址锁存以及译码等逻辑电路对液晶 显示屏等外围器件进行驱动，液晶屏用来实时显示机械手的运行状态。 ( 4 ) 片内有两个可编程的通用同步异步接收器和转发器，可以与下位机 进行通信。我们采用r s 2 3 2 标准进行通信，其主要功能是与下位机进行通信， 接收数据、发送命令等。 ( 5 ) 单片机通过简单的两线串行接口t w i 来访问实时时钟芯片d s l 3 3 9 ， 为系统提供日期和时钟。此外，用户也可以通过软件对时间进行修改。 各个硬件模块的详细设计在以后章节中介绍。 3 1 2 手控盒功能介绍 五轴伺服机械手手控盒所要实现的功能如下： 上电后，显示海尔画面，按触摸屏任意点发送数据，从下位机接收参数和 工艺模号，通信成功后进入主画面( 如图3 2 ( a ) 所示) 。顶部提示栏显示当前 工艺名称和时间，中间信息栏显示当前的页面，底部提示栏显示“返回”等菜 单。主画面列写了电控系统的所有操作，用户根据按钮上面信息提示，做相应 的操作，完成相应的工艺选择和功能设定，如更换画面、保存工艺、手动操作、 归零、自动运行等操作。 由于存储容量的限制，所有机械手工艺等参数都保存在下位机中。当需要 修改这些参数时，手控盒需通过发送数据到下位机调用参数，经修改后再发送 给下位机保存。 点击“工艺程序调用 进入其操作工艺调用界面( 如图3 2 ( b ) 所示) ，点 击“名称显示 可以显示模号名称，也可在原工艺程序调用画面下输入所查的 模号数；点击“程序调用 ，此时模号下方有调用提示，根据提示判定调用是否 成功，若完成后，顶部提示栏将显示调用的工艺模号和名称，此时工艺调用完 成。控制器内也存有几套常用的固定工艺模式，操作人员在编写程序时可以直 1 4 第二章手控盒的设计与实现 接调用，也可以在此基础上修改工艺，以缩短编写时间。 点击“当前工艺浏览”可以查看当前运行工艺模式的动作，其操作界面如 图3 2 ( c ) 所示。如工艺需要改动可以点击“工艺编程”直接进入编程界面( 如 图3 2 ( d ) 所示) ，也可以从主菜单中点击程序编写进入编程界面。在“工艺编 程”界面，可以修改每一步的动作名称、动作时间，并可以插入删除动作。此 外还提供预览功能，如果工艺正确就可以传给下位机进行保存，以待下次调用。 点击“位置参数设定”或者“其他功能参数”可以进入其画面( 如图3 2 ( e ) 所示) 。位置参数是对机械手主臂n 臂前后上下待机等位置参数、速 度以及横行参数进行设定，设定好之后将参数传送给下位机保存。在“其他功 能参数设定”中，点击各个部分进入其画面进行设定，例如装箱、速度、两轴 联动、位置极限等的设定，同样也是设定之后传送给下位机进行保存。 点击主菜单的“手动操作”进入手动测试功能( 如图3 2 ( g ) 所示) ，可分 别进入主臂手动、副臂手动、横行等界面对各个轴的动作进行测试。点击触摸 屏上相应位置动作同时发送命令到下位机，下位机控制各轴运动。操作者根据 返回的信息显示，查看取件时的位置与当前模具和产品是否合适，以及翻、吸、 夹、抱、吹气等动作是否正确到位。如果更换模具或程序参数后，各轴的位置 必须重新修改，确认没有机械故障，运行没有问题才能进行自动运行。 机械手的主要工作就是“自动运行”( 如图3 2 ( h ) 所示) ，即取放零件。 当机械手在正常运行时手控盒要显示当前的运行状态、各轴位置参数、取件 产量，在系统出现故障时候能够报警并退出自动运行。操作者可控制下位机暂 停或者退出当前运行状态。当机械手运行出现故障的时候，用户可以进入报警 画面查看故障原因。 b ) l 艺调川界曲 g ) 土臂手动界丽 第三章手控盒的设计与实现 第二节手控盒的硬件设计与实现 3 2 1 电源和时钟电路 a t m e g a l2 8 l 可以工作在2 7 5 5 v ，可以选择3 3 v 电压或者5 v 电压，但 是电路板长时间上电，会引起板子温度升高器件发热，可能会烧毁器件，因此 基于低功耗的设计，我们采用3 3 v 的电压供电。本系统需要5 v 和3 3 v 直流 电源供电，其中5 v 是液晶控制电路所需要的电源，而c p u 芯片即a t m e g a l 2 8 需要供电电源是3 3 v ，所以我们需要把5 v 直流电源通过电压转换芯片转换成 系统所需要的3 3 v ，其控制电路如图3 3 所示。 图3 3 电压转换控制电路 a t m e g a l 2 8 芯片有能够通过熔丝位选择的时钟源，表3 1 所示即为芯片时 钟选项与熔丝位的对应关系。对所有的熔丝位，表中的“1 表示未编程，“0 表示已编程。 表3 1 芯片时钟与熔丝位的对应关系 芯片时钟选项c k s e l 3 0 外部晶体陶瓷振荡器 1 1 1 1 - 1 0 1 0 外部低频晶体 1 0 0 1 外部r c 振荡器 1 0 0 0 - 0 1 0 1 标定的内部r c 振荡器 0 1 0 0 0 0 0 1 外部时钟 0 0 0 0 芯片出厂时c k s e l = “0 0 0 1 、s u t - “1 0 ，在我们的设计中采用的是外部 晶体振荡器，其振荡频率为1 1 0 5 9 2 m h z ，所以熔丝位编程时应选择c k s e l = “1 1 1 1 、s u t = “0 1 ”、熔丝位c k s e l 0 以及s u t l 和0 用于选择启动时间。晶 体振荡器连接方式如图3 4 所示。 1 7 第三章手控盒的设计与实现 c 2 ” 工 g , 1甲 暑 图3 4 时钟接口图 在图3 4 中，x t a l l 和x t a l 2 分别为片内振荡器的反向放大器的输入和 输出，这个振荡器可以使用石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。不管使用的是 晶体还是谐振器，c 1 和c 2 的数值要一样。最佳的数值不仅与使用的晶体或谐 振器有关，还与杂散电