注塑机单轴伺服机械手控制系统设计

    注塑机专用机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。注塑机机械手通常由执行机构、驱动系统、控制系统等组成。执行机构是机械手取放物品，完成各种动作的机械结构。驱动系统为执行机构提供动力。动力有气动、液压、电动等形式。控制系统对驱动系统进行控制，使执行系统按指定的动作运行。

1控制系统总体方案

    控制系统采用两块78e516单片机作为核心微处理器，其中手动控制盒主要负责人机交流，包括键盘扫描，LCD页面显示、串口通信等；主控钢板是整个系统的核心，负责控制自动控制流程的状态转换、手动控制的执行、伺服电机控制和开关量的输入输出，并且负责将当前状态、位置等数据上传至手动控制盒以供显示。控制系统结构框图如图1所示。

图1 控制系统结构框图

2 主控制板硬件设计

    根据主控制板的功能要求分析，将主控制板硬件电路分模块进行设计。各模块功能相对独立，彼此协作完成完整的系统功能。在需要修改系统方案或者改变系统功能时，模块化的系统设计也能较小工作量，提高工作效率。每个模块单独设计，单独调试，提高了系统开发的成功率，同时也保证了系统工作的稳定性。

    根据注塑机取出机械手的具体功能要求，主控制板硬件电路可划分为以下7个模块，如图2所示。

图2 机械手主控制钣硬件电路框图

    1)CPU处理模块

    CPU处理模块是整个主控制板的核心，负责整个机械手的状态监测和运行控制。同时和上位机的通信以及和注塑机的通信。由于本系统需要处理的数据量很大，所以CPU模块还需要扩展外部RAM和ROM。

    2)开关量输入模块

    机械手运行时的定位，用到了大量的电磁接近开关，主控制板需要读取这些接近开关的状态，从而确定机械手的位置，判断下一步进行的操作。同时，来自注塑机的一些信号，比如开模完信号，也是以开关量的形式传送给主控制板的。在整个机械手控制系统中，需要接收的出入开关量有32个。

    3)开关量输出模块

    本单轴伺服横走机械手的大部分运动是靠气缸驱动的。CPU根据读取到的机械手当前状态，按照规定的动做流程，判断一下步需要执行的动做。这些动作指令以开关量的形式输出，送给电磁阀，通过电磁阀的开启和闭合控制启动执行结构，从而控制机械手的运动。在整个机械手控制系统中，需要输出的开关量有48个。
 

    4)伺服电机控制模块

    本机械手的伺服系统采用松下A5系列伺服电机和伺服控制器，工作在位置控制模式。这就要求何服电机控制模块产生用于控制伺服电机的脉冲。为了提高控制的精确性，还需要读取伺服电机的光电编码器产生的脉冲，形成闭环控制。由于对脉冲的产生和计数精度要求很高，产生的脉冲频率也比较高。所以在伺服电机控制模块，采用2片CPLD作为主要控制器件。

    5)数据总线模块

    由于整个主控制板上有RAM, ROM, 32个输入开关量、48个输出开关量、CPLD等多个模块需要进行数据交换，所以设计一个数据总线，合理的分配地址，安排好各数据模块和CPU之间的通信是非常重要的。

    6)通信模块

    主控制板是安装在机械手的电控箱内部的，直接控制机械手的运动，但是运行模式的设置、手动运行的指令发出和机械手运行状态的监视都是在手动控制盒上完成的。所以需要设计主控制板和手动控制盒之间通信的模块。

    7）电源模块

    电源模块负责给整个控制系统供电。MCL3需要+5V供电，CPLD需要+3.3 V供电，给中继板的信号需要驱动继电器，需要±12电源，和手动控制盒的通信采用RS422通信，需要±12V供电。这些电压都需要由电源模块产生，在设计时要考虑电压的稳定。

3 主控制板软件设计

    在机械手正常的工作流程中，需要控制机械手的运动流程，需要检测机械手的状态，需要进行通信等这些常规操作。同时需要处理伺服报警、手动急停、注塑机急停等突发状况。并且还需要有看门狗、软件陷阱、掉电保护、热启动时的系统恢复等软件抗干扰措施。由于需要执行的进程较多，并巨没有操作系统支持，所以需要为整个程序设计一个可靠的运行模式，在保证正常流程运行的同时，又能保证那些实时性要求比较高的程序能够及时得到响应。在程序设计时采用了前、后台程序的设计思想。其结构示意图如图3所示。

图3 分层控制运行模式

    根据整个软件系统的功能需求，把程序划分成了具有不同优先级的程序模块。这些模块包括:初始化模块、开关量输入模块、开关量输出模块、伺服电机控制模块、有限状态机模块、定时管理模块、监控模块、流程控制模块、通讯模块和急停处理模块等，这些程序模块之间的连接采用分层控制的思想，分成物理层、逻辑控制层和应用层。分层结构如图4所示。

图4程序分层控制示意图

    其中物理层模块包含的程序都是硬件驱动程序，负责访问硬件资源。逻辑控制层负责实现整个机械手的逻辑动作，该层同时接收来自物理层和应用层的数据，经过数据处理和逻辑判断后，将控制信息发送给各控制部件进行系统的控制。
 

4 通信显示系统设计

    系统采用两块单片机分别负责人机交流和系统控制，加之伺服控制器引起的干扰一般都比较大，因此必须采用可靠的方式进行串口通信。本系统采用Modbus TCP协议，负责人机交流的单片机作为主设备，负责控制的单片机作为从设备，主设备能初始化传输(查询)，从设备根据主设备查询提供的数据作出相应反应。协议能设置为两种传输模式:ASCII或RTU，在配置每个控制器的时候，同一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。两种传输模式的区别如表1所示。

表1 ASCII和RTU传输模式的区别

    ASCII协议和RTU协议相比拥有开始和结束标记，因此在进行程序处理时能更加方便，而且由于传输的都是可见的ASCII字符，所以进行调试时就更加的直观，另外它的LRC校验也比较容易.对于本控制系统来说，需要传输的数据量较小因此选择ASCII协议。一个典型消息帧如表2所示。

表2 典型消息帧的构成

    从机的接受流程图，用于为单机通信，所以无需判断从机ID是否吻合。LRC校验正确之后，将数据读出，从上位机传送过来的数据包含:伺服速度设定、伺服加减速时间设定和气动阀转台设定等，指令执行完毕，从机再将当前状态、伺服运行位置等数据打包上传到主机。

5 结论

    本文设计的注塑机机械手控制系统采用单片机作为控制核心，用两片CPLD完成高速数字逻辑电路的设计，采用主控制板和手动控制盒上下位机控制模式，使用RS422协议完成串行通信。本控制系统完成了机械手点动运行、手动运行、自动运行和教导的基本功能。同时实现了5米的最大行程、0.1毫米的定位精度、速度100档可调和加减速延时100档可调等性能要求，达到了该系统的预期设计功能和控制精度。