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摘要:設(shè)計(jì)了一種射出型機(jī)械手控制系統(tǒng).該系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)作為控制器,擴(kuò)展了輸入輸出接口、彩色液晶接口、鍵盤、FLASH存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)時(shí)鐘等模塊,并設(shè)計(jì)了SD卡接口,通過(guò)該接口可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件自更新功能.給出了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方法和軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程.通過(guò)在G28射出型機(jī)械手上測(cè)試表明,該系統(tǒng)完全能夠滿足此類機(jī)械手的控制要求.

關(guān)鍵詞:機(jī)械手;控制器;實(shí)時(shí)時(shí)鐘

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及中國(guó)勞動(dòng)力成本的不斷增加,國(guó)內(nèi)很多企業(yè)開(kāi)始從人口密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變,制造業(yè)發(fā)展模式也從粗放式向精細(xì)式轉(zhuǎn)變[1].工業(yè)機(jī)器人代替人進(jìn)行單調(diào)、繁重工作或在惡劣環(huán)境下工作[2].這種轉(zhuǎn)變給國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展帶來(lái)了巨大機(jī)遇.目前,國(guó)內(nèi)企業(yè)比較常用的工業(yè)機(jī)器人分為多關(guān)節(jié)型、旋臂型、直角坐標(biāo)型等,每種機(jī)器人有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合.關(guān)節(jié)型機(jī)器人一般價(jià)格較高,旋臂型機(jī)械手價(jià)格便宜.本文采用C8051F020單片機(jī)配合外圍電路,設(shè)計(jì)了一種旋臂式射出成型機(jī)械手控制系統(tǒng),通過(guò)SD卡接口,系統(tǒng)支持在應(yīng)用編程,顯示畫面也可通過(guò)該接口進(jìn)行更新,方便機(jī)械手生產(chǎn)公司能根據(jù)不同的客戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),設(shè)計(jì)不同的顯示界面.

1射出成型機(jī)械手動(dòng)作流程

射出成型機(jī)械手的工作過(guò)程可分為手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行模式.自動(dòng)運(yùn)行模式又可分為固定運(yùn)行模式和自定義運(yùn)行模式.固定運(yùn)行模式一般為機(jī)械手生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)常用的機(jī)械手動(dòng)作流程而設(shè)定的一系列機(jī)械手動(dòng)作序列.G28型射出成型機(jī)械手固定動(dòng)作模式包括L型夾公模、L型夾母模、U型夾公模、U型夾母模、二次置料夾公模(吸夾同時(shí))、二次置料夾母模(吸夾同時(shí))、U型夾公模(內(nèi)置料)、U型夾母模(內(nèi)置料)等.機(jī)械手所有旋入、前進(jìn)、吸夾等動(dòng)作都通過(guò)氣動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn).

2系統(tǒng)方案

如圖2所示,G28型射出成型機(jī)械手通過(guò)控制系統(tǒng)控制,并配合產(chǎn)品的模具和注塑機(jī)等設(shè)備,完成產(chǎn)品的壓制成型.對(duì)于不同的產(chǎn)品,機(jī)械手有著不同的動(dòng)作流程,不同動(dòng)作之間的協(xié)調(diào)通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號(hào)或時(shí)間延時(shí)來(lái)控制,控制過(guò)程極其復(fù)雜.機(jī)械手整個(gè)動(dòng)作流程的關(guān)鍵參數(shù)可以在彩色液晶屏上實(shí)時(shí)監(jiān)控,運(yùn)行過(guò)程中的錯(cuò)誤信息(出錯(cuò)時(shí)間及故障類型)也能夠?qū)崟r(shí)保存.為了滿足G28型射出成型機(jī)械手控制要求,整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了CPU模塊、存儲(chǔ)模塊、液晶模塊、SD卡接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、報(bào)警模塊、輸入輸出接口等.

3硬件設(shè)計(jì)

3．1CPU選擇

G28型射出成型機(jī)械手的控制系統(tǒng)需要的輸入輸出接口以及液晶屏、存儲(chǔ)器等的擴(kuò)展接口較多,普通的51單片機(jī)很難滿足要求,為此選用了SiliconLbsa公司生產(chǎn)的混合信號(hào)微控制器C8051F020[3G4].該CPU雖然是基于51內(nèi)核架構(gòu),當(dāng)時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí),速度可達(dá)25MIPS[5],并包含8組字節(jié)(8位)寬度輸入輸出口,通過(guò)適當(dāng)擴(kuò)展后完全能滿足該機(jī)械手對(duì)I/O口的要求.同時(shí),該CPU包含64KFLASH存儲(chǔ)器,4K＋256B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,8通道12位ADC,2個(gè)12位DAC、5個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器等[6G9].C8051F020接口原理見(jiàn)圖3.

3．2存儲(chǔ)模塊

根據(jù)G28型射出成型機(jī)械手的控制顯示要求,彩色液晶需要顯示的內(nèi)容非常豐富,主要包括開(kāi)機(jī)界面、機(jī)械手工作狀況查看界面、教導(dǎo)模式界面、自定義模式界面、運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)設(shè)定及查看界面、故障碼查詢界面、功能設(shè)定界面等.圖4給出了機(jī)械手工作狀況查看界面和教導(dǎo)模式界面的顯示內(nèi)容.由于每一頁(yè)顯示界面的基本色調(diào)和固定的圖形在系統(tǒng)工作時(shí)基本不變,為了編程方便,系統(tǒng)把所有顯示界面的基本色調(diào)和固定圖形都保存在擴(kuò)展的存儲(chǔ)器中,系統(tǒng)工作時(shí)只要程序控制刷新相應(yīng)的參數(shù)和一些圖形的顏色.控制系統(tǒng)擴(kuò)展了32MB的存儲(chǔ)器.系統(tǒng)采用了8片AT49BV322DFLASH存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn),其中28MB用于顯存功能,4MB用于機(jī)械手相關(guān)參數(shù)的保存.AT49BV322D采用字節(jié)工作模式,所以把8片存儲(chǔ)器的IO0—IO7并聯(lián)作為數(shù)據(jù)口,把8組地址(IO15、A0—A20)并聯(lián)連接(字節(jié)模式下,IO15作為最低位地址),每片存儲(chǔ)器的片選采用一片74LVC138三G八譯碼器控制[10],譯碼器的A、B、C腳分別作為整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的高三位地址.經(jīng)過(guò)擴(kuò)展后,參數(shù)保存單元的地址范圍固定為:000000H—1FFFFFH,顯存的地址范圍為200000H—1FFFFFFH.

3．3液晶模塊

液晶模塊采用深圳拓普微公司生產(chǎn)的TFT型彩色液晶模塊LMT035DNAFWU.該液晶分辨率為320像素×240像素,模塊使用了圖形加速控制器T8000,彩色顯示度為65K色度,內(nèi)置中文字庫(kù)和畫圖指令,可以使用并行口或串行口與CPU通信[11].為了加快通信速度,系統(tǒng)采用了并行通信接口.LMT035DNAFWU的數(shù)據(jù)總線寬度可以設(shè)置為8位和16位,本系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線采用8位,8位數(shù)據(jù)線依次與C8051F020的P7口相連.液晶模塊18位地址線中,高2位地址線分別與P5．0、P5．1連接,低16位地址分別與P6和P7口連接,由于P7口通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式工作,所以液晶低8位地址與P7口連接時(shí)中間加了一片74LVC373.74LVC373是一款八D數(shù)據(jù)鎖存芯片[12].液晶模塊的/WR0寫信號(hào)通過(guò)p4．7控制.液晶模塊接口見(jiàn)圖5.

3．4SD卡接口

通過(guò)SD卡接口、配合為系統(tǒng)編寫的自更新程序和CPU的IAP功能,該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的自更新和顯存內(nèi)每一頁(yè)固定顯示內(nèi)容的自加載功能.

3．5鍵盤和報(bào)警模塊

G28型射出成型機(jī)械手控制面板需要17個(gè)按鍵.為了節(jié)省CPU的I/O口,系統(tǒng)采用了5×6矩陣鍵盤,在其中17個(gè)交叉點(diǎn)安置17個(gè)獨(dú)立式按鍵。

3．6實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

機(jī)械手工作的時(shí)候,液晶顯示屏幕能顯示當(dāng)前的日期和時(shí)間,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障被檢測(cè)到的時(shí)候(如機(jī)械手旋入的時(shí)候安全門信號(hào)丟失等),控制系統(tǒng)需要記錄故障的類型及發(fā)生故障的準(zhǔn)確時(shí)間,以方便維護(hù)和檢修.為此系統(tǒng)采用了一片實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302,該芯片是DALLAS公司生產(chǎn)的涓流充電時(shí)鐘芯片[14].本系統(tǒng)使用獨(dú)立的32．768kHz晶振為該芯片提供時(shí)序.系統(tǒng)工作時(shí),DS1302使用系統(tǒng)提供的電源供電,系統(tǒng)關(guān)閉后,芯片使用紐扣電池供電.

4軟件實(shí)現(xiàn)

4．1開(kāi)機(jī)流程系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,然后進(jìn)行開(kāi)機(jī)自檢并顯示首頁(yè),系統(tǒng)不斷判斷目前工作模式,根據(jù)不同工作模式執(zhí)行相應(yīng)的程序.開(kāi)機(jī)流程見(jiàn)圖7.

4．2手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行模式

手動(dòng)運(yùn)行模式為人工操作模式,操作員根據(jù)操作步驟通過(guò)鍵盤按鈕控制G28機(jī)械手完成相應(yīng)動(dòng)作。

4．3程序自更新的實(shí)現(xiàn)

射出成型機(jī)械手一般工作在注塑等環(huán)境惡劣的場(chǎng)合,而且系統(tǒng)開(kāi)發(fā)定型后,調(diào)試接口一般都已經(jīng)去除,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級(jí)一般只能換主板,這將造成很大的浪費(fèi).G28型射出成型機(jī)械手控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟件的自更新功能.系統(tǒng)使用的C8051F020本身可以實(shí)現(xiàn)IAP功能,系統(tǒng)預(yù)先燒錄了引導(dǎo)程序(bootloadGer)[15].圖10為應(yīng)用軟件自更新的流程圖.系統(tǒng)上電后,在絕對(duì)地址0000H處存放的不是跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序的指令,而是固定存放一條跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序的指令.引導(dǎo)程序判斷是否有SD卡,如果有SD卡,就判斷是否有應(yīng)用程序執(zhí)行文件(bin文件,文件名稱必須按要求固定不變),如果沒(méi)有新的應(yīng)用程序文件,就跳轉(zhuǎn)到目前系統(tǒng)的應(yīng)用程序執(zhí)行,如果有新的應(yīng)用程序文件,就讀取文件,替換系統(tǒng)舊的應(yīng)用程序.更新完成后,引導(dǎo)程序跳轉(zhuǎn)到更新后的應(yīng)用程序地址執(zhí)行.系統(tǒng)和SD卡的數(shù)據(jù)交換采用SPI方式進(jìn)行。

5結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種射出成型機(jī)械手控制系統(tǒng).該控制系統(tǒng)可以使機(jī)械手工作在手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行模式下,運(yùn)行過(guò)程中的故障信息、運(yùn)行次數(shù)實(shí)時(shí)保存記錄,通過(guò)彩色液晶屏,能夠?qū)崟r(shí)觀察動(dòng)作執(zhí)行相關(guān)信息及外圍協(xié)調(diào)信號(hào)的狀態(tài),而且能夠智能化地判斷每一步動(dòng)作與動(dòng)作之間的合理性.軟件的自更新功能使應(yīng)用程序的升級(jí)變得更為簡(jiǎn)單方便.該系統(tǒng)在G28型射出成型機(jī)械手的測(cè)試和應(yīng)用表明,該控制系統(tǒng)能夠滿足射出成型機(jī)械手的控制要求.

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作者：張飛1;何雅琴2;錢金法1 單位：1．常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院2．常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院