注塑機取模機械手控制系統(tǒng) (2)

1、摘要 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。單旋臂式注塑機取模機械手是一種抓取注塑工件的機械手,該機械手占用空間小，穩(wěn)定性好、效率高，是注塑行業(yè)抓取注塑工件不可缺少的自動化設備，該機械手以氣動方驅動，簡單可靠，操作、維修方便。有較好的市場應用前景。 本文主要介紹基于單片機的單旋臂式取模機械手的控制板的設計，采用直接控制結構，完成了硬件電路設計，包括時鐘復位電路、輸入輸出通道、液晶接口、鍵盤接口、串口下載等，包括菜單、機械手動作位置監(jiān)督、故障報警等相關功能。整個控制系統(tǒng)結構簡潔、各模塊功能明確。

2、機械手采用的不同硬件結構，針對目前開發(fā)的單懸臂式注塑機取模機械手控制板提出了相應解決方案。該控制板采用模塊化的電路設計各部分功能明確。同時，考慮到注塑機取模機械手惡劣的工作環(huán)境，在硬件上加入了抗干擾設計，有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在軟件方面，不但滿足了機械手的動作要求，也加入了抗干擾設計，彌補硬件抗干擾的不足。整個控制系統(tǒng)調試完成，基本完成機械手的各功能要求。 關鍵詞:單片機;注塑機取模機械手;模塊化；抗干擾Abstract The take-out robot for Plastie injection15 arobot for grabat work Pieceof Plasticinje

3、ction .The robot take uPthesmallsPaee，goodStability，highefficieney，it 15 indispensable automation equipments inplastie injection fleld.The robot drive with theair pressure，simple andere dibility would beser vieeeon venienee.Directeontrolstrueture15usedintheeontrolsystem，asatake一outrobotforPlastieinj

4、ection，hardwaredesignincludetheinPut，outPut，LCDdisPlay，keyboard，ISP，soflwaredesignineludealarm，malfunetionreasondisPlay，teaeh，ete.Thestrueture15eoneision.Thefunctionofeachmold15exPlieit.AfterinirodueethePresenteonditionandexistentProblemoftake一outrobotforPlastieinjeetion，thearticleillustrateddiffere

5、nthardwarestructureandProPosedthewaytosolVeProblem.ThehardwarePartoftheeontrolsystemchoosesdireeteontrolstrueture，meanwhile;thePlanforconsideranti一inierferencedesignareusedforcancelingthebadenvironmentoftherobotworking.Also，Providefriendlyinierfaeeforshortenthetimeofstudyabouttherobotandsoftwareanii

6、一interfereneedesignformakeuPthewea比essofthePartofhardwaredesign.ComPletethesystemadjustsandRealizationfunetionoftherobot. KeyWords:MCU:take-out robot for Plastieinjeetion;anti-inierfereneee目錄第一章 緒論1.1注塑機取模機械手的發(fā)展歷程與現狀 1.2課題的來源及任務1.2.1課題的來源1.2.2課題完成的任務1.3課題的意義第二章 注塑機取模機械手控制板的總體設計2.1控制板的總體方案2.1.1機械手控制板

7、典型方案2.1.2常用核心處理器2.1.3本控制板采用的方案及選用的核心處理器2.2控制板功能及基本解決方案2.2.1控制板功能要求2.2.2控制板基本解決方案2.3 系統(tǒng)的組成框圖 第三章 注塑機取模機械手控制系統(tǒng)的硬件設計3.1引言3.2硬件模塊設計.3.3CPU、ISP、急停、輸入、輸出通道模塊及其電路設計3.3.1 CPU選用及其性能介紹3.3.2 ISP及其電路設計3.3.3 急停電路設計3.3.4輸入通道及其電路設計3.3.5 輸出通道及其電路設計3.4 鍵盤端口和狀態(tài)燈及其電路設計3.4.1鍵盤、狀態(tài)燈及其電路設計3.4.2鍵盤接口及其電路設計3.5液晶顯示端口及其電路設計第四章

8、 注塑機取模機械手控制系統(tǒng)的軟件設計4.1引言4.2軟件總體設計4.2.1功能性設計4.2.2可靠性設計4.2.3運行管理設計4.3機械手控制系統(tǒng)的軟件模塊設計和開發(fā)平臺、編程語言4.3.1軟件模塊設計4.3.2開發(fā)平臺和開發(fā)語言4.4機械手急停程序設計4.5機械手動作程序設計4.6鍵盤掃描和鍵盤讀取模塊4.6液晶顯示模塊第五章 注塑機取模機械手控制系統(tǒng)的軟、硬件抗干擾設計5.1引言5.2挑選合適的元器件5.2.1元器件的失效機理5.2.2元器件的選擇5.2.3降額設計5.3抗干擾措施5.3.1光電隔離去禍電容、旁路電容、磁珠5.3.3地線安排5.3.4看門狗技術第六章 總結致謝參考文獻附錄第

9、一章 緒論 本章簡要介紹了國內外注塑用機械手的發(fā)展歷程和未來的發(fā)展方向在深入分析目前國內對于注塑機用機械手技術現狀和市場需求之間的關系和矛盾的基礎上介紹了本課題的來源并描述了本課題的意義和及所要完成的具體工作。1.1工業(yè)機械手的發(fā)展歷程與現狀 機械手是能夠模仿人手和手臂的功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可以部分或全部代替人力，從事一些單調、繁重的重復性勞動，實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境中操作得以保護人身安全當前正廣泛用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 工業(yè)機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的手足

10、和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作;代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。目前主要應用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現生產自動化。隨著生產的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。 早在上個世紀40年代，美國在原子能實驗中，率先采用機械手搬運放射性材料，工作人員在安全室操縱機械手完成各種動作和實驗，其控制系統(tǒng)采用遙控操作方式。遙控操作方式是一種最簡單的機械手控制形式，機械手(

11、執(zhí)行機構)通過機械或電動等仿形機構，跟蹤操作人員的手臂(操作機)動作。其突出特點是機械手工作過程中需要人的參與，能夠充分發(fā)揮人的視覺、聽覺等器官的傳感與檢測能力，以及人腦的思維、判斷與決策能力。但因為其對人的依賴，自動化程度不高。 50年代后，機械手逐步推廣到工業(yè)生產部門，用于在高溫、污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置，在自動機床、自動生產線和加工中心中應用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。在這些機械手系統(tǒng)中，普遍采用了繼電邏輯控制或計算機邏輯控制，機械手按照事先編制好的控制邏輯，自動完成順序動作。 進入20世紀90年代，由于具有一般功能的傳統(tǒng)工業(yè)機

12、器人的應用趨向飽和，而許多復雜操作或特種應用卻需要具有一定智能的機器人參與，使智能機器人獲得較為迅速的發(fā)展。智能機器人的機械部分與機械手并無本質區(qū)別，但控制系統(tǒng)發(fā)生了根本性的變化。智能機器人不僅能夠根據事先編制的程序實現預定的動作，同時能夠探測工作過程中周圍工作條件的變化，自動修正運動參數或運動規(guī)律。 近幾年，中國注塑機發(fā)展迅猛，每年都以超過30%的速度增長。隨著產業(yè)的發(fā)展，用戶對注塑機自動化程度的要求也越來越高。一個大型的注塑企業(yè)通常會有幾十甚至幾百臺注塑機需要管理，無論是從生產安全、生產效率還是從產品品質的角度來看，都不可能用人手來取產品，這個時候就迫切需要用到注塑機取模機械手采用該機械手

13、取工件，不僅大大提高了生產效率，而且大量節(jié)省了操作員工，提高了操作人員的安全性和舒適程度。目前，我國內地僅有少數幾個企業(yè)通過仿制的方式在生產注塑機機械手，大量的產品依靠臺灣、日本和歐美進口。進口機械手不僅成本高昂，其設計思路更適合西方人的思維卻不太適合中國人的操作習慣。目前國內開發(fā)的機械手控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面有所欠缺，而作為控制部件的主要部分的控制板的要求更高，研制與開發(fā)一種工作效率高、成本低，性能穩(wěn)定的注塑機取模機械控制板難度加大。1.2課題的來源及任務1.2.1課題的來源 中國改革開放20多年來，塑料加工行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，同時，注塑成型設備的自動化程度也越來越高。為了適應這種發(fā)展趨勢，

14、越來越多從事塑料加工行業(yè)的廠商在其注塑機上都配備了注塑機取模機械手，以減輕繁重的體力勞動、改善勞動條件和安全生產、提高注塑成型機的生產效率、穩(wěn)定產品品質、降低廢品率、降低生產成本、增強企業(yè)的競爭力。機械手可以完成注塑生產過程中的多個工序。在我國，目前注塑機取模機械手主要用于快速地從模具中取出工件并且送到下一個工位上。一個注塑用機械手通常可由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成其中:l)執(zhí)行系統(tǒng)是機械手抓取或釋放工件、實現機械手動作的系統(tǒng)，通常由臂部、腕部和手部等部件組成。手部是用來抓持工件(或工具)的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸

15、附型等。運動機構使手部完成各種轉動(擺動)、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式。 2)驅動系統(tǒng)是為執(zhí)行系統(tǒng)的各個部件提供動力的系統(tǒng)，有氣動、液壓、電動和機械等形式。氣動式速度快、成本低、結構相對簡單而且有較高的重復定位精度;而液壓式臂力大，定位精度高，可以實現連續(xù)控制，但是容易漏油，造成污染。 3)控制系統(tǒng)對驅動系統(tǒng)進行控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照預定的要求而運動。主控制板的設計是系統(tǒng)的主要控制部件，包括位置檢測裝置和程序控制兩部分，通常采用點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種方式。注塑機取模機械手的技術參數影響到機械手的整體工作性能:1)抓重是

16、指機械手抓取制品的額定重量或載荷，通常，注塑機取模機械手的最大抓重是2千克(包括夾具重量)。2)機械手臂的運動參數是指機械手的上下行程、引拔行程、旋入旋出角度等參數。3)定位精度是指機械手的位置設定精度和重復定位精度。以上的幾個技術參數主要通過機械的方式來達到，作為注塑機取模機械手控制板的設計，主要關注以下的幾個問題: 1)機械手的工作效率在很大程度上決定了工廠生產注塑工件的效率，機械手完成一套動作的時間成為循環(huán)時間，循環(huán)時間越短，機械手工作效率越高，單位時間內完成的取模動作就越多，當然，在具體工作過程中，這個時間還要取決于注塑機的注塑周期。 2)隨著注塑機取模機械手的普及化，其市場需求量劇增

17、，整體價格不斷下調，為了占領國內的注塑機取模機械手市場，在開發(fā)機械手控制板時，必須在滿足機械手性能的前提下，盡量降低成本。 3)機械手在抓取工件時，一個典型的工作循環(huán)可能是:機械手收到注塑機開模完信號，機械手下降、前進、機械手夾取工件、機械手后退、上升、檢測是否夾住了工件、機械手收到一次上位信號，注塑機關模、機械手旋出、下降、機械手放工件、機械手上升、觸發(fā)二次上位信號、機械手旋入，然后等待注塑機的開模信號。機械手與注塑機配合工作，保證機械手運行的穩(wěn)定性至關重要，如果出現注塑機關模時機械手還停留在下行位置，或者注塑機還沒有完全開模，機械手已開始下行等情況，就會發(fā)生機械手與注塑機的直接觸碰，造成注

18、塑模具或機械手的損壞，嚴重危及人身及設備財產安全。而控制板開發(fā)則遇到了比較大的困難，主要表現在以下幾個方面:1)可靠性問題 由于注塑用機械手在工廠車間里工作，且機械手直接安裝在注塑機上。注塑機開關模時，負荷變化比較大，會造成很大的浪涌電壓。這種大電流的涌動會嚴重影響控制系統(tǒng)的正常運行。國內仿制的控制系統(tǒng)的抗干擾能力不能完全滿足工作現場的需要，程序紊亂、死機、設備損壞等情況時常發(fā)生。2)工作效率 工作效率的好壞取決于注塑機的注塑周期、機械手各運動導軌、氣路中各支路氣壓和軟件延時，當多種因素調節(jié)合理才能達到理想的工作效率。3)開發(fā)成本 作為一種面向市場的產品，在滿足設計要求的前提下，在產品開發(fā)階段

19、就致力于成本控制，這對該產品的市場生存能力至關重要。4)人機交互 由于國內生產的注塑機取模機械手控制系統(tǒng)仿制國外產品時，主要注重功能實現而忽視了人機交互能力的研究，操作界面不夠人性化，同時對操作人員的素質要求比較高。5)系統(tǒng)升級能力控制系統(tǒng)的軟件通過燒寫器寫入單片機，不支持在系統(tǒng)編程能力，軟件升級比較困難。因為注塑機取模機械手可以在很大程度上提高生產率和降低生產成本，能夠穩(wěn)定和提高注塑產品的質量，避免因為人為的操作失誤而造成不必要的損失，所以，注塑機取模機械手在注塑生產中的作用將會變得越來越重要。隨著我國注塑工業(yè)的迅猛發(fā)展，將會有越來越多的機械手用于上料、混合、自動裝卸模具、回收廢料等各個工序

20、上，并且將向著智能化的方向發(fā)展。1.2.2課題完成的任務 由于本設計主要是對機械手控制板的設計，設計僅為主要控制電路的設計，不需要單獨設計電源部分和驅動部分，任務量大為減少。作為系列注塑機取模機械手控制板設計的第一階段，主要針對單旋臂式注塑機取模機械手的控制要求而展開，具體研究內容包括:硬件電路設計和軟件編程兩大部分。其中，硬件電路包括時鐘復位電路模塊、開關量輸入輸出模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、ISP模塊、串口通訊模塊;軟件部分包括液晶菜單設計、機械手固定動作程序設計、聲光報警設計、機械手動作狀態(tài)設計。本課題所設計的單旋臂注塑機取模機械手控制板的主要特點是: l)硬件部分采用模塊化設計，自行

21、設計通用接口，盡可能的減小電路板空間占有量，在電氣、機械性能上得以增強，可靠性高。 2)采用增強型單片機，大容量的程序存儲器、數據存儲器和閃存都集成在一塊單片機內，減少了電路板上的元器件數目。 3)從硬件和軟件兩個方面加入抗干擾措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 4)在電路板上特別增加了ISP模塊和軟件的模塊化編程都方便程序調試和以后的軟件升級。1.3課題的意義 本課題涉及到單片機技術、模擬電子技術、數字電子技術、計算機控制等多個學科。通過本課題的工作，不僅可以實現注塑機取模機械手的單片機控制，而且對于多學科交叉、滲透與交流有積極的促進作用。目前，國內廠商所用的注塑用機械手的控制部分，大部分是購買國

22、外的控制板，國內的控制板由于穩(wěn)定性和抗干擾效果不理想，運行故障率比較高。本課題以加強穩(wěn)定性和抗干擾能力為切入點，注重成本的降低。希望通過這一課題的研究，了解機械手的有關知識和中國現代工業(yè)的發(fā)展狀況，達到對以前所學知識進行了解和鞏固并熟練應用，使注塑用機械手在我國得以推廣。同時，通過畢業(yè)設計，了解設計某項系統(tǒng)的具體思想和操作步驟，為以后更深一部的研發(fā)創(chuàng)造打下良好的基礎。第二章 注塑機取模機械手控制板的總體設計2.1控制板的總體方案 目前，在市場上的注塑用機械手的種類主要有單懸臂式機械手、雙懸臂式機械手、雙臂橫走式變頻機械手、單軸伺服雙臂橫走式機械手、三軸伺服雙臂橫走式機械手等，對于不同的注塑用機

23、械手，其動作要求略有不同。詳細要求見表2.1、2.2550mm范圍上下行程（mm）動作名稱321表2.2 機械手動作行程要求序號45前后行程（mm）旋出角度（°）爪旋角度（ °）最大夾取負荷（kg）120mm5090902表2.1 不同機械手的動作要求（無吸）（無吸）動作型號上下引拔進退橫走吸夾定點放置位置單旋臂式雙旋臂式司服橫走式旋入旋出 本文主要研究的是單旋臂式注塑機取模機械手，這種注塑機取模機械手需要完成的動作有:上行，下行、前進、后退、旋入、旋出、夾。這幾個動作相互組合，完成相應的動作安排。 這幾個單步動作并不是任意的組合都可以進行，為了機械手的正常、安全工作，必須

24、妥善處理以下動作之間的聯鎖控制: 1)在機械手下行位置時，機械手不能進行旋入、旋出動作。 2)機械手在完成一套動作后必須回到原始位置。 3)由于機械手是和注塑機配合工作，所以在機械手開始第一個動作之前，要等待注塑機開模完信號。換句話說，在開模完信號到來后，機械手工作，在開模完信號沒有到來時，機械手等待。 4)在機械手同時處在旋入狀態(tài)和下行位置時，不能向注塑機發(fā)允許關模信號。當發(fā)現以上錯誤時，根據當時機械手和注塑機的不同情況，機械手給注塑機不同的控制方案: l)機械手在上行位置時按下急停按鈕，機械手立即停止工作，并使允許關模信號無效，此時如果注塑機沒有關模，則由于注塑機沒有收到允許關模信號而處在

25、待機狀態(tài)。如果注塑機己經關模，則注塑機在正常完成一次注塑工作后開模，等待允許關模信號。 2)如果機械手在下行和旋入位置時按下機械手急停按鈕，機械手立即停止工作，并給注塑機發(fā)機械手急停信號，此時注塑機立即停止工作。2.1.1機械手總體控制方案： 機械手的整體控制部分主要有電源、電控箱、氣閥箱和執(zhí)行結構，具體圖形如下：主控制板中繼板近接開關電磁轉向閥機械手電源鍵盤液晶顯示注塑機圖2.1 控制結構框圖 在這種結構設計中，硬件部分只要分為主控制板、中繼板、鍵盤板和液晶顯示電路板，對機械手的控制是通過主控制板直接對中繼板發(fā)控制信號，中繼板上的繼電器根據主控制板的控制信號對氣閥箱進行控制，從而對機械手進行

26、相應的動作控制。主控制板、鍵盤板和液晶顯示模塊經過合理設計后被安裝在控制盒中，繼承性好，外部通過一根電纜連到中繼板上，實現對機械手的直接控制 。這種硬件結構的優(yōu)點是:硬件結構簡單，主CPU對機械手的各運動機構進行直接控制，適用于單旋臂式注塑用機械手和雙旋臂式注塑用機械手。這種硬件結構的不足之處是:由于硬件結構相對簡單，唯一的控制單元核心要負責檢測鍵盤、液晶顯示、輸出機械手的動作和檢測輸入點等大量的工作，這對處理器的處理能力和即時性提出了挑戰(zhàn)，而且輸入輸出點有限，控制集中，只能適用于懸臂式機械手等緊湊系統(tǒng)，而對于相對大型的橫走式機械手則無法適用。因此，對它的總體方案了解后，才能具體設計它的控制板

27、的設計方案。2.1.2常用核心處理器1)單片機 單片機具有較高的集成度，特別是當前比較流行的增強型單片機，一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM(EEPROM或EPROM)、時鐘，定時器。外部中斷、模數轉換、數模轉換、SPI、PWM、PCA、ISP、IAP等諸多功能，價格從幾圓到幾十圓不等，但總體來說比較便宜。其缺點是處理速度相對較慢，當要處理的數據量特別是浮點運算工作量比較大、實時性和精度要求比較高時運用單片機開發(fā)控制系統(tǒng)就比較困難了。2)ARM ARM核處理器32位處理器，是具有高性能、廉價、低功耗的租RISC處理器，同時，ARM處理器可以支持8位、16位、32位數據類型，采用流水線來增加

28、處理器指令流的速度，鎖相環(huán)技術進一步提高指令運行速度?？梢郧度氩僮飨到y(tǒng)，運用于更加復雜的操作對象。其缺點是開發(fā)周期長，多用于嵌入式運用。3)DSP DSP器件具有很高的集成度，運行速度更快，多級流水線和內置的高速硬件乘法器，并且提供了高度專業(yè)化的指令集，這些都提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運算速度，所以DSP器件多用于以算法為主的嵌入式系統(tǒng)。其缺點是開發(fā)難度相對比較大，而且DSP器件的價格也不便宜。 上述的選擇方案各有優(yōu)缺點，對于控制系統(tǒng)的設計不需要選擇速度最快的硬件器件，而是在達到設計要求的前提下，盡量降低系統(tǒng)的運行速度和開發(fā)成本。這樣也提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。2.1.3本控制板采用的

29、方案及選用的核心處理器 本控制系統(tǒng)的開發(fā)主要是針對單懸臂式注塑用機械手，在機械臂工作時，運用一個機械手臂，從注塑機中吸或夾出注塑成型好的工件，通過對此機械手運動要求,注塑機通信和檢測機械手運動位置的研究，得出單旋臂式注塑機取模機械手一共需有11個輸出點和9個輸入點?？紤]到注塑用機械手的工作環(huán)境，根據以上的論述，在硬件結構上，選用直接控制不但可以完全勝任對此型號注塑機取模機械手各個動作的控制安排，而且硬件結構緊湊，開發(fā)周期短。同時，考慮到此款機械手控制工作量較小，以及需要在車間惡劣的環(huán)境重可靠的運行,根據前文的敘述，DSP更加注重于算法，ARM適合于復雜的嵌入式系統(tǒng)，而普通8位單片機注重對突發(fā)事

30、件做出相應，故本系統(tǒng)采用單片機作為控制核心較合適。2.2控制板功能及基本解決方案2.2.1控制板功能要求 單懸臂式機械手要配合注塑機的工作完成注塑工件的提取，在設計過程中要考慮注塑機提供給注塑機取模機械手的信號接口。同時，為了使操作者能夠方便地對注塑機取模機械手的操作、控制和編程，確定控制系統(tǒng)功能要求如下:l)主控制板上包括主回路、時鐘鍵盤和液晶顯示等部分，設計時要確定合理的電路板尺寸，努力減少體積和控制盒重量。2)考慮到注塑用機械手的工作環(huán)境比較惡劣，特別是在注塑機開關模時，電路中的電流變化比較大，故硬件布局和電路走線要合理，在電路設計時應重點進行抗干擾設計，提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力。3)根

31、據機械手的運動狀態(tài)，要有明確的狀態(tài)顯示，能完成對機械手相關動作設置。4)根據機械手的動作要求，設計適當數量的按鍵，方便工作人員對機械手操作。5)機械手應具有自診斷與故障報警功能，當故障出現時，系統(tǒng)會發(fā)出警報對故障原因給出一個初步的診斷。2.2.2控制板的基本解決方案 針對以上的功能要求，本文采用以下基本解決方案:l)為方便工作人員操作機械手，機械手控制盒的設計需盡量小巧、輕便，為達到這一設計要求，在電路板設計中，可全采用集成度比較高的元件，電路布局緊湊，采用內含大容量RAM的高性能單片機等，以盡量減少電路板上的芯片數目，簡化系統(tǒng)。2)工業(yè)控制設備都非常注重安全性，本控制系統(tǒng)同樣也非常重視機械手

32、工作時的設備和人身安全。目前，在抗干擾方面，有很多行之有效的結構，比如在電源端加入壓敏電阻、磁珠，在輸入輸出通道加光電隔離器、低通濾波器等，都能有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。3)鍵盤可以完成機械手的相關動作設計，鍵盤的設計形式比較單一，主要是按鍵數的安排，按鍵太多，軟件設計相對簡單，但增加了硬件設計的復雜程度，按鍵少，雖然硬件相對簡單，但是增加了軟件設計難度，因此，需采用一定的軟件措施來簡化鍵盤操作、減少實際使用的按鍵數。4)顯示模塊在當前的控制系統(tǒng)中非常常見，通常采用LED、LCD顯示。 LED可以顯示簡單的亮滅狀態(tài)，而LCD可以設計菜單，顯示更復雜的內容，完成多樣化的操作。在進行注塑機取模機械

33、手操作和使用過程中，需要通過顯示模塊顯示系統(tǒng)狀態(tài)，并進行復雜的人機交互，如: 1. 數值設定功能 2. 功能燈顯示功能 3. 機械手當前動作顯示功能 4. 機械手急停、軟件復位功能 5. 機械手動作顯示功能 6. 機械手總運行次數顯示 所以，LCD顯示器是本系統(tǒng)的不然選擇。5)軟件采用模塊化編程，在研究機械手功能要求和穩(wěn)定性要求的基礎上，軟件功能從以下幾大方面進行規(guī)劃: 1. 機械手的緊急停止 2. 機械手的鍵盤控制 3.機械手狀態(tài)實時顯示功能 4.機械手單步運動功能 5.機械手成套動作控制功能2.3 系統(tǒng)的組成框圖 針對以上分析，不難得出基于單片機的機械手主控制板的設計思路，該板子所實現的功

34、能相對比較簡單，輸入輸出點不多，不需要對其I/O口進行擴展，故用一塊單片機芯片即可。作為單片機系統(tǒng)板的設計，必需要有時鐘復位電路、鍵盤接口、輸入輸出通道等，分析得其系統(tǒng)組成圖如下：系統(tǒng)組成框圖2.2所示 ：圖2.2 機械手控制板框圖時鐘電路復位電路鍵盤輸入電路光耦觸發(fā)電路光耦觸發(fā)電路信號輸出通道信號輸入通道聲光報警電路緊急停止回路ISP電路LCD顯示電路 單 片 機第三章 注塑機取模機械手控制系統(tǒng)的硬件設計3.1引言 作為一個完整的控制系統(tǒng)，硬件部分的合理設計對于整個控制系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定工作是非常重要的。本章在研究注塑用機械手在工廠車間的工作環(huán)境的基礎上，詳細介紹了輸入輸出通道、液晶顯示端口、

35、鍵盤掃描、緊急停止、報警電路和讀取端口等全部硬件電路設計方法和成果。3.2硬件模塊設計 硬件部分采用模塊化設計，能夠將復雜的系統(tǒng)劃分成任務單一的模塊，既有利于分時工作和系統(tǒng)維護與檢修，也能實現項目間模塊設計成果的通用化。模塊化設計要求根據具體的實際情況和要求來組成系統(tǒng)，在組成一個系統(tǒng)時，各個模塊之間不能相互干擾，要協調工作，完成相應的功能。按照單旋臂式注塑機取模機械手的動作和操作要求:輸出通道用于輸出控制機械手信號和給注塑機相應的信號、輸入通道檢測接近開關的信號、液晶用于顯示當前機械手的工作狀態(tài)以及菜單鍵盤用于鍵盤掃描和鍵盤讀取。從功能上看，本控制系統(tǒng)可以分為以下幾個模塊，每一個模塊需負責的任

36、務如下:1)輸入通道 輸入通道負責把接收接近開關的信號和來自注塑機的控制信號傳輸到單片機中，檢測機械手的動作狀態(tài)。2)輸出通道 輸出通道負責把單片機的輸出控制信號傳輸給機械手產生相應動作、傳輸給注塑機，實現機械手和注塑機的動作配合。3)鍵盤及狀態(tài)燈 在菜單確認、光標移動、相關功能設置和動作編輯等操作中，都需要鍵盤參與，為了合理完成機械手功能和降低硬件設計的復雜程度，可能有些按鍵還必須具有復用功能。鍵盤端口主要用于鍵盤掃描、鍵值讀取和狀態(tài)燈編輯接口，狀態(tài)燈用于顯示機械手和注塑機的關鍵信號。采用狀態(tài)燈是為了方便機械手的故障檢修和動作調試。4)液晶顯示模塊液晶顯示用于顯示機械手位置狀態(tài)、運行次數等內

37、容。具體模塊圖如下：CPU處理模塊ISP模塊液晶顯示接口液晶顯示鍵盤掃描輸出通道輸入通道近接開關與注塑機通訊輸出控制機械手圖3.1控制板硬件模塊圖 3.3)CPU、ISP、急停、輸入、輸出通道模塊及其電路設計CPU選用及其性能介紹在當前市場上有很多品牌的單片機，性能優(yōu)良、價格低廉，本控制系統(tǒng)設計考慮到要加液晶屏，故選用一款大容量閃存處理器AT89C51. AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃

38、爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，主要特性： ·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 ·壽命：1000寫/擦循環(huán) ·數據保留時間：10年 ·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz ·三級程序存儲器鎖定 ·128×8位內部RAM ·32可編程I/O線 ·兩個16位定時器/計數器 ·5個中斷源 ·可編程串行通道 ·低功耗的閑置和掉電模式 ·片內振蕩器和時鐘電路3.3.2ISP及其電路設計 本控制系統(tǒng)中，硬件電路搭建結構，

39、軟件實現各種具體的功能，在任何一個控制系統(tǒng)中，都少不了軟件和硬件的配合，同樣，本控制系統(tǒng)同樣也需要軟件，在編好軟件代碼后，需要把代碼下載或燒寫到程序存儲器中，方法如下：使用ISP(In-systemProgram，在線系統(tǒng)編程)采用在線系統(tǒng)編程，將程序代碼通過串口直接下載到單片機ROM中。使用專門的燒寫器和燒寫器供應商提供的軟件，把程序代碼燒到單片機ROM中。程序代碼的不同下載方式并不影響機械手的正常工作。使用燒寫器，不用設計專門的串口電路，但是在每次調試程序，把程序燒寫到芯片中時，都必須從主控制板上把芯片取下來，放到燒寫器的芯片插座上，這樣頻繁的操作必然不利于程序的調試和芯片壽命。采用ISP

40、方式，需要自行設計一個串口電路，但是帶來的好處是方便程序下載和程序調試，在機械手出廠后，如果軟件被無意破壞，不需要拆開換硬件，只需接上電腦，把程序重新下載一遍即可，方便了維修。而且選用的AT89C51支持ISP方式，這款芯片在出廠時，單片機內部固化了BSL(Boot-Strap Loader)引導程序，為了方便程序調試和升級，選用了ISP方式下載程序代碼。ISP模塊的電路如圖3.2所示圖3.2 ISP電路在線系統(tǒng)編程是通過一個單片機上的串口和計算機上的串口相連，運用SST單片機供應商提供的下載軟件，把程序代碼下載到單片機中。計算機的串口用的是RS-232 ，RS-232C在邏輯電平上做了規(guī)定:

41、邏輯1 -5-15邏輯0 +5+15顯然，RS-232C是用正負電壓來表示邏輯，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同，所以在圖中，MAX232用于串口RS-232與TTL電平之間的轉換。3.3.3急停電路設計 單旋臂式注塑機取模機械手用于在注塑機完成注塑工件后，從模板中取出工件，機械手運動期間，注塑用機械手不能碰到模板，要按照既定的動作安排，安全可靠地運行，當注塑機取模機械手與注塑模板觸碰時，必然引起上位信號異常，使機械手和注塑機停止工作。在異常情況下，還可以通過控制盒上的急停按鈕使得機械手和注塑機停止工作。當按下機械手急停按鈕(此時Jl處無連接)，機械手會立即停止動作，然后給注塑機發(fā)機械

42、手急停信號，使注塑機也停止工作。機械手急停按鈕接到CPU的外部中斷0，且在軟件上設置中斷級別最高，當急停按鈕彈起時(此時Jl處連接)，控制系統(tǒng)復位，機械手和注塑機可正常工作。其電路設計如圖： 圖3.3 緊急停止回路3.3.4輸入通道及其電路設計 本控制系統(tǒng)的輸入量全是數字量輸入，外部的數字輸入量主要來自安裝在注塑機取模機械手和注塑機上的接近開關。對于數字輸入量，主要有兩種應對方法:1. 非TTL電平信號:光電隔離防抖整形單片機2 . TTL電平: 光電隔離防抖單片機在本控制系統(tǒng)中,使用的接近開關是陽明電機股份有限公司的PS-05，最大檢測距離是5mm，NPN型，電源為+24V，當機械臂在5mm

43、以外時，輸出為12v,當機械臂在5mm以內時，輸出為0V，輸入通道電路設計如圖所示： 圖3.4 輸入通道設計 在圖中，74LS245為8總線接收/發(fā)送器，內部有16個三態(tài)驅動器，每個方向有8個，可以雙向輸入、輸出。在控制端G（為低電平）有效時，由DIR控制驅動方向；DIR為“1”時方向從左到右（輸出允許），DIR為“0”時方向從右到左（輸入允許），其數據傳輸方向見表3.1所示表3.1 74ls245 真值表傳送方向控制信號LLHDIRLH×BAAB高阻 PC817為光電隔離器，在PC817的兩端無電路連接，各用獨立的電源和接地端，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 在光電隔離器的輸入端，通過電阻

44、和接近開關相連，當接近開關接通時，壓降為0.7V，PC817輸入端最大可承受IA電流，通常不會達到這么大的電流 在這里，取IOmA，這時光電管的壓降約為IV，可計算出輸入端的電阻為:在光電隔離器輸入端接入的電阻最好為2.23k以上，考慮到并不是任何一種阻值的電阻都能方便買到，本控制系統(tǒng)中，選擇3.3k。在光電隔離器的輸出端，接上拉電阻，當有效信號來到時，輸出端電壓被拉低，輸出端集電極電流最大可達到50mA，通常不會有這么大電流，輸出端接RC濾波器后，接入74LS245，74LS245輸入高電平電流為20mA，上拉電阻要保證在光電隔離器輸出高電平時，電路中電流不會損壞74LS245，在輸出低電平

45、時，電流不會損壞光電隔離器中的光敏三極管。取輸出端集電極電流為0.5mA，這樣起到上來電阻作用和限流作用，則上拉電阻阻值為: 上拉電阻為9.8k，本控制系統(tǒng)中，取10k。輸入信號來源于安裝在機械手上的接近開關和注塑機上的相關信號，對于接近開關上的信號并不是理想的信號跳變，在有效信號來到之前，有一個信號抖動的過程，因此在輸入通道中，針對輸入信號的特殊性，要加入RC電路構成一個低通濾波器，繼電器在閉合時會有信號抖動，通常這種抖動在50Hz以上，在這里，取低通濾波器的截至頻率為50HZ，電阻為20OK，則電容為: 根據計算，需電容大小為0.016F，取電容為0.022林F，此時的截至頻率為: 滿足設

46、計要求。RC低通濾波器結構簡單，當信號頻率趨于零時，電容的容抗趨于無窮大，這時通帶放大倍數趨于1。當頻率從零到無窮大時，電壓放大為3.3.5輸出通道及其電路設計 本控制系統(tǒng)的各輸出通道均為數字量輸出，主要負責控制機械手動作、向注塑機發(fā)出協調指示信號等。對于數字量輸出，可按它的流程進行設計。來自CPU的數據總線輸出鎖存器數字光電隔離電路輸出驅動電路電磁閥控制機械手圖3.5 輸出通道流程 圖3.6輸出通道回路上圖為輸出信道的電路原理圖。其中，AT89C51的P23接到74LS373的輸出允許端口(OC)，接到74LS373的鎖存端。74Ls373是8路鎖存器，C為數據打入端：當C為 “1”時，鎖存

47、器輸出通輸入狀態(tài)；當C 由“1”變?yōu)椤?”時，數據打入鎖存器中。OE為輸出允許端，低電平有效：OE=0時，三態(tài)門打開；OE=1三態(tài)門關閉，輸出曾高阻。一般在進行控制操作時，控制狀態(tài)需要鎖存，直到下次狀態(tài)給出新的值為止。在Jl處接上電磁轉向閥，控制機械手的動作運行。74LS373對輸出信號進行鎖存，表3.2為74LS373的真值表。表3.2 74LS373輸出內部寄存器DLE輸入信號工作方式鎖存寄存器并禁止輸出鎖存并讀寄存器使能并讀寄存器HLLLLLLHLHLLHLLHLHHL/H高阻H H Q1為TIP122，是NPN型達林頓管，截室電壓為100v，電流為SA，總功耗為65W，用來驅動后續(xù)的繼

48、電器電路。接入注塑機的信號都要經過繼電器，控制機械手的信號經過電磁換向閥，控制氣路的流向，以達到控制機械手的目的。3.4鍵盤、鍵盤端口和狀態(tài)燈及其電路設計3.4.1鍵盤、狀態(tài)燈及其電路設計 在旋臂式注塑用機械手控制系統(tǒng)中，采用了動態(tài)菜單導航操作，鍵盤在這種人機交互過程中起著很重要的作用。同時，對機械手的動作示教、動作設置、動作監(jiān)督等都離不開鍵盤，根據機械手的功能要求，將鍵盤的按鍵規(guī)劃為以下幾個部分: 操作鍵:操作鍵包括確定鍵、復位鍵、返回鍵和翻屏鍵，其中確定鍵用于對所設置的參數進行確定操作，復位鍵用于控制系統(tǒng)軟件復位，返回鍵用于菜單返回，翻屏鍵用于在動作示教、參數設置時，一屏無法顯示全部內容，

49、采用翻屏的方式顯示下面的內容。 動作鍵:8個動作鍵對應于單旋臂式注塑機取模機械手的8個基本動作，在有些情況下，這8個鍵還對應于07的8個數字按鍵。 方向鍵:4個方向鍵用于控制光標移動，完成相關設置和選擇功能。綜上所述，系統(tǒng)共使用了16個按鍵，完成控制系統(tǒng)中所有的設置和選擇。 由于按鍵數量較多，選擇了4行4列的行列式鍵盤。本控制系統(tǒng)中，有些信號是關系到機械手安全工作的重要信號，這些信號不僅在液晶中顯示這些信號的狀態(tài)，在鍵盤板中，設計LED燈顯示這些關鍵信號的狀態(tài)，在液晶損壞的情況下，這些關鍵信號可以通過鍵盤板上LED燈的亮滅來反應關鍵信號的變化。這些關鍵信號包括: 夾檢測:表示機械手夾取工件時，

50、檢測是否夾住工件 開模完:檢測注塑機開模是否完成 可關模:由單片機告訴注塑機，可以進行關模動作 安全門:檢測注塑機的安全門是否關閉 可頂出:由單片機告訴注塑機頂針，可以頂出工件 在這些信號當中，夾檢測是在機械手每次完成取模動作后，機械手運行到上行位置時才檢測，如果沒有檢測到吸有效或夾有效，則注塑機和機械手必須停止工作，找到未取出的注塑工件。 開模完和允許關模信號是完成機械手和注塑機配合工作的關鍵信號，如果這些信號出現問題而又沒有在軟件和硬件上又相應的措施，機械手有可能和注塑機模板的碰撞，造成事故發(fā)生。 安全門信號關系到工作人員的安全，當工作人員打開注塑機安全門，注塑機和機械手必須停止工作，否則

51、會危害人身安全。 可頂出信號是在吸取注塑工件前，頂針頂出工件，然后吸盤吸住工件，完成取工件的動作。如果工件沒有順利頂出，會影響后面的注塑工作，這時，必須停機檢查故障原因。 在鍵盤板安裝這5個LED顯示關鍵信號，方便檢修。3.4.2鍵盤接口及其電路設計 針對鍵盤板，有專門的鍵盤接口，完成鍵盤掃描、鍵值讀取和狀態(tài)燈顯示。鍵盤接口部分的電路如圖： 圖3.7 鍵盤接口如圖所示，用AT89S51的并行口P2接4×4矩陣鍵盤，以P2.0P2.3作輸入線，以P2.4P2.7作輸出線；其中的每個按鍵代表“0F”序號。對應的按鍵的序號排列如圖所示 0上行1下2旋入3旋出4進5退6夾7吸89ABCDEF

52、圖3.8鍵盤表其中的每個鍵值代表一種輸入狀態(tài)，本系統(tǒng)有九個輸入點，分別對應鍵值0到9，其余幾個為備用鍵值，在本系統(tǒng)板中暫用不到。行列式鍵盤要注意一個問題就是多鍵按下時的鍵值處理問題，在本控統(tǒng)中，不需要同時按下多個按鍵的操作。按行列式鍵盤理論，如果進行了誤操作，有可能出現鍵值誤判，這個問題本系統(tǒng)由軟件處理來解決而沒有硬件方式。軟件處理的主要思路是:按鍵放開時有效忽略多鍵輸入操作3.5液晶顯示端口及其電路設計 此控制系統(tǒng)的液晶顯示部分采用的COMMAX公司的液晶屏，并行接口，液晶屏幕為的128x64，不帶中文字庫，可顯示4行，每行顯示8個漢字或16個字母，其引腳說明如表在表3.4中，液晶接口的引腳

53、3要外接一個20K的電阻，通過這個電阻可以調節(jié)液晶的對比度;引腳4的低電平表示輸入的是命令，高電平表示輸入的是數據;引腳5高電平表示數據讀，低電平表示數據寫;引腳6下降沿是信號使能有效;兩個片選端都是高電平有效;復位端低電平有效;背光電源要串連一個34歐姆的限流電阻。JP3接上一個撥動開關，當斷開開關時，液晶屏背光被關閉，同時通過74LS14觸發(fā)外部中斷l(xiāng)，由于外部中斷1的中斷級別低，所以不影響中斷級別比它高的定時中斷0和定時中斷1，也就不影響機械手的動作。這樣設計的目的主要是在機械手正常運作時，不需要時刻查看液晶屏，當不需查看液晶屏時，關閉液晶背光，降低功耗。表3.3 夜晶接口說明引腳 名稱

54、 方向 說明 引腳 名稱 方向 說明12345678910VssVddV0D/IR/WEDB0DB1DB2DB3IIIIIIIIII 地電源（+5v）夜晶對比度調節(jié)命令數據選擇位讀寫選擇位信號使能位數據0數據1數據2數據311121314151617181920DB4DB5DB6DB7CS1CS2RESVEEAKIIIIOIIIIII IIIIIIII數據4數據5數據6數據7片選1片選2復位對比度電源背光電源背光地根據這塊液晶屏的資料提供的端口標準，設計了液晶的接口模塊如圖 圖3.9 液晶接口電路圖中74LS245用于擴展一個輸出口，該端口要傳輸指令和需要顯示的數據，只寫，74LS245被CPU的F0口直接選定，只有在P2.0有效(低)時，CPU才能訪問液晶顯示模塊，DIR表示數據傳輸方向。 通常在設置好機械手的動作模式、每個動作的延遲時間和運動次數等參數后，啟動機械手，