射出成型機械手控制系統設計

張 飛, 何雅琴, 錢金法

(1. 常州機電職業技術學院 電氣工程學院,江蘇 常州 213164；2. 常州機電職業技術學院 信息工程學院,江蘇 常州 213164)

射出成型機械手控制系統設計

張 飛1, 何雅琴2, 錢金法1

(1. 常州機電職業技術學院 電氣工程學院,江蘇 常州 213164；2. 常州機電職業技術學院 信息工程學院,江蘇 常州 213164)

設計了一種射出型機械手控制系統。該系統采用C8051F020單片機作為控制器,擴展了輸入輸出接口、彩色液晶接口、鍵盤、FLASH存儲器實時時鐘等模塊,并設計了SD卡接口,通過該接口可以實現系統軟件自更新功能。給出了系統硬件的設計方法和軟件實現過程。通過在G28射出型機械手上測試表明,該系統完全能夠滿足此類機械手的控制要求。

機械手； 控制器； 實時時鐘

隨著科學技術的不斷發展及中國勞動力成本的不斷增加,國內很多企業開始從人口密集型向技術密集型轉變,制造業發展模式也從粗放式向精細式轉變[1]。工業機器人代替人進行單調、繁重工作或在惡劣環境下工作[2]。這種轉變給國內工業機器人發展帶來了巨大機遇。目前,國內企業比較常用的工業機器人分為多關節型、旋臂型、直角坐標型等,每種機器人有著不同的應用場合。關節型機器人一般價格較高,旋臂型機械手價格便宜。本文采用C8051F020單片機配合外圍電路,設計了一種旋臂式射出成型機械手控制系統,通過SD卡接口,系統支持在應用編程,顯示畫面也可通過該接口進行更新,方便機械手生產公司能根據不同的客戶進行二次開發,設計不同的顯示界面。

1 射出成型機械手動作流程

射出成型機械手的工作過程可分為手動運行和自動運行模式。自動運行模式又可分為固定運行模式和自定義運行模式。固定運行模式一般為機械手生產企業根據常用的機械手動作流程而設定的一系列機械手動作序列。G28型射出成型機械手固定動作模式包括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)、二次置料夾母模(吸夾同時)、U型夾公模(內置料)、U型夾母模(內置料)等。機械手所有旋入、前進、吸夾等動作都通過氣動裝置實現。圖1為G28型射出成型機械手L型夾公模和L型夾母模的動作流程示意圖。

圖1 L型夾公模和L型夾母模動作流程示意圖

L型夾公模的動作流程:①下行→②引拔進→③夾(吸)→④引拔退→⑤上行→⑥旋出→⑦下行→⑧夾(吸)放置料→⑨上行→⑩旋入。

L型夾母模的動作流程:①下行→②引拔退→③夾(吸)→④引拔進→⑤上行→⑥旋出→⑦下行→⑧夾(吸)放置料→⑨上行→⑩旋入。

如果機械手生產企業提供的固定模式不能滿足需求,客戶可以根據實際生產需要采用自定義工作模式，以定義機械手動作序列,設置每個動作之間的時間延時,并可把自定義動作序列和時間參數保存,方便將來使用。

2 系統方案

如圖2所示,G28型射出成型機械手通過控制系統控制,并配合產品的模具和注塑機等設備,完成產品的壓制成型。對于不同的產品,機械手有著不同的動作流程,不同動作之間的協調通過開關量信號或時間延時來控制,控制過程極其復雜。機械手整個動作流程的關鍵參數可以在彩色液晶屏上實時監控,運行過程中的錯誤信息(出錯時間及故障類型)也能夠實時保存。為了滿足G28型射出成型機械手控制要求,整個控制系統設計了CPU模塊、存儲模塊、液晶模塊、SD卡接口、實時時鐘、報警模塊、輸入輸出接口等。

圖2 控制系統方案

3 硬件設計

3.1 CPU選擇

G28型射出成型機械手的控制系統需要的輸入輸出接口以及液晶屏、存儲器等的擴展接口較多,普通的51單片機很難滿足要求,為此選用了Silicon Labs公司生產的混合信號微控制器C8051F020[3-4]。該CPU雖然是基于51內核架構,當時鐘頻率為25 MHz時,速度可達25MIPS[5],并包含8組字節(8位)寬度輸入輸出口,通過適當擴展后完全能滿足該機械手對I/O口的要求。同時,該CPU包含64K FLASH存儲器,4K+256B數據存儲器,8通道12位ADC,2個12位DAC、5個16位定時計數器等[6-9]。C8051F020接口原理見圖3。

3.2 存儲模塊

根據G28型射出成型機械手的控制顯示要求,彩色液晶需要顯示的內容非常豐富,主要包括開機界面、機械手工作狀況查看界面、教導模式界面、自定義模式界面、運轉次數設定及查看界面、故障碼查詢界面、功能設定界面等。圖4給出了機械手工作狀況查看界面和教導模式界面的顯示內容。

由于每一頁顯示界面的基本色調和固定的圖形在系統工作時基本不變,為了編程方便,系統把所有顯示界面的基本色調和固定圖形都保存在擴展的存儲器中,系統工作時只要程序控制刷新相應的參數和一些圖形的顏色?？刂葡到y擴展了32 MB的存儲器。系統采用了8片AT49BV322D FLASH存儲器實現,其中28 MB用于顯存功能,4 MB用于機械手相關參數的保存。AT49BV322D采用字節工作模式,所以把8片存儲器的IO0—IO7并聯作為數據口,把8組地址(IO15、A0—A20)并聯連接(字節模式下,IO15作為最低位地址),每片存儲器的片選采用一片74LVC138三-八譯碼器控制[10],譯碼器的A、B、C腳分別作為整個存儲系統的高三位地址。經過擴展后,參數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,內置中文字庫和畫圖指令,可以使用并行口或串行口與CPU通信[11]。為了加快通信速度,系統采用了并行通信接口。LMT035DNAFWU的數據總線寬度可以設置為8位和16位,本系統數據總線采用8位,8位數據線依次與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口通過時分復用的方式工作,所以液晶低8位地址與P7口連接時中間加了一片74LVC373。74LVC373是一款八D數據鎖存芯片[12]。液晶模塊的/WR0寫信號通過P4.7控制。液晶模塊接口見圖5。

圖3 C8051F020接口原理圖

圖4 工作狀況查看和教導模式界面圖

3.4 SD卡接口

通過SD卡接口、配合為系統編寫的自更新程序和CPU的IAP功能,該控制系統可以實現系統軟件的自更新和顯存內每一頁固定顯示內容的自加載功能。SD卡接口包含9個引腳,除去電源和接地后,只有4個引腳與CPU連接[13],如圖6所示。SD卡和CPU的通信采用SPI方式。

圖5 液晶模塊接口

圖6 SD卡接口原理圖

3.5 鍵盤和報警模塊

G28型射出成型機械手控制面板需要17個按鍵。為了節省CPU的I/O口,系統采用了5×6矩陣鍵盤,在其中17個交叉點安置17個獨立式按鍵,17個按鍵的定義見表1。在系統工作不正?；虬存I的時候,需要聲音提示,系統采用了一只直流蜂鳴器,通過一只PNP三極管驅動。

表1 按鍵功能及鍵碼定義

注：如沒有掃描到按鍵閉合則返回FFH

3.6 實時時鐘模塊

機械手工作的時候,液晶顯示屏幕能顯示當前的日期和時間,當系統發生故障被檢測到的時候(如機械手旋入的時候安全門信號丟失等),控制系統需要記錄故障的類型及發生故障的準確時間,以方便維護和檢修。為此系統采用了一片實時時鐘芯片DS1302,該芯片是DALLAS公司生產的涓流充電時鐘芯片[14]。本系統使用獨立的32.768 kHz晶振為該芯片提供時序。系統工作時,DS1302使用系統提供的電源供電,系統關閉后,芯片使用紐扣電池供電。

4 軟件實現

4.1 開機流程

系統開機后,首先進行系統初始化,然后進行開機自檢并顯示首頁,系統不斷判斷目前工作模式,根據不同工作模式執行相應的程序。開機流程見圖7。

圖7 開機流程圖

4.2 手動和自動運行模式

手動運行模式為人工操作模式,操作員根據操作步驟通過鍵盤按鈕控制G28機械手完成相應動作。在操作過程中,系統自動判斷手動操作過程是否合理(如機械手已經選出,操作員再次按下旋出鍵),如果動作順序不正確或沖突,系統放棄本次操作并給出報警提示。自動運行模式下機械手按固定模式或人工設定的動作流程自動運行每一步動作,運行過程中,系統完成每次循環后對運行次數變量不斷累加并保存,維護員可以通過該變量查看該機械手自出廠后的總運行次數。手動運行和自動運行模式下,如果系統檢測到故障,都會記錄故障碼和故障發生時間并保存。手動和自動運行模式工作流程分別見圖8和圖9。

圖8 手動模式運行流程圖

圖9 自動模式運行流程圖

4.3 程序自更新的實現

射出成型機械手一般工作在注塑等環境惡劣的場合,而且系統開發定型后,調試接口一般都已經去除,對系統進行軟件升級一般只能換主板,這將造成很大的浪費。G28型射出成型機械手控制系統實現了軟件的自更新功能。系統使用的C8051F020本身可以實現IAP功能,系統預先燒錄了引導程序(bootloader)[15]。圖10為應用軟件自更新的流程圖。系統上電后,在絕對地址0000H處存放的不是跳轉到應用程序的指令,而是固定存放一條跳轉到引導程序的指令。引導程序判斷是否有SD卡,如果有SD卡,就判斷是否有應用程序執行文件(bin文件,文件名稱必須按要求固定不變),如果沒有新的應用程序文件,就跳轉到目前系統的應用程序執行,如果有新的應用程序文件,就讀取文件,替換系統舊的應用程序。更新完成后,引導程序跳轉到更新后的應用程序地址執行。系統和SD卡的數據交換采用SPI方式進行。

圖10 軟件自更新流程圖

5 結語

本文設計了一種射出成型機械手控制系統。該控制系統可以使機械手工作在手動和自動運行模式下,運行過程中的故障信息、運行次數實時保存記錄,通過彩色液晶屏,能夠實時觀察動作執行相關信息及外圍協調信號的狀態,而且能夠智能化地判斷每一步動作與動作之間的合理性。軟件的自更新功能使應用程序的升級變得更為簡單方便。該系統在G28型射出成型機械手的測試和應用表明,該控制系統能夠滿足射出成型機械手的控制要求。

References)

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Design of control system for injection molding manipulator

Zhang Fei1, He Yaqin2, Qian Jinfa1

(1. School of Electrical Engineering, Changzhou Vocational Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China; 2. School of Information Engineering, Changzhou Vocational Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China)

A design scheme for the control system of the injection molding manipulator is introduced. This system uses the C8051F020 SCM as a controller to extend the modules such as the input/output interface, the liquid crystal display interface, the keyboard, the FLASH memory, the real-time clock, etc. The SD interface is designed, and through the SD interface, the system software can be updated automatically. The design method of the system hardware and the implementation process of the software are presented. Through the test of the G28 injection molding manipulator, it shows that this system can fully meet the control requirements of such manipulators.

manipulator； controller； real-time clock

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.023

2017-02-09 修改日期：2017-04-05

江蘇省青藍工程項目(蘇教師(2017)15號);江蘇高校品牌專業建設工程資助項目(PPZY2015C238)；江蘇省前瞻性研究專項資金項目(BY2014043)

張飛(1981—),男,江蘇常州,碩士,講師,研究方向為自動化技術、人工智能.E-mail：czmeczf@163.com

TP241.2

A

1002-4956(2017)08-0094-05