ATC智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

堯永春 韋學(xué)謙 蔡枝尚

摘 要

工業(yè)機(jī)器人智能手腕裝備（Auto Tools Change 簡(jiǎn)稱ATC）是一種用于機(jī)器人快速切換末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝置。可以通過(guò)快速切換不同的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人更柔性、更高效的用于多種不同作業(yè)方式。本文針對(duì)ATC安全控制的需求，研究與設(shè)計(jì)了一種ATC智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用單片機(jī)直接采集讀取各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，中控系統(tǒng)控制模塊和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、安全報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)通訊總線進(jìn)行連接，通過(guò)通訊模塊接口與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)總體運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。應(yīng)用結(jié)果表明：此系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)成本低、可靠性高、硬件安裝簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞

ATC;自動(dòng)控制;中控;單片機(jī);通訊總線

中圖分類號(hào)： ?X703 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.087

Abstract

The industrial robot intelligent wrist equipment（ATC） is a kind of device used for the robot to quickly switch the end actuator.By quickly switching different end actuators，the robot can be more flexible and efficient for a variety of different work methods.According to the requirement of ATC safety control，this paper studies and designs an ATC intelligent data acquisition system.The single chip microcomputer is used to directly collect and read the data of each sensor.The central control system control module is connected with the data collection system and the safety alarm system through the communication bus.The communication module interface is connected with the upper computer to realize the real-time monitoring of the overall operation.The application results show that the system has the advantages of low cost，high reliability，simple hardware installation and automatic control.

Key Words

ATC;Automatic control;Central control;Single chip microcomputer; Communication bus

中國(guó)汽車行業(yè)自動(dòng)化程度的提高，市場(chǎng)多元化的發(fā)展趨勢(shì)，生產(chǎn)模式從單一車型大批量生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)為多車型小批量，生產(chǎn)線對(duì)柔性要求越來(lái)越高，對(duì)汽車生產(chǎn)線的機(jī)器人需配備 ATC的比例越來(lái)越高。目前汽車行業(yè)平均水平是每3-5臺(tái)機(jī)器人需要配備1套ATC，預(yù)計(jì)2019年ATC國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)市場(chǎng)預(yù)測(cè)銷量將達(dá)到17，000套。現(xiàn)有的ATC設(shè)備存較大安全隱患，安全系統(tǒng)靠電信號(hào)維持，斷電特定情況下，調(diào)試過(guò)程易掉槍。大多數(shù)靠傳統(tǒng)的檢測(cè)方式檢測(cè)ATC運(yùn)行情況。在智能制造2025的需求下，ATC不僅要靠人工安全操作指引，更需要中控系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用了單片機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)總線通訊模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)集中控制，其中單片機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)IO控制和數(shù)據(jù)采集，然后再與組態(tài)軟件通信，最后在中控界面上顯示各部分工作狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)ATC集中自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證ATC穩(wěn)定安全運(yùn)行。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分析

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，系統(tǒng)主要由上位機(jī)電腦、觸摸屏、單片機(jī)系統(tǒng)和通訊設(shè)備組成。系統(tǒng)包含一個(gè)主控單元和多個(gè)分控制器，通過(guò)CAN總線通訊連接。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)獲取各傳感器的數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)傳輸給發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)對(duì)整體系統(tǒng)的全程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)控制分析

2.1 速度與距離測(cè)量系統(tǒng)

系統(tǒng)借助裝于ATC部位上的傳感器對(duì)ATC運(yùn)行速度進(jìn)行測(cè)量，傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行采集，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中心系統(tǒng)，最終傳送到中控室內(nèi)上位機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)位置進(jìn)行確定是與位置傳感器數(shù)據(jù)為前提的，最終檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)。

本系統(tǒng)選用MMA7260加速度傳感器測(cè)速測(cè)距，系統(tǒng)組成如圖2所示。在抗干擾數(shù)據(jù)采集電路中將MMA7260三軸加速度傳感器將速度信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)通過(guò)硬件電路進(jìn)行濾波，濾波后信號(hào)輸入到AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，信號(hào)輸入到STM32運(yùn)算處理器中處理，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算，獲得ATC的運(yùn)行速度。

通過(guò)將加速度傳感器的一軸定位和機(jī)器運(yùn)行所在的平面平行，就可以測(cè)試的機(jī)器在前進(jìn)方向上的加速度。在設(shè)備轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，不影響設(shè)備速度的大小，也不影響距離的測(cè)量。利用STM32控制器的處理程序，編程將加速度積分就可以得到運(yùn)行的速度，在程序中，利用積分程序進(jìn)一步處理計(jì)算，就可以得到運(yùn)行的軌跡路程。

2.2 自動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)

本系統(tǒng)提出新型的自動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線接收機(jī)接收信息，從而解算出設(shè)備目前的運(yùn)行信息，當(dāng)ATC設(shè)備運(yùn)行到指定工位時(shí)，不用人工干預(yù)，系統(tǒng)自動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)。在運(yùn)行條件滿足、運(yùn)行異常和運(yùn)行正常結(jié)束時(shí)發(fā)出語(yǔ)音提示，同時(shí)在顯示屏上顯示同類信息，給使用者一種全方位的提示與服務(wù)。

系統(tǒng)包含一個(gè)主控單元和多個(gè)分控制單元，通過(guò)通信總線連接。主控系統(tǒng)結(jié)合軟件算法，能夠盡可能準(zhǔn)確的定位工位情況，各分控制單元連接顯示終端和語(yǔ)音系統(tǒng)。

3 單片機(jī)與HMI通信

一般數(shù)據(jù)傳送的通訊方式主要有：以太網(wǎng)連接、RS232/RS 485電纜連接、USB連接和MPI/DP連接等。本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是一款緊湊型、經(jīng)濟(jì)性好、擴(kuò)展功能強(qiáng)、模塊化強(qiáng)、通訊功能強(qiáng)的控制器。連接CAN總線通訊模塊，這樣可實(shí)現(xiàn)全雙工通訊。另外最大優(yōu)點(diǎn)在于CAN總線接口，用戶可通過(guò)該接口方便地對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。還可通過(guò)此接口與其他系列單片機(jī)或其他設(shè)備間組網(wǎng)通訊，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

此系統(tǒng)單片機(jī)與HMI連接，HMI是主控端，單片機(jī)是從屬端，在單片機(jī)控制器中，需要編寫通訊中斷服務(wù)程序，處理來(lái)自HMI的通信請(qǐng)求。本系統(tǒng)的通信參數(shù)設(shè)置為波特率19200，8數(shù)據(jù)位，1停止位，無(wú)校驗(yàn)位。首先，HMI發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求給單片機(jī)控制器，控制器接收請(qǐng)求之后，給HMI回復(fù)一個(gè)通信響應(yīng)。HMI需要檢查控制器的響應(yīng)是否超時(shí)，如果超時(shí)，HMI重新發(fā)送請(qǐng)求。如果通信超時(shí)，控制器初始化通信，等待HMI發(fā)送新的請(qǐng)求。

系統(tǒng)單片機(jī)與HMI通信成功后，只靠顯示是不夠的，很多單片機(jī)主板采集到的模擬量，數(shù)字量等數(shù)據(jù)需要進(jìn)行保存功能，人機(jī)界面與單片機(jī)斷電之后，等下次設(shè)備再次開(kāi)機(jī)的時(shí)候，需要把之前的數(shù)據(jù)以一定的表格，曲線顯示出來(lái)，需要斷電數(shù)據(jù)保存功能。選擇帶有數(shù)據(jù)保存功能的HMI，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，編程也方便，存儲(chǔ)容量更大，還可以把相關(guān)采集數(shù)據(jù)以excel等文件的格式復(fù)制到U盤。

4 上位機(jī)系統(tǒng)分析

上位機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要任務(wù)是監(jiān)控ATC的運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)用軟件的方式，實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)、通訊及ATC的使用管理自動(dòng)化和信息化。上位機(jī)電腦屏幕上顯示ATC使用中各種狀態(tài)信號(hào)（速度，距離，位置等）的變化。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī)。ATC在應(yīng)用過(guò)程中，如果發(fā)生故障時(shí)，上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面中應(yīng)該有實(shí)時(shí)的報(bào)警信息，同時(shí)能對(duì)報(bào)警信息做出相應(yīng)的處理。

本系統(tǒng)主要采用組態(tài)王軟件構(gòu)建上位機(jī)與下位機(jī)的通訊，為用戶提供更方便可靠控制的操作界面，能夠更方便更穩(wěn)定地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集與控制。組態(tài)王軟件作為一種工控組態(tài)軟件已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，具有強(qiáng)大的硬件支持能力。組態(tài)王提供了通過(guò)PC機(jī)與單片機(jī)串口進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信驅(qū)動(dòng)，需要根據(jù)組態(tài)王的串口設(shè)備配置向?qū)Ь湍芡瓿稍O(shè)備的連接。設(shè)備配置如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著智能制造發(fā)展理念的普及，智能中控系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)單機(jī)模式。ATC增加了監(jiān)測(cè)模塊，通過(guò)中控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)鋼珠鎖緊次數(shù)、插撥次數(shù)、插撥時(shí)間等ATC使用過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，方便預(yù)防設(shè)備故障，進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)及使用壽命預(yù)測(cè)。提高了自動(dòng)化和信息化水平，減少設(shè)備維護(hù)成本。

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