射出成型机械手控制系统设计

张 飞, 何雅琴, 钱金法

(1. 常州机电职业技术学院 电气工程学院,江苏 常州 213164；2. 常州机电职业技术学院 信息工程学院,江苏 常州 213164)

射出成型机械手控制系统设计

张 飞1, 何雅琴2, 钱金法1

(1. 常州机电职业技术学院 电气工程学院,江苏 常州 213164；2. 常州机电职业技术学院 信息工程学院,江苏 常州 213164)

设计了一种射出型机械手控制系统。该系统采用C8051F020单片机作为控制器,扩展了输入输出接口、彩色液晶接口、键盘、FLASH存储器实时时钟等模块,并设计了SD卡接口,通过该接口可以实现系统软件自更新功能。给出了系统硬件的设计方法和软件实现过程。通过在G28射出型机械手上测试表明,该系统完全能够满足此类机械手的控制要求。

机械手； 控制器； 实时时钟

随着科学技术的不断发展及中国劳动力成本的不断增加,国内很多企业开始从人口密集型向技术密集型转变,制造业发展模式也从粗放式向精细式转变[1]。工业机器人代替人进行单调、繁重工作或在恶劣环境下工作[2]。这种转变给国内工业机器人发展带来了巨大机遇。目前,国内企业比较常用的工业机器人分为多关节型、旋臂型、直角坐标型等,每种机器人有着不同的应用场合。关节型机器人一般价格较高,旋臂型机械手价格便宜。本文采用C8051F020单片机配合外围电路,设计了一种旋臂式射出成型机械手控制系统,通过SD卡接口,系统支持在应用编程,显示画面也可通过该接口进行更新,方便机械手生产公司能根据不同的客户进行二次开发,设计不同的显示界面。

1 射出成型机械手动作流程

射出成型机械手的工作过程可分为手动运行和自动运行模式。自动运行模式又可分为固定运行模式和自定义运行模式。固定运行模式一般为机械手生产企业根据常用的机械手动作流程而设定的一系列机械手动作序列。G28型射出成型机械手固定动作模式包括L型夹公模、L型夹母模、U型夹公模、U型夹母模、二次置料夹公模(吸夹同时)、二次置料夹母模(吸夹同时)、U型夹公模(内置料)、U型夹母模(内置料)等。机械手所有旋入、前进、吸夹等动作都通过气动装置实现。图1为G28型射出成型机械手L型夹公模和L型夹母模的动作流程示意图。

图1 L型夹公模和L型夹母模动作流程示意图

L型夹公模的动作流程:①下行→②引拔进→③夹(吸)→④引拔退→⑤上行→⑥旋出→⑦下行→⑧夹(吸)放置料→⑨上行→⑩旋入。

L型夹母模的动作流程:①下行→②引拔退→③夹(吸)→④引拔进→⑤上行→⑥旋出→⑦下行→⑧夹(吸)放置料→⑨上行→⑩旋入。

如果机械手生产企业提供的固定模式不能满足需求,客户可以根据实际生产需要采用自定义工作模式，以定义机械手动作序列,设置每个动作之间的时间延时,并可把自定义动作序列和时间参数保存,方便将来使用。

2 系统方案

如图2所示,G28型射出成型机械手通过控制系统控制,并配合产品的模具和注塑机等设备,完成产品的压制成型。对于不同的产品,机械手有着不同的动作流程,不同动作之间的协调通过开关量信号或时间延时来控制,控制过程极其复杂。机械手整个动作流程的关键参数可以在彩色液晶屏上实时监控,运行过程中的错误信息(出错时间及故障类型)也能够实时保存。为了满足G28型射出成型机械手控制要求,整个控制系统设计了CPU模块、存储模块、液晶模块、SD卡接口、实时时钟、报警模块、输入输出接口等。

图2 控制系统方案

3 硬件设计

3.1 CPU选择

G28型射出成型机械手的控制系统需要的输入输出接口以及液晶屏、存储器等的扩展接口较多,普通的51单片机很难满足要求,为此选用了Silicon Labs公司生产的混合信号微控制器C8051F020[3-4]。该CPU虽然是基于51内核架构,当时钟频率为25 MHz时,速度可达25MIPS[5],并包含8组字节(8位)宽度输入输出口,通过适当扩展后完全能满足该机械手对I/O口的要求。同时,该CPU包含64K FLASH存储器,4K+256B数据存储器,8通道12位ADC,2个12位DAC、5个16位定时计数器等[6-9]。C8051F020接口原理见图3。

3.2 存储模块

根据G28型射出成型机械手的控制显示要求,彩色液晶需要显示的内容非常丰富,主要包括开机界面、机械手工作状况查看界面、教导模式界面、自定义模式界面、运转次数设定及查看界面、故障码查询界面、功能设定界面等。图4给出了机械手工作状况查看界面和教导模式界面的显示内容。

由于每一页显示界面的基本色调和固定的图形在系统工作时基本不变,为了编程方便,系统把所有显示界面的基本色调和固定图形都保存在扩展的存储器中,系统工作时只要程序控制刷新相应的参数和一些图形的颜色。控制系统扩展了32 MB的存储器。系统采用了8片AT49BV322D FLASH存储器实现,其中28 MB用于显存功能,4 MB用于机械手相关参数的保存。AT49BV322D采用字节工作模式,所以把8片存储器的IO0—IO7并联作为数据口,把8组地址(IO15、A0—A20)并联连接(字节模式下,IO15作为最低位地址),每片存储器的片选采用一片74LVC138三-八译码器控制[10],译码器的A、B、C脚分别作为整个存储系统的高三位地址。经过扩展后,参数保存单元的地址范围固定为:000000H—1FFFFFH,显存的地址范围为200000H—1FFFFFFH。

3.3 液晶模块

液晶模块采用深圳拓普微公司生产的TFT型彩色液晶模块LMT035DNAFWU。该液晶分辨率为320像素×240像素,模块使用了图形加速控制器T8000,彩色显示度为65K色度,内置中文字库和画图指令,可以使用并行口或串行口与CPU通信[11]。为了加快通信速度,系统采用了并行通信接口。LMT035DNAFWU的数据总线宽度可以设置为8位和16位,本系统数据总线采用8位,8位数据线依次与C8051F020的P7口相连。液晶模块18位地址线中,高2位地址线分别与P5.0、P5.1连接,低16位地址分别与P6和P7口连接,由于P7口通过时分复用的方式工作,所以液晶低8位地址与P7口连接时中间加了一片74LVC373。74LVC373是一款八D数据锁存芯片[12]。液晶模块的/WR0写信号通过P4.7控制。液晶模块接口见图5。

图3 C8051F020接口原理图

图4 工作状况查看和教导模式界面图

3.4 SD卡接口

通过SD卡接口、配合为系统编写的自更新程序和CPU的IAP功能,该控制系统可以实现系统软件的自更新和显存内每一页固定显示内容的自加载功能。SD卡接口包含9个引脚,除去电源和接地后,只有4个引脚与CPU连接[13],如图6所示。SD卡和CPU的通信采用SPI方式。

图5 液晶模块接口

图6 SD卡接口原理图

3.5 键盘和报警模块

G28型射出成型机械手控制面板需要17个按键。为了节省CPU的I/O口,系统采用了5×6矩阵键盘,在其中17个交叉点安置17个独立式按键,17个按键的定义见表1。在系统工作不正常或按键的时候,需要声音提示,系统采用了一只直流蜂鸣器,通过一只PNP三极管驱动。

表1 按键功能及键码定义

注：如没有扫描到按键闭合则返回FFH

3.6 实时时钟模块

机械手工作的时候,液晶显示屏幕能显示当前的日期和时间,当系统发生故障被检测到的时候(如机械手旋入的时候安全门信号丢失等),控制系统需要记录故障的类型及发生故障的准确时间,以方便维护和检修。为此系统采用了一片实时时钟芯片DS1302,该芯片是DALLAS公司生产的涓流充电时钟芯片[14]。本系统使用独立的32.768 kHz晶振为该芯片提供时序。系统工作时,DS1302使用系统提供的电源供电,系统关闭后,芯片使用纽扣电池供电。

4 软件实现

4.1 开机流程

系统开机后,首先进行系统初始化,然后进行开机自检并显示首页,系统不断判断目前工作模式,根据不同工作模式执行相应的程序。开机流程见图7。

图7 开机流程图

4.2 手动和自动运行模式

手动运行模式为人工操作模式,操作员根据操作步骤通过键盘按钮控制G28机械手完成相应动作。在操作过程中,系统自动判断手动操作过程是否合理(如机械手已经选出,操作员再次按下旋出键),如果动作顺序不正确或冲突,系统放弃本次操作并给出报警提示。自动运行模式下机械手按固定模式或人工设定的动作流程自动运行每一步动作,运行过程中,系统完成每次循环后对运行次数变量不断累加并保存,维护员可以通过该变量查看该机械手自出厂后的总运行次数。手动运行和自动运行模式下,如果系统检测到故障,都会记录故障码和故障发生时间并保存。手动和自动运行模式工作流程分别见图8和图9。

图8 手动模式运行流程图

图9 自动模式运行流程图

4.3 程序自更新的实现

射出成型机械手一般工作在注塑等环境恶劣的场合,而且系统开发定型后,调试接口一般都已经去除,对系统进行软件升级一般只能换主板,这将造成很大的浪费。G28型射出成型机械手控制系统实现了软件的自更新功能。系统使用的C8051F020本身可以实现IAP功能,系统预先烧录了引导程序(bootloader)[15]。图10为应用软件自更新的流程图。系统上电后,在绝对地址0000H处存放的不是跳转到应用程序的指令,而是固定存放一条跳转到引导程序的指令。引导程序判断是否有SD卡,如果有SD卡,就判断是否有应用程序执行文件(bin文件,文件名称必须按要求固定不变),如果没有新的应用程序文件,就跳转到目前系统的应用程序执行,如果有新的应用程序文件,就读取文件,替换系统旧的应用程序。更新完成后,引导程序跳转到更新后的应用程序地址执行。系统和SD卡的数据交换采用SPI方式进行。

图10 软件自更新流程图

5 结语

本文设计了一种射出成型机械手控制系统。该控制系统可以使机械手工作在手动和自动运行模式下,运行过程中的故障信息、运行次数实时保存记录,通过彩色液晶屏,能够实时观察动作执行相关信息及外围协调信号的状态,而且能够智能化地判断每一步动作与动作之间的合理性。软件的自更新功能使应用程序的升级变得更为简单方便。该系统在G28型射出成型机械手的测试和应用表明,该控制系统能够满足射出成型机械手的控制要求。

References)

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[15] 李婉婉,李宏.单片机IAP升级方法在血液分析仪中的应用[J].微型机与应用,2014,33(21):16-18.

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

江苏省青蓝工程项目(苏教师(2017)15号);江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015C238)；江苏省前瞻性研究专项资金项目(BY2014043)

张飞(1981—),男,江苏常州,硕士,讲师,研究方向为自动化技术、人工智能.E-mail：czmeczf@163.com

TP241.2

A

1002-4956(2017)08-0094-05