鄭建福,彭云春,曾鈺
(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東 廣州 511370;2.廣州智能裝備研究院有限公司,廣東 廣州 510700)
對(duì)于機(jī)器人控制器,在生產(chǎn)制造前,都要進(jìn)行電路的可靠性設(shè)計(jì)。但在小批量的生產(chǎn)制造過(guò)程中,由于對(duì)元器件、工藝嚴(yán)格管控的成本過(guò)高,往往無(wú)法全面地實(shí)施,因此帶來(lái)的不確定性,可能會(huì)給所生產(chǎn)的硬件電路引入各種不良[1]。通過(guò)常規(guī)的檢測(cè)和質(zhì)量控制手段,可以發(fā)現(xiàn)一些明顯的質(zhì)量問(wèn)題或固定的缺陷。但元器件和生產(chǎn)工藝中的一些潛在的質(zhì)量缺陷,如芯片不良、損傷和引腳虛焊等,往往不易被發(fā)現(xiàn);這些缺陷會(huì)在電路的使用過(guò)程中慢慢地暴露出現(xiàn),從而造成硬件電路的不良[2-4]。由于機(jī)器人行業(yè)的特點(diǎn),控制器產(chǎn)品相比手機(jī)等3C電子產(chǎn)品,其量產(chǎn)規(guī)模僅能算小批量,但是機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景又要求控制器產(chǎn)品有高質(zhì)高可靠性保障。因此,在控制器的生產(chǎn)中,就需要應(yīng)用對(duì)產(chǎn)品電路進(jìn)行老練的方法來(lái)篩選產(chǎn)品,以提高出廠產(chǎn)品的質(zhì)量。
老練方法可分為靜態(tài)老練方法和動(dòng)態(tài)老練方法[5-6]。靜態(tài)老練采用電、熱綜合法作用于電路器件上,使得器件內(nèi)部的物理、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程被加速,從而使器件的潛在缺陷提前暴露,進(jìn)而把有缺陷的電路器件剔除;動(dòng)態(tài)老練采用不停的信號(hào)輸入法來(lái)驅(qū)動(dòng)硬件電路,使器件處于不停的翻轉(zhuǎn)狀態(tài),通過(guò)判斷反饋信號(hào)變化的合理性來(lái)有效地篩選。動(dòng)態(tài)老練更接近硬件電路的實(shí)際使用狀態(tài),更易以對(duì)產(chǎn)品的篩選。
CRC2-410控制器是廣州智能裝備研究院有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的水平機(jī)器人SCARA控制器,性能優(yōu)越,被廣泛地應(yīng)用在國(guó)內(nèi)多款水平機(jī)器人本體中。在控制器的原有高溫靜態(tài)老練中,主要存在如下兩個(gè)方面的缺陷:1)在靜態(tài)老練中僅是簡(jiǎn)單地執(zhí)行目標(biāo)系統(tǒng)的檢測(cè),卻無(wú)法完成老練過(guò)程中對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè),檢測(cè)的失效原因也無(wú)法具體地描述;2)靜態(tài)老練施加的測(cè)試范圍和強(qiáng)度有限,沒(méi)法對(duì)硬件的各個(gè)IO及子系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)不斷的老練測(cè)試。為了解決靜態(tài)老練的不足,要對(duì)控制器硬件的各個(gè)IO及子系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)不斷的老練測(cè)試,并實(shí)時(shí)地把老練過(guò)程中各個(gè)IO及子系統(tǒng)的狀態(tài)信息反饋到監(jiān)控電腦里,因此有必要設(shè)計(jì)一種動(dòng)態(tài)老練方案來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行篩選,以提高出廠產(chǎn)品的質(zhì)量。
從硬件的角度來(lái)看,機(jī)器人的穩(wěn)定性主要由控制器決定,控制器的異常狀態(tài)通常是在電路板的接口通訊時(shí)最先被發(fā)現(xiàn)的[7]。結(jié)合機(jī)器人控制器的應(yīng)用環(huán)境,重點(diǎn)針對(duì)接口,提出總體設(shè)計(jì)方案。
控制器動(dòng)態(tài)老練方案的思路為:在50℃測(cè)試溫度環(huán)境下,將多個(gè)測(cè)試單元(指控制器CRC2-410電路板,如圖1所示)安裝在測(cè)試臺(tái)(如圖2所示)上,進(jìn)行動(dòng)態(tài)老練;控制器電路板在DC24 V通電情況下,連續(xù)運(yùn)行72 h,通過(guò)軟件手段記錄每個(gè)測(cè)試單元接口(圖1b中的RS485、LAN網(wǎng)口和output等接口)的運(yùn)行情況,從而判定控制器電路板的老練結(jié)果的合格狀態(tài)。
圖1 CRC2-410控制器電路板
圖2 動(dòng)態(tài)老練測(cè)試臺(tái)的布局框圖
整個(gè)方案采用電路板自測(cè)的方式進(jìn)行,從而可以簡(jiǎn)化線纜的連接,提高了操作的靈活性。
a)電路板的遠(yuǎn)程 (Remote)接口、輸入(Input)接口和輸出(Output)接口,均采用線路短接的方式。
b)對(duì)于編碼器接口(Counter1/Counter2),采用專(zhuān)用的端子板進(jìn)行輔助測(cè)試。
c)對(duì)于HMI和LAN網(wǎng)口,采用網(wǎng)線直連的方式進(jìn)行測(cè)試。
d)采用每個(gè)電路板為節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行RS485組網(wǎng),同工控機(jī)通訊,上傳和下載動(dòng)態(tài)老練的過(guò)程數(shù)據(jù)記錄,以便于診斷。
動(dòng)態(tài)老練測(cè)試臺(tái)的內(nèi)部連線如圖3所示,每個(gè)電路板分配不同的485節(jié)點(diǎn)從站地址,通過(guò)485拓?fù)浣M網(wǎng),與作為485主站的工控機(jī)進(jìn)行輪詢(xún)方式通訊,上傳電路板老練過(guò)程中的電路狀態(tài)信息。
圖3 動(dòng)態(tài)老練測(cè)試臺(tái)的內(nèi)部連線
考慮到控制器動(dòng)態(tài)老練的工作特性,為了減小工作量,降低操作難度,滿足不同數(shù)目的小批量的控制器生產(chǎn)需要,本方案設(shè)計(jì)的控制器動(dòng)態(tài)老練系統(tǒng)的流程如下所述。
a)根據(jù)本批次生產(chǎn)需要,確定動(dòng)態(tài)老練的電路板臺(tái)數(shù);按序修改每個(gè)電路板的485從站ID。
b)在測(cè)試臺(tái)上按序裝配每個(gè)電路板,并進(jìn)行24 V線纜、485線纜連接。
c)進(jìn)行動(dòng)態(tài)老練環(huán)境參數(shù)的配置,如溫度、時(shí)長(zhǎng)等;工控機(jī)作為485主站,根據(jù)本批次的指標(biāo)要求進(jìn)行參數(shù)配置。
d)上電,每個(gè)電路板(485從站)自動(dòng)地運(yùn)行軟件并對(duì)自身端口進(jìn)行周期性端口自檢;工控機(jī)(485主站)軟件周期性地按序輪詢(xún)每個(gè)485從站節(jié)點(diǎn),進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn),記錄電路板動(dòng)態(tài)老練過(guò)程中端口自檢的信息。
e)工控機(jī)軟件根據(jù)所訪問(wèn)的從站節(jié)點(diǎn)所提供的自檢信息,對(duì)整個(gè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析;并給出每個(gè)電路板的判定結(jié)果(正?;蛴泄收希?。
為了節(jié)省批量生產(chǎn)的電路板在動(dòng)態(tài)老練篩選中耗費(fèi)的時(shí)間,本方案采取多電路板并行動(dòng)態(tài)老練的方式,以提高效率,因此,有必要設(shè)計(jì)一款機(jī)械裝置來(lái)完成多個(gè)電路板的快速裝配、線纜連接等方面的整體布局。
結(jié)合動(dòng)態(tài)老練的環(huán)境、場(chǎng)所和操作等多方面的因素,該機(jī)械裝置整體采用層式結(jié)構(gòu)(如圖2所示的動(dòng)態(tài)老練測(cè)試臺(tái)),每層可以裝4個(gè)電路板,總共7層,總裝數(shù)量為28個(gè)。從人機(jī)工程學(xué)方面著重地考慮,應(yīng)方便人員進(jìn)行接插線和固定電路板等操作,最底一層電路板距離地面大約為750 mm,用于滿足220 V轉(zhuǎn)24 V電源盒的裝配,以及線纜集中分線封裝;電路板裝配的每層高度為160 mm;整體高度為1 710 mm;底座裝配4個(gè)輪子,以便于機(jī)臺(tái)的移動(dòng)。
為了方便后期的維護(hù),把兩個(gè)電路板做成一個(gè)組合單元。采用電路板橫插入結(jié)構(gòu)的方式,對(duì)該單元進(jìn)行對(duì)導(dǎo)向與鎖緊設(shè)計(jì)(如圖4所示)。每個(gè)單元上集成有導(dǎo)槽,可以快速地夾鉗、對(duì)插板等。測(cè)試單元通過(guò)兩側(cè)螺紋孔被固定在機(jī)架上。每次進(jìn)行測(cè)試,用手把快速鉗打開(kāi),將電路板從導(dǎo)槽插入到最前端,通過(guò)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)自動(dòng)結(jié)合對(duì)插板座,再把快速鉗閉合??焖巽Q的設(shè)計(jì)與使用,可以滿足快速地裝配與拆卸的需求。
圖4 電路板組合裝配結(jié)構(gòu)
本方案采取多電路板并行動(dòng)態(tài)老練的方式。因此,在動(dòng)態(tài)老練過(guò)程中,每個(gè)電路板都會(huì)產(chǎn)生各自的端口狀態(tài)數(shù)據(jù),有必要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理和顯示,所以軟件設(shè)計(jì)主要分兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行:1)設(shè)計(jì)控制器電路板上運(yùn)行的軟件;2)設(shè)計(jì)工控機(jī)方面運(yùn)行的軟件。
a)控制器電路板上運(yùn)行的軟件的設(shè)計(jì)
每個(gè)控制器電路板采用RT Linux為操作系統(tǒng),作為485通訊從站,應(yīng)用軟件采用多線程架構(gòu),創(chuàng)建6個(gè)獨(dú)立線程分別對(duì)遠(yuǎn)程端口、輸入輸出端口、HMI與LAN網(wǎng)口、Couter1端口、Counter2端口、鐵電存儲(chǔ)器進(jìn)行自檢工作;同時(shí)實(shí)現(xiàn)RS485通訊線程,以滿足485從站的通訊功能,以被動(dòng)地應(yīng)答工控機(jī)端對(duì)該電路板的端口信息訪問(wèn)。
b)工控機(jī)方面運(yùn)行的軟件的設(shè)計(jì)
工控機(jī)方面用Windows為操作系統(tǒng),作為485通訊主站,該應(yīng)用軟件基于Qt進(jìn)行界面開(kāi)發(fā),完成動(dòng)態(tài)老練參數(shù)設(shè)置,人機(jī)界面數(shù)據(jù)訪問(wèn),實(shí)現(xiàn)RS485主站通訊功能;按參數(shù)配置,通過(guò)485線纜,依次發(fā)起對(duì)每個(gè)控制器電路板的訪問(wèn);并將訪問(wèn)的結(jié)果按從站地址、時(shí)間進(jìn)行原始信息記錄;對(duì)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以表格的形式顯示每個(gè)電路板的運(yùn)行情況。
在動(dòng)態(tài)老練過(guò)程中,作為從站的控制器電路板的應(yīng)用軟件,通過(guò)周期性地觸發(fā)輸入信號(hào)的變化來(lái)監(jiān)控反饋信號(hào)的變化,以實(shí)現(xiàn)自身電路的監(jiān)控診斷;工控機(jī)作為主站通過(guò)485總線收集每個(gè)從站的動(dòng)態(tài)老練數(shù)據(jù),由主站軟件完成統(tǒng)計(jì)分析匯總,進(jìn)行從站端口狀態(tài)的集中顯示,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的篩選。
在動(dòng)態(tài)老練中,控制器電路板的應(yīng)用軟件需完成對(duì)其自身的每個(gè)IO子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)診斷。以輸入輸出功能子電路為例,輸入端口針腳為IN1-IN23,輸出端口針腳為OT1-OT23,采取輸出端口針腳依次對(duì)接輸入端口針腳,如OT1對(duì)接IN1。在動(dòng)態(tài)老練過(guò)程中,軟件在輸出端口處觸發(fā)OT1為高電平后,在輸入端口處進(jìn)行IN1狀態(tài)的讀?。?/p>
1)如IN1為高電平,則對(duì)輸入輸出功能電路的正確次數(shù)累計(jì)加1;
2)如IN1為低電平,則對(duì)輸入輸出功能電路的錯(cuò)誤次數(shù)累計(jì)加1。
軟件在輸出端口處觸發(fā)OT1為低電平后,在輸入端口處進(jìn)行IN1狀態(tài)的讀?。?/p>
1)如IN1為低電平,則對(duì)輸入輸出功能電路的正確次數(shù)累計(jì)加1;
2)如IN1為高電平,則對(duì)輸入輸出功能電路的錯(cuò)誤次數(shù)累計(jì)加1。
其他針腳依次類(lèi)推。在老練過(guò)程中,通過(guò)信號(hào)不同的高低電平輸入變化和結(jié)果統(tǒng)計(jì),從而完成對(duì)電路板的篩選。
主從站之間進(jìn)行485數(shù)據(jù)通訊,有必要按老練過(guò)程中控制器所檢測(cè)的功能電路,對(duì)如表1所示的數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行定義。
表1 功能碼檢測(cè)格式定義
為了提高485的通訊速度,主從站對(duì)通訊的數(shù)據(jù)內(nèi)容作以下格式定義,采取一次性報(bào)告電路板所有功能狀態(tài)的方式。
Format: “NET, [OK正確次數(shù):ERR錯(cuò)誤次數(shù)];IO, [OK正確次數(shù):ERR錯(cuò)誤次數(shù)];REMOTE, [OK正確次數(shù):ERR錯(cuò)誤次數(shù)];FRAM, [OK正確次數(shù):ERR錯(cuò)誤次數(shù)],Counter1, [OK正確次數(shù):ERR錯(cuò)誤次數(shù)],Counter2, [OK正確次數(shù):ERR錯(cuò)誤次數(shù)]?!?/p>
本文基于動(dòng)態(tài)老練原理,提出了一種對(duì)機(jī)器人控制器動(dòng)態(tài)老練的方案設(shè)計(jì)。該方案結(jié)合自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制器電路板特點(diǎn),在動(dòng)態(tài)老練中,通過(guò)軟件的手段,采用RS485組網(wǎng)和端口互連自測(cè)的方式,完成控制器電路板在小批量生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。該方案思路清晰,整體布線簡(jiǎn)單,實(shí)施容易。通過(guò)該方案來(lái)篩選控制器產(chǎn)品,顯著地提高了產(chǎn)品出廠后的質(zhì)量和合格率。該方案設(shè)計(jì)的方法和思路同樣適用于其他類(lèi)似控制器在小批量生產(chǎn)時(shí)的動(dòng)態(tài)老練方案。