楊 洋

(東莞市機(jī)電工程學(xué)會(huì)，廣東 東莞 523000)

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

1.1 系統(tǒng)功能需求與器件選型

機(jī)械手工作內(nèi)容如下：利用伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手復(fù)位，明確運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)位置，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至物料位置，抓取電池層組，移動(dòng)至傳送帶電池位置。利用反射激光傳感器，準(zhǔn)確搜索鋰電池層組，同時(shí)對(duì)電池組裝配位置進(jìn)行定位。裝配機(jī)械手具備多項(xiàng)運(yùn)動(dòng)功能，包含位置控制模塊、氣動(dòng)抓取模塊。通過(guò)位置模塊，可以準(zhǔn)確定位端蓋與層組。氣動(dòng)模塊，可以抓取動(dòng)力鋰電池端蓋與層組。在裝配機(jī)械手系統(tǒng)中，能夠?qū)C(jī)械手運(yùn)動(dòng)位置限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行判斷，通過(guò)激光傳感器定位檢測(cè)鋰電池層組，同時(shí)對(duì)電磁閥氣缸抓取裝置進(jìn)行控制[1]。

1.2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制器，是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心。按照不同控制器框架，可以劃分為3大類：專用芯片核心、單片機(jī)核心、PC+運(yùn)動(dòng)控制器。為了滿足裝配機(jī)械手控制要求，應(yīng)用主控芯片、運(yùn)動(dòng)控制芯片，優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械手控制器，通過(guò)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換?？刂破骼们度胫醒胩幚砥鳌⑦\(yùn)行控制芯片，去除外圍設(shè)備，降低開(kāi)發(fā)成本，不僅可以利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制，還可以確保上位機(jī)運(yùn)行獨(dú)立性。裝配機(jī)械手控制系統(tǒng)，能夠?qū)θS伺服電機(jī)進(jìn)行控制。按照伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制系統(tǒng)需求，利用總線技術(shù)，統(tǒng)一管理生產(chǎn)系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)總線通信接口。所以，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制器。

1.3 械手驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)各軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，搜索動(dòng)力電池層組。生產(chǎn)線裝配期間，機(jī)械手三軸伺服電機(jī)，需要多次啟停操作。應(yīng)用交流伺服電機(jī)，能夠提升速度響應(yīng)頻率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)增益、調(diào)諧等。

驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)應(yīng)用交流伺服驅(qū)動(dòng)器，涉及到速度控制、位置控制、轉(zhuǎn)矩控制。其中，位置控制利用外部脈沖頻率，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小進(jìn)行控制。發(fā)送脈沖數(shù)量，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移量進(jìn)行控制，多應(yīng)用到定位裝置中。

2 裝配機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

(1)核心板最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)：核心板最小系統(tǒng)，涉及到晶振電路、復(fù)位電路等。(2)電源模塊設(shè)計(jì)：在控制系統(tǒng)中，電源電路屬于重要組成。電源穩(wěn)定性，對(duì)主控電路可靠性影響非常大。在控制系統(tǒng)中，應(yīng)用直流電壓供電方式，器件、運(yùn)動(dòng)控制芯片，供電電壓為3.2V。單獨(dú)直流電源(5V)與電源(3V)共地，能夠?yàn)橐壕э@示模塊提供電源。為了降低電源噪聲影響，添加電源濾波電路。(3)端口電路設(shè)計(jì)：使用JTAG專用調(diào)試接口，以仿真調(diào)試電路為標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)接口電路。(4)通信模塊設(shè)計(jì)：調(diào)試程序時(shí)，需要與PC通信，優(yōu)化設(shè)計(jì)串行接口，和PC機(jī)異步通信。為了兼容PC機(jī)通用串口，需要將TTL電平，轉(zhuǎn)變?yōu)镽S232電平。生產(chǎn)線上位機(jī)、下位機(jī)數(shù)據(jù)通信，可以應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)分布控制、實(shí)時(shí)控制，滿足分布并行式系統(tǒng)要求。(5)運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)：運(yùn)動(dòng)控制模塊，采用PCL控制器，提供多種脈沖控制功能，對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)予以控制?？刂乒δ苌婕暗絼蛩倩亓?、定位、供給、加減速等。PCL控制器能夠?qū)Χ噍S運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，向中央處理器傳達(dá)控制器運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)中斷輸出。(6)轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)：外接板可以引出各軸限位信號(hào)、脈沖、IO信號(hào)等，將外部設(shè)備、用戶連接在一起。設(shè)計(jì)四軸接口電路，單獨(dú)列出各軸IO信號(hào)，便于用戶連接。

2.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

(1)升降速控制。在運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)中，合理設(shè)置加減速參數(shù)，使其運(yùn)行在寄存器內(nèi)，合理設(shè)置速度曲線，對(duì)應(yīng)寄存器如圖1所示。

圖1 寄存器設(shè)置與速度曲線關(guān)系

(2)位置運(yùn)行控制。利用模式操作寄存器0-6位，有效指導(dǎo)操作模式。針對(duì)連續(xù)運(yùn)行模式，將寄存器設(shè)置為00H，電機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。輸入啟動(dòng)指令后，遵循預(yù)設(shè)方向運(yùn)行，利用寄存器設(shè)定，直到寫入減速指令。對(duì)于定長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)模式，該模式涉及到相對(duì)定長(zhǎng)、絕對(duì)定長(zhǎng)。合理設(shè)置寄存器為41H，將位置計(jì)數(shù)器作為參考，科學(xué)指定絕對(duì)位置。將數(shù)值寫入寄存器中，合理設(shè)置運(yùn)動(dòng)方向與距離，實(shí)現(xiàn)相對(duì)定長(zhǎng)。(3)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制?？焖傺b配生產(chǎn)線，縮短裝配時(shí)間。按照生產(chǎn)線實(shí)況，合理應(yīng)用X、Y軸聯(lián)動(dòng)方式插補(bǔ)。插補(bǔ)是按照運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)、進(jìn)給速度、軌跡輪廓，遵循控制系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，細(xì)化運(yùn)動(dòng)輪廓軌跡。系統(tǒng)插補(bǔ)功能會(huì)受到插補(bǔ)精度、速度指標(biāo)影響。(4)回原點(diǎn)程序設(shè)計(jì)。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，原點(diǎn)運(yùn)行控制非常重要，為回零控制。原點(diǎn)定位精度，對(duì)裝配機(jī)械手定位影響較大。在系統(tǒng)運(yùn)行中，將霍爾傳感器安裝在機(jī)械手軸上，對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)原點(diǎn)信號(hào)、限位信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。在各軸上安裝傳感器感應(yīng)片，控制器接收電壓信號(hào)，掌握寄存器狀態(tài)，對(duì)機(jī)械手回原點(diǎn)位置進(jìn)行判斷。通過(guò)單方向，對(duì)機(jī)械手回零進(jìn)行控制。(5)工作流程設(shè)計(jì)。在裝配生產(chǎn)線上，涉及20個(gè)工位，有10個(gè)為自動(dòng)化工位。層組機(jī)械手，可以完成層組裝配，機(jī)械手均為層組安裝，只是數(shù)量不同。對(duì)于端蓋機(jī)械手，重點(diǎn)裝配水箱底端蓋、PCB板、水箱前端蓋、電池組前端蓋。各工位機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程一致性。在生產(chǎn)線上，轉(zhuǎn)運(yùn)工位為最后工序，能夠?qū)?dòng)力鋰電池組搬運(yùn)至老化試驗(yàn)臺(tái)，做好動(dòng)力電池組充放電試驗(yàn)。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制流程，以分支控制程序?yàn)橹鳌?/p>

2.3 系統(tǒng)調(diào)試

利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，注重測(cè)試控制流程。在程序內(nèi)部，注釋機(jī)械手控制程序，挑選10個(gè)工位進(jìn)行通信，測(cè)試其與上位機(jī)通信可靠性。編寫完整程序，查看機(jī)械手是否通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制，實(shí)現(xiàn)工位裝配動(dòng)作指導(dǎo)。在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)，注重觀察機(jī)械手異常情況，包括抓取失敗、硬件限位、搜索失敗等。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文重點(diǎn)介紹生產(chǎn)線機(jī)械手控制系統(tǒng)，討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，全面提升動(dòng)力鋰電池組生產(chǎn)效率，確保其滿足用戶生產(chǎn)需求。通過(guò)模糊控制、激光傳感器，能夠準(zhǔn)確定位機(jī)械手。按照機(jī)械手控制需求，編寫軟件程序，優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，確保上位機(jī)監(jiān)測(cè)和控制機(jī)械手。