楊 洋

(東莞市機電工程學(xué)會，廣東 東莞 523000)

1 系統(tǒng)硬件平臺

1.1 系統(tǒng)功能需求與器件選型

機械手工作內(nèi)容如下：利用伺服電機帶動機械手復(fù)位，明確運動基準(zhǔn)位置，機械手運動至物料位置，抓取電池層組，移動至傳送帶電池位置。利用反射激光傳感器，準(zhǔn)確搜索鋰電池層組，同時對電池組裝配位置進(jìn)行定位。裝配機械手具備多項運動功能，包含位置控制模塊、氣動抓取模塊。通過位置模塊，可以準(zhǔn)確定位端蓋與層組。氣動模塊，可以抓取動力鋰電池端蓋與層組。在裝配機械手系統(tǒng)中，能夠?qū)C械手運動位置限位開關(guān)進(jìn)行判斷，通過激光傳感器定位檢測鋰電池層組，同時對電磁閥氣缸抓取裝置進(jìn)行控制[1]。

1.2 機械手運動控制器設(shè)計

運動控制器，是運動控制系統(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、單片機核心、PC+運動控制器。為了滿足裝配機械手控制要求，應(yīng)用主控芯片、運動控制芯片，優(yōu)化設(shè)計機械手控制器，通過總線技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。控制器利用嵌入中央處理器、運行控制芯片，去除外圍設(shè)備，降低開發(fā)成本，不僅可以利用上位機實現(xiàn)運行控制，還可以確保上位機運行獨立性。裝配機械手控制系統(tǒng)，能夠?qū)θS伺服電機進(jìn)行控制。按照伺服電機驅(qū)動器、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)，同時設(shè)計總線通信接口。所以，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用運動控制器。

1.3 械手驅(qū)動執(zhí)行系統(tǒng)

驅(qū)動電機。在系統(tǒng)設(shè)計中，伺服電機可以實現(xiàn)各軸往復(fù)運動，搜索動力電池層組。生產(chǎn)線裝配期間，機械手三軸伺服電機，需要多次啟停操作。應(yīng)用交流伺服電機，能夠提升速度響應(yīng)頻率，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)增益、調(diào)諧等。

驅(qū)動器。系統(tǒng)應(yīng)用交流伺服驅(qū)動器，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，對電機轉(zhuǎn)速大小進(jìn)行控制。發(fā)送脈沖數(shù)量，對電機轉(zhuǎn)動角位移量進(jìn)行控制，多應(yīng)用到定位裝置中。

2 裝配機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 運動控制器設(shè)計

(1)核心板最小系統(tǒng)設(shè)計：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：在控制系統(tǒng)中，電源電路屬于重要組成。電源穩(wěn)定性，對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、運動控制芯片，供電電壓為3.2V。單獨直流電源(5V)與電源(3V)共地，能夠為液晶顯示模塊提供電源。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：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)計接口電路。(4)通信模塊設(shè)計：調(diào)試程序時，需要與PC通信，優(yōu)化設(shè)計串行接口，和PC機異步通信。為了兼容PC機通用串口，需要將TTL電平，轉(zhuǎn)變?yōu)镽S232電平。生產(chǎn)線上位機、下位機數(shù)據(jù)通信，可以應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)分布控制、實時控制，滿足分布并行式系統(tǒng)要求。(5)運動控制模塊設(shè)計：運動控制模塊，采用PCL控制器，提供多種脈沖控制功能，對電機運行狀態(tài)予以控制。控制功能涉及到勻速回零、定位、供給、加減速等。PCL控制器能夠?qū)Χ噍S運動進(jìn)行控制，向中央處理器傳達(dá)控制器運行狀態(tài)，同時實現(xiàn)中斷輸出。(6)轉(zhuǎn)接板設(shè)計：外接板可以引出各軸限位信號、脈沖、IO信號等，將外部設(shè)備、用戶連接在一起。設(shè)計四軸接口電路，單獨列出各軸IO信號，便于用戶連接。

2.2 應(yīng)用程序設(shè)計

(1)升降速控制。在運動控制器設(shè)計中，合理設(shè)置加減速參數(shù)，使其運行在寄存器內(nèi)，合理設(shè)置速度曲線，對應(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。針對連續(xù)運行模式，將寄存器設(shè)置為00H，電機處于連續(xù)運行狀態(tài)。輸入啟動指令后，遵循預(yù)設(shè)方向運行，利用寄存器設(shè)定，直到寫入減速指令。對于定長運動模式，該模式涉及到相對定長、絕對定長。合理設(shè)置寄存器為41H，將位置計數(shù)器作為參考，科學(xué)指定絕對位置。將數(shù)值寫入寄存器中，合理設(shè)置運動方向與距離，實現(xiàn)相對定長。(3)插補運動控制?？焖傺b配生產(chǎn)線，縮短裝配時間。按照生產(chǎn)線實況，合理應(yīng)用X、Y軸聯(lián)動方式插補。插補是按照運動起始點、進(jìn)給速度、軌跡輪廓，遵循控制系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，細(xì)化運動輪廓軌跡。系統(tǒng)插補功能會受到插補精度、速度指標(biāo)影響。(4)回原點程序設(shè)計。在運動控制系統(tǒng)中，原點運行控制非常重要，為回零控制。原點定位精度，對裝配機械手定位影響較大。在系統(tǒng)運行中，將霍爾傳感器安裝在機械手軸上，對機械手運動原點信號、限位信號進(jìn)行檢測。在各軸上安裝傳感器感應(yīng)片，控制器接收電壓信號，掌握寄存器狀態(tài)，對機械手回原點位置進(jìn)行判斷。通過單方向，對機械手回零進(jìn)行控制。(5)工作流程設(shè)計。在裝配生產(chǎn)線上，涉及20個工位，有10個為自動化工位。層組機械手，可以完成層組裝配，機械手均為層組安裝，只是數(shù)量不同。對于端蓋機械手，重點裝配水箱底端蓋、PCB板、水箱前端蓋、電池組前端蓋。各工位機械手運動過程一致性。在生產(chǎn)線上，轉(zhuǎn)運工位為最后工序，能夠?qū)恿︿囯姵亟M搬運至老化試驗臺，做好動力電池組充放電試驗。機械手運動控制流程，以分支控制程序為主。

2.3 系統(tǒng)調(diào)試

利用現(xiàn)場總線技術(shù)，對生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，注重測試控制流程。在程序內(nèi)部，注釋機械手控制程序，挑選10個工位進(jìn)行通信，測試其與上位機通信可靠性。編寫完整程序，查看機械手是否通過現(xiàn)場總線控制，實現(xiàn)工位裝配動作指導(dǎo)。在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時，注重觀察機械手異常情況，包括抓取失敗、硬件限位、搜索失敗等。

3 結(jié)語

綜上所述，本文重點介紹生產(chǎn)線機械手控制系統(tǒng)，討論系統(tǒng)設(shè)計問題，全面提升動力鋰電池組生產(chǎn)效率，確保其滿足用戶生產(chǎn)需求。通過模糊控制、激光傳感器，能夠準(zhǔn)確定位機械手。按照機械手控制需求，編寫軟件程序，優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)場總線通信協(xié)議，利用現(xiàn)場總線技術(shù)，確保上位機監(jiān)測和控制機械手。