注塑机取模机械手控制系统 (2)

1、摘要 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。单旋臂式注塑机取模机械手是一种抓取注塑工件的机械手,该机械手占用空间小，稳定性好、效率高，是注塑行业抓取注塑工件不可缺少的自动化设备，该机械手以气动方驱动，简单可靠，操作、维修方便。有较好的市场应用前景。 本文主要介绍基于单片机的单旋臂式取模机械手的控制板的设计，采用直接控制结构，完成了硬件电路设计，包括时钟复位电路、输入输出通道、液晶接口、键盘接口、串口下载等，包括菜单、机械手动作位置监督、故障报警等相关功能。整个控制系统结构简洁、各模块功能明确。

2、机械手采用的不同硬件结构，针对目前开发的单悬臂式注塑机取模机械手控制板提出了相应解决方案。该控制板采用模块化的电路设计各部分功能明确。同时，考虑到注塑机取模机械手恶劣的工作环境，在硬件上加入了抗干扰设计，有效提高系统的抗干扰能力。在软件方面，不但满足了机械手的动作要求，也加入了抗干扰设计，弥补硬件抗干扰的不足。整个控制系统调试完成，基本完成机械手的各功能要求。 关键词:单片机;注塑机取模机械手;模块化；抗干扰Abstract The take-out robot for Plastie injection15 arobot for grabat work Pieceof Plasticinje

3、ction .The robot take uPthesmallsPaee，goodStability，highefficieney，it 15 indispensable automation equipments inplastie injection fleld.The robot drive with theair pressure，simple andere dibility would beser vieeeon venienee.Directeontrolstrueture15usedintheeontrolsystem，asatake一outrobotforPlastieinj

4、ection，hardwaredesignincludetheinPut，outPut，LCDdisPlay，keyboard，ISP，soflwaredesignineludealarm，malfunetionreasondisPlay，teaeh，ete.Thestrueture15eoneision.Thefunctionofeachmold15exPlieit.AfterinirodueethePresenteonditionandexistentProblemoftake一outrobotforPlastieinjeetion，thearticleillustrateddiffere

5、nthardwarestructureandProPosedthewaytosolVeProblem.ThehardwarePartoftheeontrolsystemchoosesdireeteontrolstrueture，meanwhile;thePlanforconsideranti一inierferencedesignareusedforcancelingthebadenvironmentoftherobotworking.Also，Providefriendlyinierfaeeforshortenthetimeofstudyabouttherobotandsoftwareanii

6、一interfereneedesignformakeuPthewea比essofthePartofhardwaredesign.ComPletethesystemadjustsandRealizationfunetionoftherobot. KeyWords:MCU:take-out robot for Plastieinjeetion;anti-inierfereneee目录第一章 绪论1.1注塑机取模机械手的发展历程与现状 1.2课题的来源及任务1.2.1课题的来源1.2.2课题完成的任务1.3课题的意义第二章 注塑机取模机械手控制板的总体设计2.1控制板的总体方案2.1.1机械手控制板

7、典型方案2.1.2常用核心处理器2.1.3本控制板采用的方案及选用的核心处理器2.2控制板功能及基本解决方案2.2.1控制板功能要求2.2.2控制板基本解决方案2.3 系统的组成框图 第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计3.1引言3.2硬件模块设计.3.3CPU、ISP、急停、输入、输出通道模块及其电路设计3.3.1 CPU选用及其性能介绍3.3.2 ISP及其电路设计3.3.3 急停电路设计3.3.4输入通道及其电路设计3.3.5 输出通道及其电路设计3.4 键盘端口和状态灯及其电路设计3.4.1键盘、状态灯及其电路设计3.4.2键盘接口及其电路设计3.5液晶显示端口及其电路设计第四章

8、 注塑机取模机械手控制系统的软件设计4.1引言4.2软件总体设计4.2.1功能性设计4.2.2可靠性设计4.2.3运行管理设计4.3机械手控制系统的软件模块设计和开发平台、编程语言4.3.1软件模块设计4.3.2开发平台和开发语言4.4机械手急停程序设计4.5机械手动作程序设计4.6键盘扫描和键盘读取模块4.6液晶显示模块第五章 注塑机取模机械手控制系统的软、硬件抗干扰设计5.1引言5.2挑选合适的元器件5.2.1元器件的失效机理5.2.2元器件的选择5.2.3降额设计5.3抗干扰措施5.3.1光电隔离5.3.2去祸电容、旁路电容、磁珠5.3.3地线安排5.3.4看门狗技术第六章 总结致谢参考

9、文献附录第一章 绪论 本章简要介绍了国内外注塑用机械手的发展历程和未来的发展方向在深入分析目前国内对于注塑机用机械手技术现状和市场需求之间的关系和矛盾的基础上介绍了本课题的来源并描述了本课题的意义和及所要完成的具体工作。1.1工业机械手的发展历程与现状 机械手是能够模仿人手和手臂的功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可以部分或全部代替人力，从事一些单调、繁重的重复性劳动，实现生产的机械化和自动化，能在有害环境中操作得以保护人身安全当前正广泛用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大

10、了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。 早在上个世纪40年代，美国在原子能实验中，率先采用机械手搬运放射性材料，工作人员在安全室操纵机械手完成各种动作和实验，其控制系统采用遥控操作方式。遥控操作方式是一种最简单的机械手控制形式

11、，机械手(执行机构)通过机械或电动等仿形机构，跟踪操作人员的手臂(操作机)动作。其突出特点是机械手工作过程中需要人的参与，能够充分发挥人的视觉、听觉等器官的传感与检测能力，以及人脑的思维、判断与决策能力。但因为其对人的依赖，自动化程度不高。 50年代后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置，在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。在这些机械手系统中，普遍采用了继电逻辑控制或计算机逻辑控制，机械手按照事先编制好的控制逻辑，自动完成顺序动作。 进入20世纪90年代，由于具有一般功能的

12、传统工业机器人的应用趋向饱和，而许多复杂操作或特种应用却需要具有一定智能的机器人参与，使智能机器人获得较为迅速的发展。智能机器人的机械部分与机械手并无本质区别，但控制系统发生了根本性的变化。智能机器人不仅能够根据事先编制的程序实现预定的动作，同时能够探测工作过程中周围工作条件的变化，自动修正运动参数或运动规律。 近几年，中国注塑机发展迅猛，每年都以超过30%的速度增长。随着产业的发展，用户对注塑机自动化程度的要求也越来越高。一个大型的注塑企业通常会有几十甚至几百台注塑机需要管理，无论是从生产安全、生产效率还是从产品品质的角度来看，都不可能用人手来取产品，这个时候就迫切需要用到注塑机取模机械手采

13、用该机械手取工件，不仅大大提高了生产效率，而且大量节省了操作员工，提高了操作人员的安全性和舒适程度。目前，我国内地仅有少数几个企业通过仿制的方式在生产注塑机机械手，大量的产品依靠台湾、日本和欧美进口。进口机械手不仅成本高昂，其设计思路更适合西方人的思维却不太适合中国人的操作习惯。目前国内开发的机械手控制系统在稳定性方面有所欠缺，而作为控制部件的主要部分的控制板的要求更高，研制与开发一种工作效率高、成本低，性能稳定的注塑机取模机械控制板难度加大。1.2课题的来源及任务1.2.1课题的来源 中国改革开放20多年来，塑料加工行业得到了迅猛的发展，同时，注塑成型设备的自动化程度也越来越高。为了适应这种

14、发展趋势，越来越多从事塑料加工行业的厂商在其注塑机上都配备了注塑机取模机械手，以减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产、提高注塑成型机的生产效率、稳定产品品质、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力。机械手可以完成注塑生产过程中的多个工序。在我国，目前注塑机取模机械手主要用于快速地从模具中取出工件并且送到下一个工位上。一个注塑用机械手通常可由执行系统、驱动系统和控制系统等部分组成其中:l)执行系统是机械手抓取或释放工件、实现机械手动作的系统，通常由臂部、腕部和手部等部件组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、

15、托持型和吸附型等。运动机构使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式。 2)驱动系统是为执行系统的各个部件提供动力的系统，有气动、液压、电动和机械等形式。气动式速度快、成本低、结构相对简单而且有较高的重复定位精度;而液压式臂力大，定位精度高，可以实现连续控制，但是容易漏油，造成污染。 3)控制系统对驱动系统进行控制，使执行系统按照预定的要求而运动。主控制板的设计是系统的主要控制部件，包括位置检测装置和程序控制两部分，通常采用点位控制和连续轨迹控制两种方式。注塑机取模机械手的技术参数影响到机械手的整体工作性能:

16、1)抓重是指机械手抓取制品的额定重量或载荷，通常，注塑机取模机械手的最大抓重是2千克(包括夹具重量)。2)机械手臂的运动参数是指机械手的上下行程、引拔行程、旋入旋出角度等参数。3)定位精度是指机械手的位置设定精度和重复定位精度。以上的几个技术参数主要通过机械的方式来达到，作为注塑机取模机械手控制板的设计，主要关注以下的几个问题: 1)机械手的工作效率在很大程度上决定了工厂生产注塑工件的效率，机械手完成一套动作的时间成为循环时间，循环时间越短，机械手工作效率越高，单位时间内完成的取模动作就越多，当然，在具体工作过程中，这个时间还要取决于注塑机的注塑周期。 2)随着注塑机取模机械手的普及化，其市场

17、需求量剧增，整体价格不断下调，为了占领国内的注塑机取模机械手市场，在开发机械手控制板时，必须在满足机械手性能的前提下，尽量降低成本。 3)机械手在抓取工件时，一个典型的工作循环可能是:机械手收到注塑机开模完信号，机械手下降、前进、机械手夹取工件、机械手后退、上升、检测是否夹住了工件、机械手收到一次上位信号，注塑机关模、机械手旋出、下降、机械手放工件、机械手上升、触发二次上位信号、机械手旋入，然后等待注塑机的开模信号。机械手与注塑机配合工作，保证机械手运行的稳定性至关重要，如果出现注塑机关模时机械手还停留在下行位置，或者注塑机还没有完全开模，机械手已开始下行等情况，就会发生机械手与注塑机的直接触

18、碰，造成注塑模具或机械手的损坏，严重危及人身及设备财产安全。而控制板开发则遇到了比较大的困难，主要表现在以下几个方面:1)可靠性问题 由于注塑用机械手在工厂车间里工作，且机械手直接安装在注塑机上。注塑机开关模时，负荷变化比较大，会造成很大的浪涌电压。这种大电流的涌动会严重影响控制系统的正常运行。国内仿制的控制系统的抗干扰能力不能完全满足工作现场的需要，程序紊乱、死机、设备损坏等情况时常发生。2)工作效率 工作效率的好坏取决于注塑机的注塑周期、机械手各运动导轨、气路中各支路气压和软件延时，当多种因素调节合理才能达到理想的工作效率。3)开发成本 作为一种面向市场的产品，在满足设计要求的前提下，在产

19、品开发阶段就致力于成本控制，这对该产品的市场生存能力至关重要。4)人机交互 由于国内生产的注塑机取模机械手控制系统仿制国外产品时，主要注重功能实现而忽视了人机交互能力的研究，操作界面不够人性化，同时对操作人员的素质要求比较高。5)系统升级能力控制系统的软件通过烧写器写入单片机，不支持在系统编程能力，软件升级比较困难。因为注塑机取模机械手可以在很大程度上提高生产率和降低生产成本，能够稳定和提高注塑产品的质量，避免因为人为的操作失误而造成不必要的损失，所以，注塑机取模机械手在注塑生产中的作用将会变得越来越重要。随着我国注塑工业的迅猛发展，将会有越来越多的机械手用于上料、混合、自动装卸模具、回收废料

20、等各个工序上，并且将向着智能化的方向发展。1.2.2课题完成的任务 由于本设计主要是对机械手控制板的设计，设计仅为主要控制电路的设计，不需要单独设计电源部分和驱动部分，任务量大为减少。作为系列注塑机取模机械手控制板设计的第一阶段，主要针对单旋臂式注塑机取模机械手的控制要求而展开，具体研究内容包括:硬件电路设计和软件编程两大部分。其中，硬件电路包括时钟复位电路模块、开关量输入输出模块、液晶显示模块、键盘模块、ISP模块、串口通讯模块;软件部分包括液晶菜单设计、机械手固定动作程序设计、声光报警设计、机械手动作状态设计。本课题所设计的单旋臂注塑机取模机械手控制板的主要特点是: l)硬件部分采用模块化

21、设计，自行设计通用接口，尽可能的减小电路板空间占有量，在电气、机械性能上得以增强，可靠性高。 2)采用增强型单片机，大容量的程序存储器、数据存储器和闪存都集成在一块单片机内，减少了电路板上的元器件数目。 3)从硬件和软件两个方面加入抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力。 4)在电路板上特别增加了ISP模块和软件的模块化编程都方便程序调试和以后的软件升级。1.3课题的意义 本课题涉及到单片机技术、模拟电子技术、数字电子技术、计算机控制等多个学科。通过本课题的工作，不仅可以实现注塑机取模机械手的单片机控制，而且对于多学科交叉、渗透与交流有积极的促进作用。目前，国内厂商所用的注塑用机械手的控制部分，大部

22、分是购买国外的控制板，国内的控制板由于稳定性和抗干扰效果不理想，运行故障率比较高。本课题以加强稳定性和抗干扰能力为切入点，注重成本的降低。希望通过这一课题的研究，了解机械手的有关知识和中国现代工业的发展状况，达到对以前所学知识进行了解和巩固并熟练应用，使注塑用机械手在我国得以推广。同时，通过毕业设计，了解设计某项系统的具体思想和操作步骤，为以后更深一部的研发创造打下良好的基础。第二章 注塑机取模机械手控制板的总体设计2.1控制板的总体方案 目前，在市场上的注塑用机械手的种类主要有单悬臂式机械手、双悬臂式机械手、双臂横走式变频机械手、单轴伺服双臂横走式机械手、三轴伺服双臂横走式机械手等，对于不同

23、的注塑用机械手，其动作要求略有不同。详细要求见表2.1、2.2550mm范围上下行程（mm）动作名称321表2.2 机械手动作行程要求序号45前后行程（mm）旋出角度（）爪旋角度（ ）最大夹取负荷（kg）120mm5090902表2.1 不同机械手的动作要求（无吸）（无吸）动作型号上下引拔进退横走吸夹定点放置位置单旋臂式双旋臂式司服横走式旋入旋出 本文主要研究的是单旋臂式注塑机取模机械手，这种注塑机取模机械手需要完成的动作有:上行，下行、前进、后退、旋入、旋出、夹。这几个动作相互组合，完成相应的动作安排。 这几个单步动作并不是任意的组合都可以进行，为了机械手的正常、安全工作，必须妥善处理以下动

24、作之间的联锁控制: 1)在机械手下行位置时，机械手不能进行旋入、旋出动作。 2)机械手在完成一套动作后必须回到原始位置。 3)由于机械手是和注塑机配合工作，所以在机械手开始第一个动作之前，要等待注塑机开模完信号。换句话说，在开模完信号到来后，机械手工作，在开模完信号没有到来时，机械手等待。 4)在机械手同时处在旋入状态和下行位置时，不能向注塑机发允许关模信号。当发现以上错误时，根据当时机械手和注塑机的不同情况，机械手给注塑机不同的控制方案: l)机械手在上行位置时按下急停按钮，机械手立即停止工作，并使允许关模信号无效，此时如果注塑机没有关模，则由于注塑机没有收到允许关模信号而处在待机状态。如果

25、注塑机己经关模，则注塑机在正常完成一次注塑工作后开模，等待允许关模信号。 2)如果机械手在下行和旋入位置时按下机械手急停按钮，机械手立即停止工作，并给注塑机发机械手急停信号，此时注塑机立即停止工作。2.1.1机械手总体控制方案： 机械手的整体控制部分主要有电源、电控箱、气阀箱和执行结构，具体图形如下：主控制板中继板近接开关电磁转向阀机械手电源键盘液晶显示注塑机图2.1 控制结构框图 在这种结构设计中，硬件部分只要分为主控制板、中继板、键盘板和液晶显示电路板，对机械手的控制是通过主控制板直接对中继板发控制信号，中继板上的继电器根据主控制板的控制信号对气阀箱进行控制，从而对机械手进行相应的动作控制

26、。主控制板、键盘板和液晶显示模块经过合理设计后被安装在控制盒中，继承性好，外部通过一根电缆连到中继板上，实现对机械手的直接控制 。这种硬件结构的优点是:硬件结构简单，主CPU对机械手的各运动机构进行直接控制，适用于单旋臂式注塑用机械手和双旋臂式注塑用机械手。这种硬件结构的不足之处是:由于硬件结构相对简单，唯一的控制单元核心要负责检测键盘、液晶显示、输出机械手的动作和检测输入点等大量的工作，这对处理器的处理能力和即时性提出了挑战，而且输入输出点有限，控制集中，只能适用于悬臂式机械手等紧凑系统，而对于相对大型的横走式机械手则无法适用。因此，对它的总体方案了解后，才能具体设计它的控制板的设计方案。2

27、.1.2常用核心处理器1)单片机 单片机具有较高的集成度，特别是当前比较流行的增强型单片机，一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM(EEPROM或EPROM)、时钟，定时器。外部中断、模数转换、数模转换、SPI、PWM、PCA、ISP、IAP等诸多功能，价格从几圆到几十圆不等，但总体来说比较便宜。其缺点是处理速度相对较慢，当要处理的数据量特别是浮点运算工作量比较大、实时性和精度要求比较高时运用单片机开发控制系统就比较困难了。2)ARM ARM核处理器32位处理器，是具有高性能、廉价、低功耗的租RISC处理器，同时，ARM处理器可以支持8位、16位、32位数据类型，采用流水线来增加处理器指令流的

28、速度，锁相环技术进一步提高指令运行速度。可以嵌入操作系统，运用于更加复杂的操作对象。其缺点是开发周期长，多用于嵌入式运用。3)DSP DSP器件具有很高的集成度，运行速度更快，多级流水线和内置的高速硬件乘法器，并且提供了高度专业化的指令集，这些都提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度，所以DSP器件多用于以算法为主的嵌入式系统。其缺点是开发难度相对比较大，而且DSP器件的价格也不便宜。 上述的选择方案各有优缺点，对于控制系统的设计不需要选择速度最快的硬件器件，而是在达到设计要求的前提下，尽量降低系统的运行速度和开发成本。这样也提高了系统运行的稳定性。2.1.3本控制板采用的方案及选用的核

29、心处理器 本控制系统的开发主要是针对单悬臂式注塑用机械手，在机械臂工作时，运用一个机械手臂，从注塑机中吸或夹出注塑成型好的工件，通过对此机械手运动要求,注塑机通信和检测机械手运动位置的研究，得出单旋臂式注塑机取模机械手一共需有11个输出点和9个输入点。考虑到注塑用机械手的工作环境，根据以上的论述，在硬件结构上，选用直接控制不但可以完全胜任对此型号注塑机取模机械手各个动作的控制安排，而且硬件结构紧凑，开发周期短。同时，考虑到此款机械手控制工作量较小，以及需要在车间恶劣的环境重可靠的运行,根据前文的叙述，DSP更加注重于算法，ARM适合于复杂的嵌入式系统，而普通8位单片机注重对突发事件做出相应，故

30、本系统采用单片机作为控制核心较合适。2.2控制板功能及基本解决方案2.2.1控制板功能要求 单悬臂式机械手要配合注塑机的工作完成注塑工件的提取，在设计过程中要考虑注塑机提供给注塑机取模机械手的信号接口。同时，为了使操作者能够方便地对注塑机取模机械手的操作、控制和编程，确定控制系统功能要求如下:l)主控制板上包括主回路、时钟键盘和液晶显示等部分，设计时要确定合理的电路板尺寸，努力减少体积和控制盒重量。2)考虑到注塑用机械手的工作环境比较恶劣，特别是在注塑机开关模时，电路中的电流变化比较大，故硬件布局和电路走线要合理，在电路设计时应重点进行抗干扰设计，提高控制系统的抗干扰能力。3)根据机械手的运动

31、状态，要有明确的状态显示，能完成对机械手相关动作设置。4)根据机械手的动作要求，设计适当数量的按键，方便工作人员对机械手操作。5)机械手应具有自诊断与故障报警功能，当故障出现时，系统会发出警报对故障原因给出一个初步的诊断。2.2.2控制板的基本解决方案 针对以上的功能要求，本文采用以下基本解决方案:l)为方便工作人员操作机械手，机械手控制盒的设计需尽量小巧、轻便，为达到这一设计要求，在电路板设计中，可全采用集成度比较高的元件，电路布局紧凑，采用内含大容量RAM的高性能单片机等，以尽量减少电路板上的芯片数目，简化系统。2)工业控制设备都非常注重安全性，本控制系统同样也非常重视机械手工作时的设备和

32、人身安全。目前，在抗干扰方面，有很多行之有效的结构，比如在电源端加入压敏电阻、磁珠，在输入输出通道加光电隔离器、低通滤波器等，都能有效提高系统的抗干扰能力。3)键盘可以完成机械手的相关动作设计，键盘的设计形式比较单一，主要是按键数的安排，按键太多，软件设计相对简单，但增加了硬件设计的复杂程度，按键少，虽然硬件相对简单，但是增加了软件设计难度，因此，需采用一定的软件措施来简化键盘操作、减少实际使用的按键数。4)显示模块在当前的控制系统中非常常见，通常采用LED、LCD显示。 LED可以显示简单的亮灭状态，而LCD可以设计菜单，显示更复杂的内容，完成多样化的操作。在进行注塑机取模机械手操作和使用过

33、程中，需要通过显示模块显示系统状态，并进行复杂的人机交互，如: 1. 数值设定功能 2. 功能灯显示功能 3. 机械手当前动作显示功能 4. 机械手急停、软件复位功能 5. 机械手动作显示功能 6. 机械手总运行次数显示 所以，LCD显示器是本系统的不然选择。5)软件采用模块化编程，在研究机械手功能要求和稳定性要求的基础上，软件功能从以下几大方面进行规划: 1. 机械手的紧急停止 2. 机械手的键盘控制 3.机械手状态实时显示功能 4.机械手单步运动功能 5.机械手成套动作控制功能2.3 系统的组成框图 针对以上分析，不难得出基于单片机的机械手主控制板的设计思路，该板子所实现的功能相对比较简单

34、，输入输出点不多，不需要对其I/O口进行扩展，故用一块单片机芯片即可。作为单片机系统板的设计，必需要有时钟复位电路、键盘接口、输入输出通道等，分析得其系统组成图如下：系统组成框图2.2所示 ：图2.2 机械手控制板框图时钟电路复位电路键盘输入电路光耦触发电路光耦触发电路信号输出通道信号输入通道声光报警电路紧急停止回路ISP电路LCD显示电路 单 片 机第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计3.1引言 作为一个完整的控制系统，硬件部分的合理设计对于整个控制系统的正常、稳定工作是非常重要的。本章在研究注塑用机械手在工厂车间的工作环境的基础上，详细介绍了输入输出通道、液晶显示端口、键盘扫描、紧急

35、停止、报警电路和读取端口等全部硬件电路设计方法和成果。3.2硬件模块设计 硬件部分采用模块化设计，能够将复杂的系统划分成任务单一的模块，既有利于分时工作和系统维护与检修，也能实现项目间模块设计成果的通用化。模块化设计要求根据具体的实际情况和要求来组成系统，在组成一个系统时，各个模块之间不能相互干扰，要协调工作，完成相应的功能。按照单旋臂式注塑机取模机械手的动作和操作要求:输出通道用于输出控制机械手信号和给注塑机相应的信号、输入通道检测接近开关的信号、液晶用于显示当前机械手的工作状态以及菜单键盘用于键盘扫描和键盘读取。从功能上看，本控制系统可以分为以下几个模块，每一个模块需负责的任务如下:1)输

36、入通道 输入通道负责把接收接近开关的信号和来自注塑机的控制信号传输到单片机中，检测机械手的动作状态。2)输出通道 输出通道负责把单片机的输出控制信号传输给机械手产生相应动作、传输给注塑机，实现机械手和注塑机的动作配合。3)键盘及状态灯 在菜单确认、光标移动、相关功能设置和动作编辑等操作中，都需要键盘参与，为了合理完成机械手功能和降低硬件设计的复杂程度，可能有些按键还必须具有复用功能。键盘端口主要用于键盘扫描、键值读取和状态灯编辑接口，状态灯用于显示机械手和注塑机的关键信号。采用状态灯是为了方便机械手的故障检修和动作调试。4)液晶显示模块液晶显示用于显示机械手位置状态、运行次数等内容。具体模块图

37、如下：CPU处理模块ISP模块液晶显示接口液晶显示键盘扫描输出通道输入通道近接开关与注塑机通讯输出控制机械手图3.1控制板硬件模块图 3.3)CPU、ISP、急停、输入、输出通道模块及其电路设计3.3.1CPU选用及其性能介绍在当前市场上有很多品牌的单片机，性能优良、价格低廉，本控制系统设计考虑到要加液晶屏，故选用一款大容量闪存处理器AT89C51. AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存

38、储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路3.3.2ISP及其电路设计 本控制系统中，硬件电路搭建结构，软件实现各种具体的功能，在任何一个控制系统中，都少不了软件和硬件的配合，同样，本控制系统同样也需要软件，在编好软件代码后，需要把代码下载或烧写到程序存储器中，方法如下：使用

39、ISP(In-systemProgram，在线系统编程)采用在线系统编程，将程序代码通过串口直接下载到单片机ROM中。使用专门的烧写器和烧写器供应商提供的软件，把程序代码烧到单片机ROM中。程序代码的不同下载方式并不影响机械手的正常工作。使用烧写器，不用设计专门的串口电路，但是在每次调试程序，把程序烧写到芯片中时，都必须从主控制板上把芯片取下来，放到烧写器的芯片插座上，这样频繁的操作必然不利于程序的调试和芯片寿命。采用ISP方式，需要自行设计一个串口电路，但是带来的好处是方便程序下载和程序调试，在机械手出厂后，如果软件被无意破坏，不需要拆开换硬件，只需接上电脑，把程序重新下载一遍即可，方便了维

40、修。而且选用的AT89C51支持ISP方式，这款芯片在出厂时，单片机内部固化了BSL(Boot-Strap Loader)引导程序，为了方便程序调试和升级，选用了ISP方式下载程序代码。ISP模块的电路如图3.2所示图3.2 ISP电路在线系统编程是通过一个单片机上的串口和计算机上的串口相连，运用SST单片机供应商提供的下载软件，把程序代码下载到单片机中。计算机的串口用的是RS-232 ，RS-232C在逻辑电平上做了规定:逻辑1 -5-15逻辑0 +5+15显然，RS-232C是用正负电压来表示逻辑，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同，所以在图中，MAX232用于串口RS-232与TT

41、L电平之间的转换。3.3.3急停电路设计 单旋臂式注塑机取模机械手用于在注塑机完成注塑工件后，从模板中取出工件，机械手运动期间，注塑用机械手不能碰到模板，要按照既定的动作安排，安全可靠地运行，当注塑机取模机械手与注塑模板触碰时，必然引起上位信号异常，使机械手和注塑机停止工作。在异常情况下，还可以通过控制盒上的急停按钮使得机械手和注塑机停止工作。当按下机械手急停按钮(此时Jl处无连接)，机械手会立即停止动作，然后给注塑机发机械手急停信号，使注塑机也停止工作。机械手急停按钮接到CPU的外部中断0，且在软件上设置中断级别最高，当急停按钮弹起时(此时Jl处连接)，控制系统复位，机械手和注塑机可正常工作

42、。其电路设计如图： 图3.3 紧急停止回路3.3.4输入通道及其电路设计 本控制系统的输入量全是数字量输入，外部的数字输入量主要来自安装在注塑机取模机械手和注塑机上的接近开关。对于数字输入量，主要有两种应对方法:1. 非TTL电平信号:光电隔离防抖整形单片机2 . TTL电平: 光电隔离防抖单片机在本控制系统中,使用的接近开关是阳明电机股份有限公司的PS-05，最大检测距离是5mm，NPN型，电源为+24V，当机械臂在5mm以外时，输出为12v,当机械臂在5mm以内时，输出为0V，输入通道电路设计如图所示： 图3.4 输入通道设计 在图中，74LS245为8总线接收/发送器，内部有16个三态驱

43、动器，每个方向有8个，可以双向输入、输出。在控制端G（为低电平）有效时，由DIR控制驱动方向；DIR为“1”时方向从左到右（输出允许），DIR为“0”时方向从右到左（输入允许），其数据传输方向见表3.1所示表3.1 74ls245 真值表传送方向控制信号LLHDIRLHBAAB高阻 PC817为光电隔离器，在PC817的两端无电路连接，各用独立的电源和接地端，提高了系统的抗干扰性。 在光电隔离器的输入端，通过电阻和接近开关相连，当接近开关接通时，压降为0.7V，PC817输入端最大可承受IA电流，通常不会达到这么大的电流 在这里，取IOmA，这时光电管的压降约为IV，可计算出输入端的电阻为:在

44、光电隔离器输入端接入的电阻最好为2.23k以上，考虑到并不是任何一种阻值的电阻都能方便买到，本控制系统中，选择3.3k。在光电隔离器的输出端，接上拉电阻，当有效信号来到时，输出端电压被拉低，输出端集电极电流最大可达到50mA，通常不会有这么大电流，输出端接RC滤波器后，接入74LS245，74LS245输入高电平电流为20mA，上拉电阻要保证在光电隔离器输出高电平时，电路中电流不会损坏74LS245，在输出低电平时，电流不会损坏光电隔离器中的光敏三极管。取输出端集电极电流为0.5mA，这样起到上来电阻作用和限流作用，则上拉电阻阻值为: 上拉电阻为9.8k，本控制系统中，取10k。输入信号来源于

45、安装在机械手上的接近开关和注塑机上的相关信号，对于接近开关上的信号并不是理想的信号跳变，在有效信号来到之前，有一个信号抖动的过程，因此在输入通道中，针对输入信号的特殊性，要加入RC电路构成一个低通滤波器，继电器在闭合时会有信号抖动，通常这种抖动在50Hz以上，在这里，取低通滤波器的截至频率为50HZ，电阻为20OK，则电容为: 根据计算，需电容大小为0.016F，取电容为0.022林F，此时的截至频率为: 满足设计要求。RC低通滤波器结构简单，当信号频率趋于零时，电容的容抗趋于无穷大，这时通带放大倍数趋于1。当频率从零到无穷大时，电压放大为3.3.5输出通道及其电路设计 本控制系统的各输出通道

46、均为数字量输出，主要负责控制机械手动作、向注塑机发出协调指示信号等。对于数字量输出，可按它的流程进行设计。来自CPU的数据总线输出锁存器数字光电隔离电路输出驱动电路电磁阀控制机械手图3.5 输出通道流程 图3.6输出通道回路上图为输出信道的电路原理图。其中，AT89C51的P23接到74LS373的输出允许端口(OC)，接到74LS373的锁存端。74Ls373是8路锁存器，C为数据打入端：当C为 “1”时，锁存器输出通输入状态；当C 由“1”变为“0”时，数据打入锁存器中。OE为输出允许端，低电平有效：OE=0时，三态门打开；OE=1三态门关闭，输出曾高阻。一般在进行控制操作时，控制状态需要

47、锁存，直到下次状态给出新的值为止。在Jl处接上电磁转向阀，控制机械手的动作运行。74LS373对输出信号进行锁存，表3.2为74LS373的真值表。表3.2 74LS373输出内部寄存器DLE输入信号工作方式锁存寄存器并禁止输出锁存并读寄存器使能并读寄存器HLLLLLLHLHLLHLLHLHHL/H高阻H H Q1为TIP122，是NPN型达林顿管，截室电压为100v，电流为SA，总功耗为65W，用来驱动后续的继电器电路。接入注塑机的信号都要经过继电器，控制机械手的信号经过电磁换向阀，控制气路的流向，以达到控制机械手的目的。3.4键盘、键盘端口和状态灯及其电路设计3.4.1键盘、状态灯及其电路

48、设计 在旋臂式注塑用机械手控制系统中，采用了动态菜单导航操作，键盘在这种人机交互过程中起着很重要的作用。同时，对机械手的动作示教、动作设置、动作监督等都离不开键盘，根据机械手的功能要求，将键盘的按键规划为以下几个部分: 操作键:操作键包括确定键、复位键、返回键和翻屏键，其中确定键用于对所设置的参数进行确定操作，复位键用于控制系统软件复位，返回键用于菜单返回，翻屏键用于在动作示教、参数设置时，一屏无法显示全部内容，采用翻屏的方式显示下面的内容。 动作键:8个动作键对应于单旋臂式注塑机取模机械手的8个基本动作，在有些情况下，这8个键还对应于07的8个数字按键。 方向键:4个方向键用于控制光标移动，

49、完成相关设置和选择功能。综上所述，系统共使用了16个按键，完成控制系统中所有的设置和选择。 由于按键数量较多，选择了4行4列的行列式键盘。本控制系统中，有些信号是关系到机械手安全工作的重要信号，这些信号不仅在液晶中显示这些信号的状态，在键盘板中，设计LED灯显示这些关键信号的状态，在液晶损坏的情况下，这些关键信号可以通过键盘板上LED灯的亮灭来反应关键信号的变化。这些关键信号包括: 夹检测:表示机械手夹取工件时，检测是否夹住工件 开模完:检测注塑机开模是否完成 可关模:由单片机告诉注塑机，可以进行关模动作 安全门:检测注塑机的安全门是否关闭 可顶出:由单片机告诉注塑机顶针，可以顶出工件 在这些

50、信号当中，夹检测是在机械手每次完成取模动作后，机械手运行到上行位置时才检测，如果没有检测到吸有效或夹有效，则注塑机和机械手必须停止工作，找到未取出的注塑工件。 开模完和允许关模信号是完成机械手和注塑机配合工作的关键信号，如果这些信号出现问题而又没有在软件和硬件上又相应的措施，机械手有可能和注塑机模板的碰撞，造成事故发生。 安全门信号关系到工作人员的安全，当工作人员打开注塑机安全门，注塑机和机械手必须停止工作，否则会危害人身安全。 可顶出信号是在吸取注塑工件前，顶针顶出工件，然后吸盘吸住工件，完成取工件的动作。如果工件没有顺利顶出，会影响后面的注塑工作，这时，必须停机检查故障原因。 在键盘板安装

51、这5个LED显示关键信号，方便检修。3.4.2键盘接口及其电路设计 针对键盘板，有专门的键盘接口，完成键盘扫描、键值读取和状态灯显示。键盘接口部分的电路如图： 图3.7 键盘接口如图所示，用AT89S51的并行口P2接44矩阵键盘，以P2.0P2.3作输入线，以P2.4P2.7作输出线；其中的每个按键代表“0F”序号。对应的按键的序号排列如图所示 0上行1下2旋入3旋出4进5退6夹7吸89ABCDEF图3.8键盘表其中的每个键值代表一种输入状态，本系统有九个输入点，分别对应键值0到9，其余几个为备用键值，在本系统板中暂用不到。行列式键盘要注意一个问题就是多键按下时的键值处理问题，在本控统中，不

52、需要同时按下多个按键的操作。按行列式键盘理论，如果进行了误操作，有可能出现键值误判，这个问题本系统由软件处理来解决而没有硬件方式。软件处理的主要思路是:按键放开时有效忽略多键输入操作3.5液晶显示端口及其电路设计 此控制系统的液晶显示部分采用的COMMAX公司的液晶屏，并行接口，液晶屏幕为的128x64，不带中文字库，可显示4行，每行显示8个汉字或16个字母，其引脚说明如表在表3.4中，液晶接口的引脚3要外接一个20K的电阻，通过这个电阻可以调节液晶的对比度;引脚4的低电平表示输入的是命令，高电平表示输入的是数据;引脚5高电平表示数据读，低电平表示数据写;引脚6下降沿是信号使能有效;两个片选端

53、都是高电平有效;复位端低电平有效;背光电源要串连一个34欧姆的限流电阻。JP3接上一个拨动开关，当断开开关时，液晶屏背光被关闭，同时通过74LS14触发外部中断l，由于外部中断1的中断级别低，所以不影响中断级别比它高的定时中断0和定时中断1，也就不影响机械手的动作。这样设计的目的主要是在机械手正常运作时，不需要时刻查看液晶屏，当不需查看液晶屏时，关闭液晶背光，降低功耗。表3.3 夜晶接口说明引脚 名称 方向 说明 引脚 名称 方向 说明12345678910VssVddV0D/IR/WEDB0DB1DB2DB3IIIIIIIIII 地电源（+5v）夜晶对比度调节命令数据选择位读写选择位信号使能位数据0数据1数据2数据311121314151617181920DB4DB5DB6DB7CS1CS2RESVEEAKIIIIOIIIIII IIIIIIII数据4数据5数据6数据7片选1片选2复位对比度电源背光电源背光地根据这块液晶屏的资料提供的端口标准，设计了液晶的接口模块如图 图3.9 液晶接口电路图中74LS245用于扩展一个输出口，该端口要传输指令和需要显示的数据，只写，74LS245被CPU的F0口直接选定，只有在P2.0有效(低)时，CPU才能访问液晶显示模块，DIR表示数据传输方向。 通常在设置好机械手的动作模式、每个动作的延迟时间和运动次数等参数后，启动机械手，开