毕业设计论文单片机注塑机械手控制系统设计.doc

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1、注塑机械手控制系统Injection molding robot control system摘要1954年，美国人乔治德沃尔设计了第一台电子可编程的工业机器人，并与1961年发表了该项机器人专利。从此以后，随着机器人技术的发展和知识经济的出现，工业机器人在现代制造业中起着越来越大的作用，机械手的设计和改进日益受到人们的关注。注塑机械手是现代产品制造业中主要加工设备之一，是成型塑料制品的专用设备。随着注塑工业的快速发展，对工厂自动化程度要求越来越高，对注塑机械手的要求程度也越来越高。本文主要围绕注塑机取模机械手的控制系统展开论述，采用直接控制结构，完成了硬件电路设计，包括输入输出通道、伺服电机

2、控制、存储器扩展、机械臂定位等设计。整个控制系统结构简洁，功能强大。本文首先介绍了目前的住宿取模机械手的现状和存在的问题，分析了不同类型的注塑机械手采用的不同硬件结构，提出了本文所介绍的采用单片机作为CPU的注塑机机械手控制系统。此注塑机机械手控制系统采取了直接控制结构，针对不同功能，采用模块化的电路设计，本文主要介绍主控板部分的电路设计。关键词：单片机；注塑机取模机械手：自动化Abstract1954，George Devol, an American people designed the fist programmable robot. Later the first robot man

3、ipulator patent was published by US patent and Trademark Office. Since then, with the development of the robot technology and the emergence of the knowledge economy, industrial robots play a very important role in the modern manufacturing in the 21st century more and more attention is paid to the de

4、sign and improvement of industrial robots. Injection molding robot manufacturing of modern products, one of the major processing equipment is special equipment for molding plastic products. With the injection molding industry, rapid development of increasingly high demand for factory automation, the

5、 requirements of injection molding machinery hand higher and higher levels.This paper mainly focus modulo robotic injection molding machine control system to start discussion, the use of direct control of the structure, complete hardware design, including the input and output channel, servo motor co

6、ntrol, memory extension, arm positioning design. The whole control system structure is simple and powerful.This paper introduces the current accommodation robot modulo the current situation and problems of the different types of injection of different robot hardware used in the structure described i

7、n this article proposes the adoption of SCM as the CPU of the injection molding machine manipulator control system.The injection molding machine control system to take a direct hand control structures for different functions, modular circuit design, this article introduces the main control board par

8、t of the circuit design.Keywords: microcontroller; injection molding machine modulo robot: Automation前言中国改革开放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。随着塑料加工行业在我国的迅速发展，注塑成型设备的自动化程度也越来越高。现代化的

9、注塑机常常配置有机械手，以提高生产效率。机械手可以完成注塑生产中的多个工序，目前在我国注塑行业中比较常用的主要是从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序上去的取件机械手。 机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。注塑机械手是为注定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到极其重要的作用。在我国发展机械结构和控制系统相对较为简单而实用的注塑机械手与注塑机配合使用，具有较低的生产成本和较大的经济效益。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用己经越来越普及。那些电

10、子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。以前，零件需要经过人工打磨和再加工才能出厂，模具质量的提高使生产出的零件可以直接进行装配。当然中国的制造业还是会持续发展下去的，中国的机械手市场会在十年左右的时间里达到一定规模。现在发达地区的加工厂

11、在面对劳动力短缺和成本上升时，开始考虑自动化生产。目前国内的机械手类型比较简单上大都用于取件和喷洒脱模剂。随着注塑成型工业的发展，以后将有越来越多的机械手用于上料、混合、自动装卸模具、回收废料等各个工序上，而且将朝着智能化方向发展。第一章 绪论1.1 工业机械手及注塑机械手的发展和现状1.1.1 工业机械手的发展过程机械手是能够模仿人手和手臂的功能，按固定程序抓取、搬运物件和操作工具的自动装置。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，实现生产的自动化和机械化，能再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、轻工业和原子能等部门。工业机械手是近代自动控制

12、领域当中出现的一项新技术。并成为现代机械制造生产系统中的一个重要的组成的部分。机械手的迅速发展史由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到个先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性污染的场合，应用更为广泛。在我国，今年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手一般可根据三种分类方法

13、来分类。第一种是根据驱动方式的不同来分类；第二种是根据适用范围的不同来分类；第三种是根据运动轨迹控制方式的不同来分类。根据驱动方式的不同，机械手可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手等。驱动方式直接影响着该机械手的动力性、快速性和准确性等性能目标。分局适用范围的不同，机械手可分为专用机械手和通用机械手两种。专用机械手是为特定工作要求而制作的，其功能、性能与工作参数、动作顺序基本固定。由于专用机械手的专用性，起自身作为一种产品不能形成规模生产的，所以设计开发成本比较高。而通用机械手的参数或运动顺序可按一定的方式如视教、编程的方法进行快速的调整，可以胜任不同工作场合的不同要求。尽管通用机械手结

14、构可能相对复杂，仍有可能通过形成批量生产而促使成本降低。根据运动轨迹控制方式的不同，机械手可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。轨迹控制的实现，使机械手不仅能够完成物体搬运，上下料等简单任务，还能承担焊接、装配、探测等复杂任务。1.1.2注塑机专用机械手的介绍随着注塑设备迅速发展，注塑机已经广泛应用于建筑、包装、电器电子、农业、汽车及交通业、轻工业、石油化学工业、机械工业、国防工业等国民经济各个部门及人们生活的各个领域，显示出极为重要的作用。现代化的注塑机都配有机械手，机械手是能够模仿人体手臂的部分功能，可以对注塑产品进行自动取出，使其按照预定要求对产品进行堆叠、排列及摆放。机械手是专门为注塑

15、机设计开发的自动化生产设备，它可以减轻工人繁重的体力劳动、改善劳动条件保证安全生产，提高生产效率，在增强企业的市场竞争力等方面起到极其重要的作用。注塑机取模机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，是能够与注塑机完美配合工作的智能型机器，具有较低的成本和较大的经济利益。随着注塑工业的发展和注塑机的产业化应用，注塑机专用机械手逐步形成批量和规模，并最终走向了通用化和系列化构成了一个稳定的产品市场。注塑机械手的种类繁多，根据驱动原件来分，主要有以下几种类型:1、悬臂式:采用机械气动控制，价格便宜，市场价格不到万元，控制相对简单。2、全气动横走式:机械手的横行部、引拔部、手臂上下行均采用气缸控制，为了

16、增加产品的可靠行，在第一轴的横行部分，一般用无杆气缸，但是气动控制容易受到气压等因素影响，一般用在精度要求不高的小型注塑机上面，同时全气动横走式价格相对低廉，因此应用较广。3、单轴伺服横走式:由于采用气缸控制，容易受到气体压力的影响，在精度和可靠性方面相对来说较差，为了提高精度，增加可靠性，横出部分采用伺服电机进行定位，以达到更高的精度。4、三轴伺服，为了进一步提高机械手的可靠性，提高产品的取出成功率，一些厂，家开发了三轴伺服的机械手，这种机型可靠程度相对较高，运行稳定，在未来的市场上有着广阔的发展前景。5、五轴和七轴机械手，根据模具及产品的需要，并针对一些大型的注塑机，一些产品生产厂家陆续开

17、始使用五伺服以上的高端机械手，机械手拥有两条手臂，每一条手臂的上下及进退均采用伺服电机进行控制，一些产品取出后还需要机械手进行一系列的处理，例如一个餐盒的取出，取出之后必须在温度没下降太多之前将餐盖部分进行反复折弯处理，待恢复到室温以后，产品的韧性好，如果在室温下进行折弯，产品容易断裂，这样就要采用高端机械手进行后续处理。在国内仅有精锐广用、伟力、威猛等几家机械手厂家可以生产五伺服以上机械手。也有一些厂家采用PLC控制达到三伺服的水平，但是PLC开发出的系统相对来说功能比较单一，系统开发完成后，必须按照既定的程序进行修改，用户无法增加一些特殊的动作，系统无法将动作储存，不适合长期使用。1.1.

18、3 注塑机械手的国内外现状台湾的天行自动化机械股份有限公司专业生产射出成型专业机械手臂及周边自动化设备，是产品设计、制造、销售、服务为一体的企业，其产品为世界知名的领导品牌之一，销售范围遍布全国及世界各地。日本有信(y-ushin)精机株式会社主要生产以机械手为中心的，推进注塑工厂生产合理化的各种机械设备、仪器等。主要产品有旋回型浇道料取出机、单轴NC控制伺服马达驱动取出机、4轴/5轴NC控制伺服马达驱动取出机等产品。其中HOPW一450/550取出机是适用于注塑机锁模力为30一100吨的高速浇口料取出机，采用了低阻力导轨机构，机械手臂采用更轻，硬度更高的材质，从而实现了高速的机械动作。欧美的

19、机械手发展比较成熟，位于奥地利的Wittmann集团是全球最大的注塑自动化设备供应商之一，产品有全伺服机械手 W711、单轴伺服机械手W710等，这种高性能的线性机械手适用于最大吨位至300吨锁模力的注塑机，其中W710型机械手的横轴采用伺服马达，确保运动自由灵活，W7n型机械手是三轴主轴配备高速伺服马达的机械手，可实现图形化的操作界面。我国的机械手研究开发工作始于上世纪70年代初，到现在经历了30多年的历程，前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，经过几年的攻关，完成了工业机器人的成套技术(包括机械手、控制系统、驱动转动但愿测试系统的设计、制

20、造、应用和小批量生产的工艺技术等)的开发，进入90年代后半期，实现了我国机器人的商品化，为产业化奠定了基础。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

21、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。而目前国内开发的机械手控制系统在稳定性方面欠缺，这为本课题找到了合适的切入点。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手控制系统是本课题的主要目标。1.2 设计的来源 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6。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

22、状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、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。控制系统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

23、影响到机械手的整体工作性能: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系统设计，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

24、塑机取模机械手的普及化，其市场需求量剧增，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，在开发机械手控制系统时，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

25、，就会发生机械手与注塑机的直接触碰，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。目前，我国的气动取模机械手开发尚处于技术跟踪阶段。机械系统的仿制相对比较容易实现，并开始取得一定的市场效果。而控制系统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。市场反应，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

26、械手各运动导轨、气路中各支路气压和软件延时，当多各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

27、，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l7。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、回收废料等各个工序上，并且将向着智能化的方向发展。1.3设计的意义 本课题涉及到机械技术、电子技术、气动技术等多个学科。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，达到注塑用机械手

28、在我国得以推广的目的。同时，本课题将对经济性，可靠性为实用化指标的追求贯彻研究的全过程，为改变高校科研成果“重水平，轻应用”的普遍现象进行了有益的尝试。1.4 本章小结本章在查阅大量国内外文献资料的基础上，综述了注塑机机械手的发展及研究现状，介绍了注塑机械手的应用及现状。阐明了本课题的设计意义和主要设计内容。第二章 注塑机机械手控制系统的总体设计2.1控制系统的总体方案目前，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，对于不同的注塑用机械手，其动作要求略有不同。2.1.1机械手控制系统典型方案针对

29、不同类型的注塑用机械手，采用不同的硬件连接结构。主要分为以下两种:l)直接控制结构，在这种硬件结构设计中，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机械手进行相应的动作控制。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

30、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。2)命令控制结构，其硬件部分主要分为主控制板、键盘板、液晶显示板、中继板和端子板。在这种硬件结构设计中，端子板接收来自主控制板的串口指令，而主控制板负责键盘识别、液晶显示和对端子板发命令，而端子板根据主控制板发来的串口命令来对端子板上的继电器进行开关操作，以达到控制机械手动作的目的。这种硬件结构的优点是:在端子板上专门由一块CPU负责机械手的输入输出控制，以利于实现更加复杂的注塑机取

31、模机械手的检测与运动控制，同时使得各个模块的功能区分更加明确，对于变频或者伺服型的注塑用机械手，可以加上变频电路模块或伺服电路模块，适合于双臂横走式注塑用机械手。这种硬件结构的缺点是:硬件设计相对复杂，开发周期长，指令通过串口总线电缆发送到端子板上的单片机，资料的串口传输减弱了整个控制系统的抗干扰能力。2.1.2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

32、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) ARMARM核处理器犯位处理器，是具有高性能、廉价、低功耗的租SC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) DSPDSP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D

33、SP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本控制系统采用的方案及选用的核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13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

34、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，故本系统采用单片机作为控制核心比较合适。2.2控制系统功能及基本解决方案2.2.1控制系统功能要求 注塑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到注塑机提供给机械手的信号接口，来保证机械手能和注塑机完成同步的工作。同时，为了保证机械手的正常工作需要对机械手的设置多个限定位和输出控

35、制位。对控制系统功能要求如下：1、对在主板的设计中不仅要考虑到正常完成注塑机械手的工作，同时，还要考虑到电路板的尺寸要合理，能够在不影响到其他设备工作的前提下安装到合适的位置。2、考虑到注塑机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，在电路设计时应注重抗干扰设计，提高控制系统的抗干扰能力。3、根据机械手的运动状态，要明确机械手的状态，能够对机械手动作作视教和相关动作设置。4、机械手应有自诊断与故障报警功能，当故障出现时，系统会自动对故障原因给出一个初步的诊断，并给予一个合理的处理。5、合理设置气路气压、机械手个动作的延迟时间等影响机

36、械手工作效率的参数，提高机械手运动速率，减少机械手每套动作的运动周期。2.2.2控制系统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：1、为方便操作人员操作机械手和保证主板的合理尺寸，控制主板的设计要尽量小巧轻便，为了达到这一设计要求，可全采用贴片元件，电路布局紧凑，来减小电路板的面积，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人身安全。在抗干扰方面，本系统主要采用在输入和输出通道加光电隔离器的方法来隔离外部环境中的变化对系统的影响。3、为了保证在系统运行中对机械臂的控制，需要实时了解机械臂的动向和位置，为了解决这些问题本系统扩展了单片

37、机的输入和输出口，用传感器来把机械臂的状态和位置传入CPU达到实时控制。2.3 本章小结本章主要介绍注塑机机械手控制系统的主控CPU的选择以及一些功能要求和实现这些功能的解决方案。第三章 注塑机机械手控制系统的设计3.1硬件模块设计 硬件电路采用模块化设计，能够将复杂的系统划分为任务单一的模块，既有利于团队并行展开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。按照注塑机机械手的动作和操作要求：输出通道用于输出控制机械手新号和个注塑机相应的新号、输入通道检测接近开

38、关的信号、电源用来为系统提供电源。从功能上分，可将本系统分为以下几个模块。如图3.1所示。1、 存储器扩展模块本模块主要用来解决所选用的51单片机的存储器可能不足的问题，通过扩展来保证系统有足够的程序存储区和数据存储区。2、 电源模块本系统主控板的输入电源为+12V，而系统中所用到的为+5V和+3.6V，电源模块主要负责将+12V的电源转化为+5V和+3.6V供系统所用。3、 输入模块输入模块负责把接收到机械手的状态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。4、 输出模块输出模块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

39、合。5、 串行通信模块串行通信模块负责把外部接收到的开关信号的CMOS电平转化为TTL电平传输个单片机处理。6、 伺服电机控制模块伺服电机控制模块负责控制伺服电机的运动状态及运动速度，根据单片机传来的信号输出给伺服电机，来控制伺服电机。 单片机输入模块输出模块伺服电机控制串行通信电源模块存储器扩展模块3.1 模块结构图3.2 电源模块电源模块是整个控制系统的重要部分，电源选择影响的工作稳定，本主控板的输入电源为+12V，考虑到系统中单片机供电需要+5V，而所用到的CPLD的供电电压为+3.6V，故考虑采用二次变压的方法，第一次先转变为+5V,第二次将+5V转变为+3.6V。电源的具体供电要求：

40、1、+5V，为主控制板CPU供电。该电源是数字电路电源，主CPU的供电电源要求在4.5-5.5之间。2、+3.6V，为主控制板CPLD供电。该电源是数字电路电源。根据系统所选定的电源转换方案，先将+12V转换为+5V，再将+5V转换为+3.6V，所以在系统中选用了两个芯片来完成电源的转换。选择LM2576+12V转换为+5V，选择CX1117将+5V转换为+3.6V。电源模块的电路如图3.2所示。3.2 电源模块电路图3.3 CPU、输入和输出电路3.3.1 CPU的选用和性能 在当前市场上有很多品牌的MCU，性能优良、价格低廉，综合系统的各方面情况本系统选用AT89C51作为本系统的CPU。

41、其功能特性如下 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-24MHz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM 两个16位的定时器/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注塑机械手在与注塑机供同行完成工作，从模板中取出工件时，机械手运动期间，注塑用机械手不能够碰到模板，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。机械手的急停需要用到单片机的外部中断接口，

42、只有这样才能实时的工作。3.3.2 输入通道控制系统的输入量全是数字量输入，外部输入先经过光电隔离，转换成TTL电平传送给单片机，电路如图3.3所示：图3.3 输入通道输入信号先经过光电隔离，通过芯片HC245传输给单片机，HC245是做为单片机的输出扩展芯片，由于单片机只有32个输入输出口，二本系统中所要控制的信号和所要输入的信号总和超过了32个，另外还要扩展单片机的存储器，故需要对单片机的输入输出进行扩展，输入信号经过芯片HC245后进入单片机进行处理。HC245为8总线接收/发送器，可以双向输入、输出。在光电隔离器的两端无电路连接，各用独立的电源和接地端，提高了系统的抗干扰性。观点隔离器

43、的输入端，通过电阻和输入信号相连接，输出端通过电阻和HC245相连接传输到单片机。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HC245.3.3.3 输出通道本控制系统的各输出通道均为数字量输出，主要负责控制机械手动作、向注塑机发出协调指示信号等。电路如图3.4所示。图3.4 输出通道图中的输出信号经过通道扩展，数据锁存器和光电隔离输出给机械手进行动作。HC373为数据锁存器，一般在进行控制操作时，控制状态需要锁存，直到下次状态给出新的值为止。锁存器允许信号有CPLD给出，当需要一路输

44、出时，现有单片机输出信号，然后又CPLD给出允许信号，进行数据输出来控制外部操作。3.4 存储器扩展模块扩展模块用来扩展单片机的程序和数据存储器，电路如图3.5所示。图3.5 存储器扩展图中芯片HC573是作为地址锁存器所用，其使能端有单片机上的ALE信号控制，CPU访问外部存储器时，其输出信号作为外部锁存器允许信号。芯片UT62256做为单片机的外部程序存储器，来扩展单片机的程序存储器。芯片FM1808作为单片机的外部数据存储器，来扩展单片机的数据存储器。从而解决AT89C51内部数据存储器和程序存储器不足的问题。3.5串行通信模块 串行通信模块用来与外部数据进行通信，是外部开关量的输入通道

45、，与外部人机交互界面的通讯通道。其电路如图3.6所示。图3.6 串行通信模块串口简介：串行接口Serial Interface是指数据一位位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种串口的出现是在1980年前后，数据传输率是115kbps230k

46、bps。串口出现的初期是为了实现连接计算机外设的目的，初期串口一般用来连接鼠标和外置Modem以及老式摄像头和写字板等设备。串口也可以应用于由于两台计算机（或设备）之间的互联及数据传输。由于串口（COM）不支持热插拔及传输速率较低目前部分新主板和大部分便携电脑已开始取消该接口，目前串口多用于工控和测量设备以及部分通信设备中。本系统采用RS422通信来和外部通信。RS422的介绍如下：RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图3.7。 图3.7 通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2

47、+6V，是一个逻辑状态，负电平在-26V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。 接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电

48、路的特性。图5是典型的RS-422四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。图4是其DB9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是104k+100（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）。 RS-422的