注塑机取模机械手控制系统 2文档格式.docx
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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
3.3.1CPU选用及其性能介绍
3.3.2ISP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
参考文献
附录
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，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。
1.2.1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、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:
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、回收废料等各个工序上，并且将向着智能化的方向发展。
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。
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。
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。
详细要求见表2.1、2.2
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：
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。
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。
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。
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，故本系统采用单片机作为控制核心较合适。
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
升级会员 