CN102830643A - 单轴中低速点胶机器人伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，包括单片机、LM629芯片、电机驱动器、高速直流电机，所述的单片机与LM629芯片通讯，所述的LM629芯片发出控制信号至电机驱动器，由所述的电机驱动器控制高速直流电机。本发明提供的单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，是一种高速和高效的点胶伺服控制系统，实现了单片机与LM629芯片的分工，把单片机从繁重的工作量中解脱出来，抗干扰能力大大增强。

Description

单轴中低速点胶机器人伺服控制系统

技术领域

本发明是有关于点胶机器人的技术领域，且特别是有关于单轴中低速点胶机器人伺服控制系统。

 背景技术

在高技术迅猛发展的今天，传统的生产方式已日趋落后，新型的自动化生产将成为新世纪接受市场挑战的重要方式，自动化不仅是提高劳动生产率的手段，对企业未来的长远发展战略起着重要的作用。由于机器人是新型的自动化的主要工具，工业机器人及其应用工程的开发，将机器人变为直接生产力，它在改变传统的生产模式，提高生产率及对市场的适应能力方面显示出极大的优越性，同时它将人从恶劣危险的工作环境中替换出来，进行文明生产，这对促进经济发展和社会进步都具有重大意义。随着制造业对机器人装备的需求及绿色环保和改善劳动者的工作环境要求越来越高，专门对流体进行控制，并将流体点滴、涂覆于产品表面或产品内部的自动化机器点胶机器人随即产生。

单轴点胶机器人主要用于产品工艺中的胶水、油漆以及其他液体精确点、注、涂、点滴到每个产品精确位置，可以用来实现打点、画线等功能。这种点胶机器人只有一个动力，只能做一种动作，比如说，一个方向上的直线往复运动，或者一个方向的旋转运动，没有组合运动。单轴点胶机器人一般可能指的是直线运动单元，一台完整的单轴点胶机器人大致分为以下几个部分：

1）电机：执行电机是点胶机器人的动力源，它根据微处理器的指令来执行点胶机器人在直线上行走的相关动作；

2）算法：算法是点胶机器人的灵魂，点胶机器人必须采用一定的智能算法才能准确快速的从一点到达另外一点，形成点对点的运动；

3）微处理器：微处理器是点胶机器人的核心部分，是点胶机器人的大脑。点胶机器人所有的信息，包括胶点大小，位置信息，和电机状态信息等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。

单轴点胶机器人结合了多学科知识，对于提升在校学生的动手能力、团队协作能力和创新能力，促进学生课堂知识的消化和扩展学生的知识面都非常有帮助。点胶机器人技术的开展可以培养大批相关领域的人才，进而促进相关领域的技术发展和产业化进程。但是由于国内研发此点胶机器人的单位较少，相对研发水平比较落后，长时间运行发现存在着很多安全问题，即：

（1）作为点胶机器人的电源采用的是一般交流电源整流后的直流电源，当突然停电时会使整个点胶运动失败；

（2）作为点胶机器人的执行机构采用的是步进电机，经常会遇到丢失脉冲的问题出现，导致对位置的记忆出现错误；

（3）由于采用步进电机，使得机体发热比较严重，有的时候需要进行散热；

（4）由于采用步进电机，使得系统运转的机械噪声大大增加，不利于环境保护；

（5）由于采用步进电机，其电机本体一般都是多相结构，控制电路需要采用多个功率管，使得控制电路相对比较复杂，并且增加了控制器价格；

（6）由于采用步进电机，使得系统一般不适合在速度较高的场合运行，高速运动时容易产生振动，导致点胶失败；

（7）由于采用步进电机，使得系统的力矩相对较小；

（8）由于控制不当的原因，导致有的时候步进电机产生共振；

（9）由于点胶机器人要频繁的关闭和启动，加重了单片机的工作量，单一的单片机无法满足点胶机器人快速启动和停止的要求；

（10）相对采用的都是一些体积比较大的插件元器件，使得自动点胶机器人控制系统占用较大的空间，重量相对都比较重；

（11）由于受周围环境不稳定因素干扰，单片机控制器经常会出现异常，引起点胶机器人失控，抗干扰能力较差；

（12）由于受单片机容量和算法影响，点胶机器人对胶点的信息没有存储，当遇到掉电情况时所有的信息将消失，这使得整个点胶过程要重新开始；

（13）点胶系统一旦开始，就要完成整个点胶运动，中间没有任何暂停或缓冲的点。

因此，需要对现有的基于单片机控制的单轴点胶机器人控制系统进行重新设计，寻求一种经济适用的中低速单轴点胶伺服系统。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，解决了现有技术中点胶机器人失控和抗干扰能力较差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，包括单片机、LM629芯片、电机驱动器、高速直流电机，所述的单片机与LM629芯片通讯，所述的LM629芯片发出控制信号至电机驱动器，由所述的电机驱动器控制高速直流电机。

在本发明一个较佳实施例中，所述的LM629芯片和高速直流电机之间还连接有编码器。

在本发明一个较佳实施例中，所述的LM629芯片内部还包括运动梯形图发生器，所述的运动梯形图发生器用于生成速度运动梯形图，其包含的面积就是点胶机器人一个马达要运行的距离。

在本发明一个较佳实施例中，所述的LM629芯片内部还包括电机位置解码器，所述的电机位置解码器用于解读点胶机器人的位置数据。

在本发明一个较佳实施例中，所述的LM629芯片内部还包括闭环PID调节器，所述的闭环PID调节器用于调节点胶机器人的驱动功率。

在本发明一个较佳实施例中，所述的高速直流电机上还安装有光码盘，所述的光码盘用于输出点胶机器人的位置信号。

在本发明一个较佳实施例中，所述的单片机为工业级的C8051F120单片机。

本发明的单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，为了提高运算速度，保证单轴中低速点胶机器人伺服控制系统的稳定性和可靠性，本发明在单片的单片机中引入LM629芯片，形成基于单片机+LM629的双核处理器，充分考虑电池在这个系统的作用，把单轴中低速点胶机器人伺服控制系统中工作量最大的单轴伺服系统交给LM629芯片控制，充分发挥LM629芯片数据处理速度较快的特点，这样就实现了单片机与LM629芯片的分工，把单片机从繁重的工作量中解脱出来，抗干扰能力大大增强。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的单轴中低速点胶机器人伺服控制系统的结构框图；

图2为本发明较佳实施例的单轴中低速点胶机器人伺服控制系统的原理图；

图3为图2中处理器单元的的方框图；

图4为点胶机器人的速度运动曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

单片机自20世纪70年代末诞生至今，经历了单片微型计算机SCM、微控制器MCU及片上系统SOC三大阶段，前两个阶段分别以MCS-51和80C51为代表。随着在嵌入式领域中对单片机的性能和功能要求越来越高，以往的单片机无论是运行速度还是系统集成度等多方面都不能满足新的设计需要，这时Silicon  Labs 公司推出了C8051F系列单片机，成为SOC的典型代表。 C8051F具有上手快(全兼容8051指令集)、研发快(开发工具易用，可缩短研发周期)和见效快(调试手段灵活)的特点，其性能优势具体体现在以下方面： 

1）高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核（100MIPS 或50MIPS）；

2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；

3）真正12 位或10 位、100 ksps 的ADC，带PGA 和8 通道模拟多路开关；

4）真正8 位500 ksps 的ADC，带PGA 和8 通道模拟多路开关；

5）两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式（仅C8051F12x）；

6）2 周期的16 x 16 乘法和累加引擎；

7）128KK 或64KB 可在系统编程的FLASH 存储器；

8) 8448（8K+256）字节的片内RAM；

9) 可寻址64KB 地址空间的外部数据存储器接口；

10）硬件实现的SPI、SMBus/ I2C 和两个UART 串行接口；

11）5 个通用的16 位定时器；

12） 具有6 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；

13）片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器。

LM629芯片是National semiconductor生产的一款用于精密运动控制的专用芯片，有24脚和28脚二种表面安装式封装，在一个芯片内集成了数字式运动控制的全部功能，使得设计一个快速、准确的运动控制系统的任务变得轻松、容易，它有以下特性：

1）工作频率为6MHz和8MHz，工作温度范围为-40℃~+85℃ ，使用5V电源；

2）32位的位置、速度和加速度存器；

3）8位分辨率的PWM脉宽调制输出；

4）16位可编程数字PID控制器；

5）内部的梯形速度发生器；

6）该芯片可实时修改速度、目标位置和PID控制参数；

7）实时可编程中断；可编程微分项采样间隔；

8）对增量码盘信号进行四倍频；

9）可设置于速度或位置伺服两种工作状态。

上述特点使得LM629芯片特别适合伺服控制系统中。

如图1所示，为本发明较佳实施例的单轴中低速点胶机器人伺服控制系统的结构框图。本实施例中，单轴中低速点胶机器人伺服控制系统包括单片机、LM629芯片、电机驱动器、高速直流电机，所述的单片机与LM629芯片通讯，所述的LM629芯片发出控制信号至电机驱动器，由所述的电机驱动器控制高速直流电机。

上述中，所述的LM629芯片和高速直流电机之间还连接有编码器；所述的单片机通过数据总线与LM629芯片进行通讯。

本发明中，所述的LM629芯片内部包括接口、运动梯形图发生器、电机位置解码器和闭环PID调节器。所述的接口为I/O口，用于连接数据总线和控制总线；所述的运动梯形图发生器用于生成速度运动梯形图，其包含的面积就是点胶机器人一个马达要运行的距离；所述的电机位置解码器用于解读点胶机器人的位置数据；所述的闭环PID调节器用于调节点胶机器人的驱动功率。

请参阅图2，本发明中点胶机器人全数字伺服控制系统还包括包括电池、交流电源、信号处理器、处理器单元、高速直流电机以及点胶机器人，其中，所述的电池为锂离子电池，是一种供电装置，为整个系统的工作提供工作电压。

所述的信号处理器通过交流电源或者电池单独提供电流驱动所述的处理器单元，所述的处理器单元发出控制信号至所述的高速直流电机，控制点胶机器人的运动。其中，处理器单元为一双核处理器，包括单片机、LM629芯片，且单片机和LM629芯片之间实时进行数据交换和调用。

本发明为克服单片的单片机不能满足单轴点胶机器人行走的稳定性和快速性的要求，舍弃了国产点胶机器人所采用的单片的单片机的工作模式，提供了单片机+LM629芯片的全新控制模式，控制板以LM629芯片为处理核心，实现数字信号的实时处理，把单片机从复杂的工作当中解脱出来，实现部分的信号处理算法和LM629处理器的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号。

请参阅图3，所述处理器单元为一双核处理器，其包括单片机以及LM629芯片，二者可相互通讯，实时进行数据交换和调用。所述的处理器单元还包括设于单片机和LM629芯片的上位机系统和运动控制系统，所述的上位机系统包括人机界面模块、路径读取模块、轨迹参数预设模块以及在线输出模块，所述的运动控制系统包括单轴伺服控制模块、数据存储模块以及I/O控制模块。其中，单片机用于控制人机界面模块、路径读取模块、轨迹参数预设模块、在线输出模块、数据存储模块以及I/O控制模块，LM629芯片用于控制单轴伺服控制模块。

上位机系统包括人机界面模块、路径读取模块以及在线输出模块。人机界面模块包括开始/重启按键及功能选择键；路径读取模块用于读书已经已经预设好的速度，加速度，位置等参数设置；轨迹参数预设模块用于预先设置点胶机器人的路径轨迹；在线输出模块用于提示点胶机器人的工作状态，比如是点胶机器人工作过程中或到站状态提示。

运动控制系统包括单轴伺服控制模块、数据存储模块以及I/O控制模块。其中，数据存储模块模块为一存储器；I/O控制模块包括RS-232串行接口、ICE端口等。

对于处理器单元为一双核处理器，在电源打开状态下，点胶机器人先进入自锁状态，然后把点胶机器人的点胶阀放在废胶回收装置处，打开点胶阀门然后胶体自动流出，等均匀后开始移动到起始点，点胶机器人把储存的实际导航传输参数传输给控制器中的单片机，单片机把这些环境参数转化为点胶机器人在指定运动轨迹下高速直流电机要运行的距离、速度和加速度，然后与LM629芯片通讯，LM629芯片根据这些参数转处理高速直流电机的伺服控制，并把处理数据通讯给单片机，由单片机继续处理后续的运行状态。

结合以上描述，上位机系统包括人机界面模块、路径读取模块、轨迹参数预设模块、在线输出模块等功能；运动控制系统包括单轴伺服控制模块、数据存储模块、I/O控制模块等功能。其中工作量最大的单轴伺服控制模块交给LM629芯片控制，其余的包括上位机系统交给单片机控制，这样就实现了单片机与LM629芯片的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。

本发明中单轴中低速点胶机器人伺服控制系统具体的功能实现如下：

1）操作人员把加工部件安装在夹具上；

2）打开电源，在打开电源瞬间单片机会对电源电压来源进行判断，当确定是电池供电时，如果电池电压低压的话，将禁止LM629芯片工作，高速直流电机不能自锁，同时电压传感器将工作，控制器会发出低压报警信号；

3）启动点胶机器人自动控制程序，通过控制器232串口输入任务或者从硬盘装载任务；

4）将执行机构(包括胶刷和出胶头)移动到起始点上方，调整好位姿；

5）出胶信号有效，延时一个时间段，等待任务启动；

6）为了能够驱动单轴点胶机器人运动，本控制系统引入了LM629芯片，但是通过I/O口与单片机进入实时通讯，由单片机控制其开通和关断；

7）对于基于LM629芯片的系统来说，“忙”状态的检测是整个伺服系统设计的首要部分，在处理器向LM629芯片写命令或者读写数字后，“忙”状态位会被立刻置位，此时，会忽略一切命令数据传输，直至“忙”状态被复位，所以在每次运动之前先检测此状态位，判断是否为“忙”，如果是“忙”要进行软件复位，使系统可以进行数据通讯；

8）对于基于LM629芯片的系统来说，复位也是LM629芯片伺服系统操作中重要的一个环节，复位后，查看LM629芯片的状态字，如果不等于84H或者C4H，说明硬件复位失败，必须重新复位，否则LM629芯片不可以正常工作；

9）在点胶机器人运动过程中，单片机会时刻储存所经过的距离或者是经过的点胶点，并根据这些距离信息由单片机计算得到相对下一个点胶点自动点胶机器人高速直流电机要运行的距离、速度和加速度，单片机然后与LM629芯片通讯，传输这些参数给LM629芯片，然后由LM629芯片生成速度运动梯形图，如图4所示，这个梯形包含的面积就是点胶机器人高速直流电机要运行的距离；

10）在运动过程中如果自动点胶机器人发现胶点距离求解出现死循环将向单片机发出中断请求，单片机会对中断做第一时间响应，如果单片机的中断响应没有来得及处理，点胶机器人的高速直流电机将原地自锁，防止误操作；

11）装在高速直流电机上的光码盘会输出其位置信号A和位置信号B，光码盘的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，LM629芯片内的位置寄存器会根据高速直流电机的运行方向加1或者是减1；

12）光码盘的位置信号A脉冲和B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给LM629芯片，记录电机的绝对位置，然后换算成自动点胶机器人在点胶部件中的具体位置；

13）单片机根据点胶机器人在点胶部件的具体位置与设定位置的对比，经单片机计算后送相应的加速度、速度和位置数据等给LM629芯片的梯形图发生器作为参考值，由梯形图此计算出点胶机器人需要更新的实际加速度、速度和位置信号；

14）运动梯形图发生器结合电机位置解码器决定的闭环PID调节器生成功率驱动桥需要的PWM波信号和电机正反转信号，用来实现系统高速直流电机的伺服控制；

15）如果点胶机器人在运行过程中遇到突然断电时，电池会自动开启立即对点胶机器人进行供电，当电机的运动电流超过设定值时，LM629芯片的中断命令LPES将会向控制器发出中断请求，此时控制器会立即控制LM629芯片停止工作，从而有效地避免了电池大电流放电的发生；

16）如果在点胶过程中读到了自动暂停点，单片机会控制LM629芯片以最大的加速度停车使加工过程出现自动暂停并存储当前信息，直到控制器读到再次按下“开始”按钮信息才可以使LM629芯片重新工作，并调取存储信息使点胶机器人从暂停点可以继续工作；

17）在运动过程中，如果检测到高速直流电机的转矩出现脉动，控制器会自动补偿，减少了高速直流电机转矩对点胶过程的影响；

18）点胶机器人在运行过程会时刻检测电池电压，当系统出现低压时，传感器会通知控制器开启并发出报警提示，有效地保护了电池；

19)当完成整个加工部件的点胶运动后，点胶阀会停止出胶，延时，走出运动轨迹

20)点胶机器人重新设定位置零点，等待下一周期的任务。

本发明单轴中低速点胶机器人伺服控制系统具有的有益效果是：

1：在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于单片机+LM629控制器时刻都在对点胶机器人的运行状态进行监测和运算，当遇到交流电源断电时，电池会立即提供能源，避免了点胶系统伺服系统运动的失败，并且在电池提供电源的过程中，时刻对电池的电流进行观测并保护，避免了大电流的产生，所以从根本上解决了大电流对电池的冲击，避免了由于大电流放电而引起的电池过度老化现象的发生；

2：由LM629芯片处理点胶机器人的单轴电机的独立伺服控制，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，解决了单片机软件运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强；

3：基本实现全贴片元器件材料，实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且有利于点胶机器人体积和重量的减轻；

4：为了提高运算速度和精度，本点胶机器人采用了高速直流电机替代了传统系统中常用的步进电机，使得运算精度大大提高，效率也相对较高；

5：由于采用高速直流电机，使得调速范围比较宽，调速比较平稳；

6：由于本控制器采用LM629芯片处理大量的数据与算法，把单片机从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止了点胶机器人失控，抗干扰能力大大增强；

7：由LM629芯片根据单片机的位置、速度和加速度给定以及光码盘信息输出PWM调制信号和方向信号，通过驱动电路可以直接驱动高速直流电机，不仅减轻了单片机的负担，简化了接口电路，而且省去了单片机内部编写位置、速度控制程序，以及各种PID算法的麻烦，使得系统的调试简单；

8：在控制中，单片机可以根据机器人外围运行情况适时调整LM629芯片内部的PID参数，实现分段P、PD、PID控制和非线性PID控制，使系统满足中低速运行时速度的切换；

9：由于具有存储功能，这使得点胶机器人掉电后或遇到故障重启时系统可以轻易的调取已经涂胶好的路径信息，然后可以轻易的从故障点二次点胶完成未完成的任务；

10：LM629芯片的PID控制及运动控制类指令采用双缓冲结构，数据首先由单片机写入主寄存器，只有在写入相关命令后主寄存器的数据才能进一步装入工作寄存器，这样很容易实现单轴伺服运动的任意控制；

11：由于采用的单片机是工业级的C8051F120单片机，在满足实用性的同时，其内核就是传统的8051的内核，使得编程者可以很好的二次开发；

12：在整个点胶过程中，加入了暂停点设定，这样有利于在运动过程中目测已经点胶好的位置，提前发现点胶问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，其特征在于，包括单片机、LM629芯片、电机驱动器、高速直流电机，所述的单片机与LM629芯片通讯，所述的LM629芯片发出控制信号至电机驱动器，由所述的电机驱动器控制高速直流电机。

2.根据权利要求1所述的单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，其特征在于，所述的LM629芯片和高速直流电机之间还连接有编码器。

3.根据权利要求1所述的单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，其特征在于，所述的LM629芯片内部还包括运动梯形图发生器，所述的运动梯形图发生器用于生成速度运动梯形图，其包含的面积就是点胶机器人一个马达要运行的距离。

4.根据权利要求1所述的单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，其特征在于，所述的LM629芯片内部还包括电机位置解码器，所述的电机位置解码器用于解读点胶机器人的位置数据。

5.根据权利要求1所述的单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，其特征在于，所述的LM629芯片内部还包括闭环PID调节器，所述的闭环PID调节器用于调节点胶机器人的驱动功率。

6.根据权利要求1所述的单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，其特征在于，所述的高速直流电机上还安装有光码盘，所述的光码盘用于输出点胶机器人的位置信号。

7.根据权利要求1所述的单轴中低速点胶机器人伺服控制系统，其特征在于，所述的单片机为工业级的C8051F120单片机。

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