專利名稱：單軸中低速點膠機器人伺服控制系統的制作方法
技術領域：
本發明是有關于點膠機器人的技術領域，且特別是有關于單軸中低速點膠機器人伺服控制系統。
背景技術：
在高技術迅猛發展的今天，傳統的生產方式已日趨落后，新型的自動化生產將成為新世紀接受市場挑戰的重要方式，自動化不僅是提高勞動生產率的手段，對企業未來的長遠發展戰略起著重要的作用。由于機器人是新型的自動化的主要工具，工業機器人及其應用工程的開發，將機器人變為直接生產力，它在改變傳統的生產模式，提高生產率及對市場的適應能力方面顯示出極大的優越性，同時它將人從惡劣危險的工作環境中替換出來，進行文明生產，這對促進經濟發展和社會進步都具有重大意義。隨著制造業對機器人裝備的需求及綠色環保和改善勞動者的工作環境要求越來越高，專門對流體進行控制，并將流體點 滴、涂覆于產品表面或產品內部的自動化機器點膠機器人隨即產生。單軸點膠機器人主要用于產品工藝中的膠水、油漆以及其他液體精確點、注、涂、點滴到每個產品精確位置，可以用來實現打點、畫線等功能。這種點膠機器人只有一個動力，只能做一種動作，比如說，一個方向上的直線往復運動，或者一個方向的旋轉運動，沒有組合運動。單軸點膠機器人一般可能指的是直線運動單元，一臺完整的單軸點膠機器人大致分為以下幾個部分
1)電機執行電機是點膠機器人的動力源，它根據微處理器的指令來執行點膠機器人在直線上行走的相關動作；
2)算法算法是點膠機器人的靈魂，點膠機器人必須采用一定的智能算法才能準確快速的從一點到達另外一點，形成點對點的運動；
3)微處理器微處理器是點膠機器人的核心部分，是點膠機器人的大腦。點膠機器人所有的信息，包括膠點大小，位置信息，和電機狀態信息等都需要經過微處理器處理并做出相應的判斷。單軸點膠機器人結合了多學科知識，對于提升在校學生的動手能力、團隊協作能力和創新能力，促進學生課堂知識的消化和擴展學生的知識面都非常有幫助。點膠機器人技術的開展可以培養大批相關領域的人才，進而促進相關領域的技術發展和產業化進程。但是由于國內研發此點膠機器人的單位較少，相對研發水平比較落后，長時間運行發現存在著很多安全問題，即
(1)作為點膠機器人的電源采用的是一般交流電源整流后的直流電源，當突然停電時會使整個點膠運動失??；
(2)作為點膠機器人的執行機構采用的是步進電機，經常會遇到丟失脈沖的問題出現，導致對位置的記憶出現錯誤；
(3)由于采用步進電機，使得機體發熱比較嚴重，有的時候需要進行散熱；
(4)由于采用步進電機，使得系統運轉的機械噪聲大大增加，不利于環境保護；
(5)由于采用步進電機，其電機本體一般都是多相結構，控制電路需要采用多個功率管，使得控制電路相對比較復雜，并且增加了控制器價格；
(6)由于采用步進電機，使得系統一般不適合在速度較高的場合運行，高速運動時容易產生振動,導致點膠失敗；
(7)由于采用步進電機，使得系統的力矩相對較??；
(8)由于控制不當的原因，導致有的時候步進電機產生共振；
(9)由于點膠機器人要頻繁的關閉和啟動，加重了單片機的工作量，單一的單片機無法滿足點膠機器人快速啟動和停止的要求；
(10)相對采用的都是一些體積比較大的插件元器件，使得自動點膠機器人控制系統占用較大的空間，重量相對都比較重；
(11)由于受周圍環境不穩定因素干擾，單片機控制器經常會出現異常，引起點膠機器 人失控，抗干擾能力較差；
(12)由于受單片機容量和算法影響，點膠機器人對膠點的信息沒有存儲，當遇到掉電情況時所有的信息將消失，這使得整個點膠過程要重新開始；
(13)點膠系統一旦開始，就要完成整個點膠運動，中間沒有任何暫停或緩沖的點。因此，需要對現有的基于單片機控制的單軸點膠機器人控制系統進行重新設計，尋求一種經濟適用的中低速單軸點膠伺服系統。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，解決了現有技術中點膠機器人失控和抗干擾能力較差的問題。為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是提供一種單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，包括單片機、LM629芯片、電機驅動器、高速直流電機，所述的單片機與LM629芯片通訊，所述的LM629芯片發出控制信號至電機驅動器，由所述的電機驅動器控制高速直流電機。在本發明一個較佳實施例中，所述的LM629芯片和高速直流電機之間還連接有編碼器。在本發明一個較佳實施例中，所述的LM629芯片內部還包括運動梯形圖發生器，所述的運動梯形圖發生器用于生成速度運動梯形圖，其包含的面積就是點膠機器人一個馬達要運行的距離。在本發明一個較佳實施例中，所述的LM629芯片內部還包括電機位置解碼器，所述的電機位置解碼器用于解讀點膠機器人的位置數據。 在本發明一個較佳實施例中，所述的LM629芯片內部還包括閉環PID調節器，所述的閉環PID調節器用于調節點膠機器人的驅動功率。在本發明一個較佳實施例中，所述的高速直流電機上還安裝有光碼盤，所述的光碼盤用于輸出點膠機器人的位置信號。在本發明一個較佳實施例中，所述的單片機為工業級的C8051F120單片機。本發明的單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，為了提高運算速度，保證單軸中低速點膠機器人伺服控制系統的穩定性和可靠性，本發明在單片的單片機中引入LM629芯片，形成基于單片機+LM629的雙核處理器,充分考慮電池在這個系統的作用，把單軸中低速點膠機器人伺服控制系統中工作量最大的單軸伺服系統交給LM629芯片控制，充分發揮LM629芯片數據處理速度較快的特點，這樣就實現了單片機與LM629芯片的分工，把單片機從繁重的工作量中解脫出來，抗干擾能力大大增強。


圖I為本發明較佳實施例的單軸中低速點膠機器人伺服控制系統的結構框 圖2為本發明較佳實施例的單軸中低速點膠機器人伺服控制系統的原理 圖3為圖2中處理器單元的的方框 圖4為點膠機器人的速度運動曲線。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特征能 更易于被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。單片機自20世紀70年代末誕生至今，經歷了單片微型計算機SCM、微控制器MCU及片上系統SOC三大階段，前兩個階段分別以MCS-51和80C51為代表。隨著在嵌入式領域中對單片機的性能和功能要求越來越高，以往的單片機無論是運行速度還是系統集成度等多方面都不能滿足新的設計需要，這時Silicon Labs公司推出了 C8051F系列單片機,成為SOC的典型代表。C8051F具有上手快(全兼容8051指令集)、研發快(開發工具易用，可縮短研發周期)和見效快(調試手段靈活)的特點，其性能優勢具體體現在以下方面
1)高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核(100MIPS或50MIPS);
2)全速、非侵入式的在系統調試接口(片內)；
3)真正12位或10位、100ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關；
4)真正8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關；
5)兩個12位DAC，具有可編程數據更新方式(僅C8051F12X)；
6)2周期的16 X 16乘法和累加引擎；
7)128KK或64KB可在系統編程的FLASH存儲器；
8)8448 (8K+256)字節的片內 RAM ；
9)可尋址64KB地址空間的外部數據存儲器接口；
10)硬件實現的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口 ；
11)5個通用的16位定時器；
12)具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列；
13)片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器。LM629芯片是National semiconductor生產的一款用于精密運動控制的專用芯片，有24腳和28腳二種表面安裝式封裝，在一個芯片內集成了數字式運動控制的全部功能，使得設計一個快速、準確的運動控制系統的任務變得輕松、容易，它有以下特性
1)工作頻率為6MHz和8MHz，工作溫度范圍為-40°C +85°C，使用5V電源；
2)32位的位置、速度和加速度存器；
3)8位分辨率的PWM脈寬調制輸出；
4)16位可編程數字PID控制器；5)內部的梯形速度發生器；
6)該芯片可實時修改速度、目標位置和PID控制參數；
7)實時可編程中斷；可編程微分項采樣間隔；
8)對增量碼盤信號進行四倍頻；
9)可設置于速度或位置伺服兩種工作狀態。上述特點使得LM629芯片特別適合伺服控制系統中。如圖I所示，為本發明較佳實施例的單軸中低速點膠機器人伺服控制系統的結構框圖。本實施例中，單軸中低速點膠機器人伺服控制系統包括單片機、LM629芯片、電機驅動器、高速直流電機，所述的單片機與LM629芯片通訊，所述的LM629芯片發出控制信號至電機驅動器，由所述的電機驅動器控制高速直流電機。 上述中，所述的LM629芯片和高速直流電機之間還連接有編碼器；所述的單片機通過數據總線與LM629芯片進行通訊。本發明中，所述的LM629芯片內部包括接口、運動梯形圖發生器、電機位置解碼器和閉環PID調節器。所述的接口為I/O 口，用于連接數據總線和控制總線；所述的運動梯形圖發生器用于生成速度運動梯形圖，其包含的面積就是點膠機器人一個馬達要運行的距離；所述的電機位置解碼器用于解讀點膠機器人的位置數據；所述的閉環PID調節器用于調節點膠機器人的驅動功率。請參閱圖2，本發明中點膠機器人全數字伺服控制系統還包括包括電池、交流電源、信號處理器、處理器單元、高速直流電機以及點膠機器人，其中，所述的電池為鋰離子電池，是一種供電裝置，為整個系統的工作提供工作電壓。所述的信號處理器通過交流電源或者電池單獨提供電流驅動所述的處理器單元，所述的處理器單元發出控制信號至所述的高速直流電機，控制點膠機器人的運動。其中，處理器單元為一雙核處理器，包括單片機、LM629芯片，且單片機和LM629芯片之間實時進行數據交換和調用。本發明為克服單片的單片機不能滿足單軸點膠機器人行走的穩定性和快速性的要求，舍棄了國產點膠機器人所采用的單片的單片機的工作模式，提供了單片機+LM629芯片的全新控制模式，控制板以LM629芯片為處理核心，實現數字信號的實時處理，把單片機從復雜的工作當中解脫出來，實現部分的信號處理算法和LM629處理器的控制邏輯，并響應中斷，實現數據通信和存儲實時信號。請參閱圖3，所述處理器單元為一雙核處理器，其包括單片機以及LM629芯片，二者可相互通訊，實時進行數據交換和調用。所述的處理器單元還包括設于單片機和LM629芯片的上位機系統和運動控制系統，所述的上位機系統包括人機界面模塊、路徑讀取模塊、軌跡參數預設模塊以及在線輸出模塊，所述的運動控制系統包括單軸伺服控制模塊、數據存儲模塊以及I/O控制模塊。其中，單片機用于控制人機界面模塊、路徑讀取模塊、軌跡參數預設模塊、在線輸出模塊、數據存儲模塊以及I/O控制模塊，LM629芯片用于控制單軸伺服控制模塊。上位機系統包括人機界面模塊、路徑讀取模塊以及在線輸出模塊。人機界面模塊包括開始/重啟按鍵及功能選擇鍵；路徑讀取模塊用于讀書已經已經預設好的速度，加速度，位置等參數設置；軌跡參數預設模塊用于預先設置點膠機器人的路徑軌跡；在線輸出模塊用于提示點膠機器人的工作狀態，比如是點膠機器人工作過程中或到站狀態提示。運動控制系統包括單軸伺服控制模塊、數據存儲模塊以及I/O控制模塊。其中，數據存儲模塊模塊為一存儲器；1/0控制模塊包括RS-232串行接口、ICE端口等。對于處理器單元為一雙核處理器，在電源打開狀態下，點膠機器人先進入自鎖狀態，然后把點膠機器人的點膠閥放在廢膠回收裝置處，打開點膠閥門然后膠體自動流出，等均勻后開始移動到起始點，點膠機器人把儲存的實際導航傳輸參數傳輸給控制器中的單片機，單片機把這些環境參數轉化為點膠機器人在指定運動軌跡下高速直流電機要運行的距離、速度和加速度，然后與LM629芯片通訊，LM629芯片根據這些參數轉處理高速直流電機的伺服控制，并把處理數據通訊給單片機，由單片機繼續處理后續的運行狀態。結合以上描述，上位機系統包括人機界面模塊、路徑讀取模塊、軌跡參數預設模塊、在線輸出模塊等功能；運動控制系統包括單軸伺服控制模塊、數據存儲模塊、I/o控制模塊等功能。其中工作量最大的單軸伺服控制模塊交給LM629芯片控制，其余的包括上位機系統交給單片機控制，這樣就實現了單片機與LM629芯片的分工，同時二者之間也可以進行通訊，實時進行數據交換和調用。 本發明中單軸中低速點膠機器人伺服控制系統具體的功能實現如下
1)操作人員把加工部件安裝在夾具上；
2)打開電源，在打開電源瞬間單片機會對電源電壓來源進行判斷，當確定是電池供電時，如果電池電壓低壓的話，將禁止LM629芯片工作，高速直流電機不能自鎖，同時電壓傳感器將工作，控制器會發出低壓報警信號；
3)啟動點膠機器人自動控制程序，通過控制器232串口輸入任務或者從硬盤裝載任
務;
4)將執行機構(包括膠刷和出膠頭)移動到起始點上方，調整好位姿；
5)出膠信號有效，延時一個時間段，等待任務啟動；
6)為了能夠驅動單軸點膠機器人運動，本控制系統引入了LM629芯片，但是通過I/O 口與單片機進入實時通訊，由單片機控制其開通和關斷；
7)對于基于LM629芯片的系統來說，“忙”狀態的檢測是整個伺服系統設計的首要部分，在處理器向LM629芯片寫命令或者讀寫數字后，“忙”狀態位會被立刻置位，此時，會忽略一切命令數據傳輸，直至“忙”狀態被復位，所以在每次運動之前先檢測此狀態位，判斷是否為“忙”，如果是“忙”要進行軟件復位，使系統可以進行數據通訊；
8)對于基于LM629芯片的系統來說，復位也是LM629芯片伺服系統操作中重要的一個環節，復位后，查看LM629芯片的狀態字，如果不等于84H或者C4H，說明硬件復位失敗，必須重新復位，否則LM629芯片不可以正常工作；
9)在點膠機器人運動過程中，單片機會時刻儲存所經過的距離或者是經過的點膠點，并根據這些距離信息由單片機計算得到相對下一個點膠點自動點膠機器人高速直流電機要運行的距離、速度和加速度，單片機然后與LM629芯片通訊，傳輸這些參數給LM629芯片，然后由LM629芯片生成速度運動梯形圖，如圖4所示，這個梯形包含的面積就是點膠機器人高速直流電機要運行的距離；
10)在運動過程中如果自動點膠機器人發現膠點距離求解出現死循環將向單片機發出中斷請求，單片機會對中斷做第一時間響應，如果單片機的中斷響應沒有來得及處理，點膠機器人的高速直流電機將原地自鎖，防止誤操作；
11)裝在高速直流電機上的光碼盤會輸出其位置信號A和位置信號B，光碼盤的位置信號A脈沖和B脈沖邏輯狀態每變化一次，LM629芯片內的位置寄存器會根據高速直流電機的運行方向加I或者是減I ;
12)光碼盤的位置信號A脈沖和B脈沖和Z脈沖同時為低電平時，就產生一個INDEX信號給LM629芯片，記錄電機的絕對位置，然后換算成自動點膠機器人在點膠部件中的具體位置； 13)單片機根據點膠機器人在點膠部件的具體位置與設定位置的對比，經單片機計算后送相應的加速度、速度和位置數據等給LM629芯片的梯形圖發生器作為參考值，由梯形圖此計算出點膠機器人需要更新的實際加速度、速度和位置信號；
14)運動梯形圖發生器結合電機位置解碼器決定的閉環PID調節器生成功率驅動橋需要的PWM波信號和電機正反轉信號，用來實現系統高速直流電機的伺服控制；
15)如果點膠機器人在運行過程中遇到突然斷電時，電池會自動開啟立即對點膠機器人進行供電，當電機的運動電流超過設定值時，LM629芯片的中斷命令LPES將會向控制器發出中斷請求，此時控制器會立即控制LM629芯片停止工作，從而有效地避免了電池大電流放電的發生；
16)如果在點膠過程中讀到了自動暫停點，單片機會控制LM629芯片以最大的加速度停車使加工過程出現自動暫停并存儲當前信息，直到控制器讀到再次按下“開始”按鈕信息才可以使LM629芯片重新工作，并調取存儲信息使點膠機器人從暫停點可以繼續工作；
17)在運動過程中，如果檢測到高速直流電機的轉矩出現脈動，控制器會自動補償，減少了高速直流電機轉矩對點膠過程的影響；
18)點膠機器人在運行過程會時刻檢測電池電壓，當系統出現低壓時，傳感器會通知控制器開啟并發出報警提示，有效地保護了電池；
19)當完成整個加工部件的點膠運動后，點膠閥會停止出膠，延時，走出運動軌跡
20)點膠機器人重新設定位置零點，等待下一周期的任務。本發明單軸中低速點膠機器人伺服控制系統具有的有益效果是
1:在運動過程中，充分考慮了電池在這個系統中的作用，基于單片機+LM629控制器時刻都在對點膠機器人的運行狀態進行監測和運算，當遇到交流電源斷電時，電池會立即提供能源，避免了點膠系統伺服系統運動的失敗，并且在電池提供電源的過程中，時刻對電池的電流進行觀測并保護，避免了大電流的產生，所以從根本上解決了大電流對電池的沖擊，避免了由于大電流放電而引起的電池過度老化現象的發生；
2:由LM629芯片處理點膠機器人的單軸電機的獨立伺服控制，使得控制比較簡單，大大提高了運算速度，解決了單片機軟件運行較慢的瓶頸，縮短了開發周期短，并且程序可移植能力強；
3:基本實現全貼片元器件材料，實現了單板控制，不僅節省了控制板占用空間，而且有利于點膠機器人體積和重量的減輕；
4:為了提高運算速度和精度，本點膠機器人采用了高速直流電機替代了傳統系統中常用的步進電機，使得運算精度大大提聞，效率也相對較聞;
5:由于采用高速直流電機，使得調速范圍比較寬，調速比較平穩；6:由于本控制器采用LM629芯片處理大量的數據與算法，把單片機從繁重的工作量中解脫出來，有效地防止了點膠機器人失控，抗干擾能力大大增強；
7:由LM629芯片根據單片機的位置、速度和加速度給定以及光碼盤信息輸出PWM調制信號和方向信號，通過驅動電路可以直接驅動高速直流電機，不僅減輕了單片機的負擔，簡化了接口電路，而且省去了單片機內部編寫位置、速度控制程序，以及各種PID算法的麻煩，使得系統的調試簡單；
8:在控制中，單片機可以根據機器人外圍運行情況適時調整LM629芯片內部的PID參數，實現分段P、PD、PID控制和非線性PID控制，使系統滿足中低速運行時速度的切換；
9:由于具有存儲功能，這使得點膠機器人掉電后或遇到故障重啟時系統可以輕易的調取已經涂膠好的路徑信息，然后可以輕易的從故障點二次點膠完成未完成的任務；
10LM629芯片的PID控制及運動控制類指令采用雙緩沖結構，數據首先由單片機寫入主寄存器，只有在寫入相關命令后主寄存器的數據才能進一步裝入工作寄存器，這樣很容 易實現單軸伺服運動的任意控制；
11:由于采用的單片機是工業級的C8051F120單片機，在滿足實用性的同時，其內核就是傳統的8051的內核，使得編程者可以很好的二次開發；
12:在整個點膠過程中，加入了暫停點設定，這樣有利于在運動過程中目測已經點膠好的位置，提前發現點膠問題。以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
權利要求
1.一種單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，其特征在于，包括單片機、LM629芯片、電機驅動器、高速直流電機，所述的單片機與LM629芯片通訊，所述的LM629芯片發出控制信號至電機驅動器，由所述的電機驅動器控制高速直流電機。
2.根據權利要求I所述的單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，其特征在于，所述的LM629芯片和高速直流電機之間還連接有編碼器。
3.根據權利要求I所述的單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，其特征在于，所述的LM629芯片內部還包括運動梯形圖發生器，所述的運動梯形圖發生器用于生成速度運動梯形圖，其包含的面積就是點膠機器人一個馬達要運行的距離。
4.根據權利要求I所述的單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，其特征在于，所述的LM629芯片內部還包括電機位置解碼器，所述的電機位置解碼器用于解讀點膠機器人的位置數據。
5.根據權利要求I所述的單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，其特征在于，所述的LM629芯片內部還包括閉環PID調節器，所述的閉環PID調節器用于調節點膠機器人的驅動功率。
6.根據權利要求I所述的單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，其特征在于，所述的高速直流電機上還安裝有光碼盤，所述的光碼盤用于輸出點膠機器人的位置信號。
7.根據權利要求I所述的單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，其特征在于，所述的單片機為工業級的C8051F120單片機。
全文摘要
本發明公開了一種單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，包括單片機、LM629芯片、電機驅動器、高速直流電機，所述的單片機與LM629芯片通訊，所述的LM629芯片發出控制信號至電機驅動器，由所述的電機驅動器控制高速直流電機。本發明提供的單軸中低速點膠機器人伺服控制系統，是一種高速和高效的點膠伺服控制系統，實現了單片機與LM629芯片的分工，把單片機從繁重的工作量中解脫出來，抗干擾能力大大增強。
文檔編號G05B19/042GK102830643SQ20121036195
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者袁麗娟, 張好明, 王應海 申請人:蘇州工業園區職業技術學院