基于STM32的工業(yè)機(jī)器人恒力打磨裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莫名韶　伍賢洪　韋雅曼　覃鋮

摘要：傳統(tǒng)機(jī)械零件加的打磨工藝環(huán)節(jié)中噪音大、粉塵濃度高、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、打磨質(zhì)量不穩(wěn)定，針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人末端的恒力打磨裝置并針對(duì)性設(shè)計(jì)了一種基于STM32微控制器的恒力打磨控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以STM32F103VET6微控制器作為核心處理器，采用功能模塊化設(shè)計(jì)，包括電源模塊、主控模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。各模塊協(xié)同工作，將壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓值采集，通過(guò)控制器運(yùn)算通過(guò)改變直線模組滑塊位移轉(zhuǎn)換為力的輸出。實(shí)現(xiàn)打磨工具與工件間接觸力的恒定輸出，有利于保證打磨工件的表面質(zhì)量穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：STM32;恒力輸出;工業(yè)機(jī)器人打磨;控制系統(tǒng)

隨著我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，智能制造裝備及裝備自動(dòng)化、智能化技術(shù)在各行業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益普及。打磨拋光是裝備零件和機(jī)電產(chǎn)品加工中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中，打磨拋光工作的工人用時(shí)用工量大、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品表面質(zhì)量不穩(wěn)定，且加工生產(chǎn)環(huán)境粉塵和噪聲污染嚴(yán)重，存在諸多安全隱患。在當(dāng)前裝備技術(shù)革新的背景下，采用工業(yè)機(jī)器人配以專用的打磨設(shè)備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用成為各加工企業(yè)的共同目標(biāo)。

為解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款用于配合工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)替代人工作業(yè)的恒力打磨裝置并對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。該裝置的控制系統(tǒng)以STM32F103VET6作為核心處理器，處理器連接電源、傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、顯示屏、數(shù)據(jù)通信等功能模塊，能夠接收工業(yè)機(jī)器人控制器信號(hào)并輸出信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)功能完整的恒力打磨裝置的控制系統(tǒng)。

一、工業(yè)機(jī)器人恒力打磨系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)通用零件的打磨需求，設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人恒力打磨系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人控制器、工業(yè)機(jī)器人本體、恒力打磨裝置、打磨裝置控制器等重要部件組成。工業(yè)機(jī)器人本體作為系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)主體，攜帶恒力打磨裝置對(duì)加工對(duì)象進(jìn)行打磨作業(yè)，在加工過(guò)程中，根據(jù)設(shè)置的接觸力值，恒力打磨裝置自動(dòng)調(diào)整打磨工具與工件對(duì)象的接觸力度，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的加工過(guò)程和良好的打磨加工表面。

工業(yè)機(jī)器人恒力打磨控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為打磨裝置，打磨裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。打磨頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)帶動(dòng)打磨頭實(shí)施打磨作業(yè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)上安裝有滑塊，可以使得電機(jī)及打磨頭在導(dǎo)軌上移動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)模組經(jīng)彈簧對(duì)打磨電機(jī)施加壓力，彈簧與打磨電機(jī)間安裝有壓力傳感器，通過(guò)傳感器壓力數(shù)據(jù)的讀取，控制器可以控制直線運(yùn)動(dòng)模組改變彈簧的形變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)打磨頭與工件間壓力值的設(shè)置與恒定調(diào)節(jié)。

二、打磨裝置控制系統(tǒng)硬件主要功能模塊的電路設(shè)計(jì)

（一）主控模塊

恒力打磨控制裝置采用STM32F103VET6微控制器作為控制系統(tǒng)核心處理器，STM32是ST 公司高性能的32位微控制器，芯片自帶多種常用通信接口與功能，如USART、SPI、AD＼DA、通用IO端口等，能夠便捷地實(shí)現(xiàn)通過(guò)總線與其他設(shè)備相連，讀取各種傳感器數(shù)據(jù)、輸出多種信號(hào)控制其他設(shè)備等功能。豐富的片上資源和高運(yùn)行頻率能夠滿足控制系統(tǒng)對(duì)壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、算法運(yùn)算及控制信號(hào)的穩(wěn)定輸出的控制需求。

主控模塊基本電路原理圖如圖3所示。本主控模塊基本電路中采用了8M有源晶振作為芯片系統(tǒng)時(shí)鐘，以減小外部干擾，采用32.768K晶振作為控制系統(tǒng)的計(jì)時(shí)時(shí)鐘源，采用REF3333芯片為ADC提供基準(zhǔn)電壓。

（二）傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

恒力打磨控制裝置為了實(shí)現(xiàn)其主要功能：保證輸出壓力的相對(duì)恒定，必須先獲取實(shí)時(shí)壓力數(shù)值的變化，以利于控制器及時(shí)調(diào)整輸出力。系統(tǒng)采集壓力數(shù)據(jù)采用的是薄膜電阻式壓力傳感器，該傳感器壓力與電阻線性關(guān)系優(yōu)良，通過(guò)將壓力轉(zhuǎn)換為電阻值變化的工作原理，檢測(cè)獲取其兩端電壓變化，即可快速計(jì)算出壓力值。

本系統(tǒng)采用海芯科技的HX720芯片用作數(shù)據(jù)采集和AD轉(zhuǎn)換，該芯片內(nèi)部集成了低噪聲穩(wěn)壓管，可簡(jiǎn)化參考源選擇，并且HX720內(nèi)部帶有128倍放大器，完全滿足壓力傳感器小信號(hào)輸出需求，芯片內(nèi)部帶有振蕩器、濾波器，最高40Hz輸出速度，其高性價(jià)比可使系統(tǒng)高速、精確地獲得壓力變化數(shù)據(jù)。壓力傳感器數(shù)據(jù)采集模塊原理圖如圖4所示。

（三）打磨電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)打磨電機(jī)采用的是24V直流電機(jī)，單向運(yùn)行，主控芯片STM32的IO端口的3.3V輸出不能夠直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，本系統(tǒng)采用MOS管IRFR220作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器件，其電壓可達(dá)100V，Ids可達(dá)20A，滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求，同時(shí)為了增加可靠性，實(shí)現(xiàn)電路隔離功能，選用6N137芯片作為光電耦合器，該芯片具有導(dǎo)通電流低至5mA，響應(yīng)速度高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。打磨電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖5所示。

（四）電源模塊

電源模塊為控制器及其他電路模塊符合要求的電壓?？刂葡到y(tǒng)中包含多類用電設(shè)備因此存在多個(gè)不同的電壓供電需求，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般采用220V交流輸入，直流24V、5V輸出專用開(kāi)關(guān)電源供電，24V供直線模組驅(qū)動(dòng)模塊和打磨驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用，而STM32芯片使用的電壓為3.3V，由5V電壓電源通過(guò)LM1117-3.3芯片進(jìn)一步獲得。系統(tǒng)3.3V電壓模塊電路如圖6所示。

三、打磨控制系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

打磨控制系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖7所示，打磨設(shè)備是配合工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行的，接收機(jī)器人的控制啟動(dòng)信號(hào)后，啟動(dòng)系統(tǒng)，在打磨頭接觸打磨工件之前啟動(dòng)打磨電機(jī)，工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)打磨工具到達(dá)打磨位置，開(kāi)始打磨后傳感器采集壓力數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋回主控芯片STM32，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，得到打磨頭接觸輸出力調(diào)整值，將該值進(jìn)行運(yùn)算，換算成直線輸出模組的位移值，系統(tǒng)通過(guò)線性模組的運(yùn)動(dòng)經(jīng)由彈簧機(jī)構(gòu)將接觸力傳遞至打磨頭，實(shí)現(xiàn)接觸力的恒力打磨控制。

四、結(jié)語(yǔ)

本文主要設(shè)計(jì)了一種以STM32芯片為主控制器的用于工業(yè)機(jī)器人打磨裝置的恒力輸出控制系統(tǒng)，分別從工業(yè)機(jī)器人打磨應(yīng)用、打磨接觸力恒力輸出裝置入手，介紹了該控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路、硬件組成、軟件流程等，對(duì)系統(tǒng)的控制器、傳感器等主要模塊的電路設(shè)計(jì)做了詳細(xì)介紹。該技術(shù)方案對(duì)控制功能接近的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有益參考。

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基金項(xiàng)目：2019年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“工業(yè)機(jī)器人恒力打磨拋光控制系統(tǒng)研究”（2019KY1235）。