基于arduino汽車專用芯片的全自動(dòng)編程機(jī)器人

徐中林，范俊宇

（滄州師范學(xué)院，河北滄州，061001）

0 引言

在電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的電子節(jié)氣門體和電子油門踏板中，一般采用傳統(tǒng)的陶瓷基板電阻膜片和環(huán)氧樹脂合成體的導(dǎo)電電阻作為角度和長(zhǎng)度傳感器。用來給發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU提供模擬電壓信號(hào)作為開度或者形成行程指示，一遍合理搭配燃油配比，達(dá)到最理想的燃燒狀態(tài)。這些傳統(tǒng)的輸出方式因?yàn)槟途眯圆詈湍湍勖獭⒁籽趸热毕葜饾u被新型的霍爾傳感器代替，使用霍爾傳感器的汽車部件因?yàn)槠浞墙佑|工作方式和全密封的封裝形式，不僅在耐磨、耐油，耐酸，抗腐蝕等方面遠(yuǎn)勝過傳統(tǒng)電阻式傳感器，其精度因?yàn)榭删幊痰脑蛟谡{(diào)試和標(biāo)定方面也大大優(yōu)于傳統(tǒng)的電阻式傳感器。因此現(xiàn)有的汽車市場(chǎng)幾乎全部采用了使用線性可編程的霍爾元件作為角度和長(zhǎng)度傳感器。

1 系統(tǒng)的工作原理和工作思路

以當(dāng)前國(guó)內(nèi)絕大部分廠商使用的電子節(jié)氣門體為例，其節(jié)氣門體開度角傳感器芯片為麥來公司的可編程霍爾集成電路MLX90系列。例如MLX90316，90365等，作為一種絕對(duì)角度傳感器，它只需要固定芯片的位置，將磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，在兩個(gè)不同的磁極位置分別進(jìn)行百分比數(shù)據(jù)標(biāo)定，既可以計(jì)算出這個(gè)角度范圍的相對(duì)電壓值，然后計(jì)算出其他角度的相對(duì)電壓，用作汽車電子機(jī)器門體的門板開啟角度輸出信號(hào)，對(duì)于元器件的數(shù)據(jù)標(biāo)定和程序燒寫則需要使用麥來公司提供的melexis programmable toolbox，以及麥來芯片專用芯片燒錄器PTC-04。該種芯片具有兩路霍爾元器件，SOIC-16封裝，芯片價(jià)格和焊接成本較高，MLX90316BCS則是為中國(guó)客戶定制的專用芯片，具有成本低，性能可靠，芯片由原來的16腳改做8腳，體積大大縮小，焊接也變得比MLXC90316等更加容易，因此在國(guó)內(nèi)的汽車市場(chǎng)上被迅速推廣，它是在原來的單路芯片基礎(chǔ)上增加了一路鏡像輸出，因此在對(duì)第一路變成輸出后，還要激活第二路鏡像輸出，并對(duì)第二路的輸出做一個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)定，以滿足汽車ECU對(duì)冗余電壓的檢測(cè)。芯片的功能圖請(qǐng)?jiān)斠娤嚓P(guān)資料，在編程過程中則采用了多圖界面，不同于前期使用的單圖程序截圖，如圖1所示。

圖1 程序截圖

2 當(dāng)前的工作狀況與困境

在流水線的生產(chǎn)過程中，機(jī)械門體的安裝過程均可以由機(jī)械手和符合工業(yè)2.0的自動(dòng)控制裝置自動(dòng)組裝，而在編程這個(gè)環(huán)節(jié)中仍然不能擺脫人工操作，產(chǎn)業(yè)工人不僅要求熟悉計(jì)算機(jī)操作，還要對(duì)于每一件產(chǎn)品的編程進(jìn)行，在原來的芯片MLX90316生產(chǎn)中，操作工只要要?jiǎng)佑檬髽?biāo)進(jìn)行是個(gè)動(dòng)作的點(diǎn)擊確認(rèn)操作，而在90316BCS中則增加了如下步驟，當(dāng)對(duì)第一路的芯片常規(guī)編程完畢后，點(diǎn)擊EEPROM打開另外一個(gè)全新的頁面，點(diǎn)擊除了點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的功能鍵以外，還要必須使用在圖表中out 2中輸入100、-1在CLP 2中輸入0、100然后再點(diǎn)擊Program EEPROM,再次彈出第三個(gè)頁面經(jīng)系統(tǒng)詢問后確認(rèn)數(shù)據(jù)寫入，彈出第四個(gè)頁面，在確認(rèn)寫入成功，然后依次關(guān)閉所有頁面。實(shí)際生產(chǎn)過程，每一件產(chǎn)品平均點(diǎn)擊鼠標(biāo)20次之多使用鍵盤填寫表單4次。如圖2所示。

圖2

在實(shí)際生產(chǎn)過程中操作工人不僅要雙眼緊盯電腦屏幕，同時(shí)還要在setpoint A，setpoint B，setpoint C這三個(gè)工作點(diǎn)位旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)門板的絕對(duì)位置，來標(biāo)定指示不同角度的相對(duì)輸出電壓，由于連續(xù)工作時(shí)單一的動(dòng)作和繁瑣的操作，一線工人在連續(xù)超過半小時(shí)以后就會(huì)引發(fā)眼睛不適，操作錯(cuò)誤率大大提高，從而引起產(chǎn)品報(bào)廢。

麥來公司為中國(guó)客戶提供了全套的自動(dòng)化生產(chǎn)控制程序和解決方案，但是其昂貴的價(jià)格和服務(wù)也讓國(guó)內(nèi)很多中小型企業(yè)望而卻步，只等采用廉價(jià)人工倒班方式生產(chǎn)，這也是該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化裝配的一個(gè)壁壘，這個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的多年來一直未能破解。

3 創(chuàng)造性的可行性方案思路

本產(chǎn)品意在使用電腦機(jī)器人來操縱這一切，只需要按下一個(gè)按鈕，或者有生產(chǎn)線中的位置開關(guān)產(chǎn)生物料到位信號(hào)，自動(dòng)編程機(jī)器人將按照內(nèi)部設(shè)置的程序自行完成所有的編程動(dòng)作，包括引動(dòng)鼠標(biāo)、左鍵點(diǎn)擊確認(rèn)，以及自動(dòng)打開EEPROM子頁面，自動(dòng)完成對(duì)數(shù)據(jù)的填寫，確認(rèn)，關(guān)閉子頁面等，并在需要的時(shí)候發(fā)出指令操控伺服電機(jī)產(chǎn)品自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到指定的角度，去點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕Die A ~B-- Set point 0~2寫入預(yù)置數(shù)據(jù)，并且在完成數(shù)據(jù)寫入后進(jìn)行驗(yàn)證、關(guān)閉子頁面，完成鎖定等，本系統(tǒng)要求操作簡(jiǎn)單，接口電路簡(jiǎn)潔通用，方便融入生產(chǎn)線中，完全替代改產(chǎn)業(yè)鏈中的一線工人。并且保證編程寫入的成功率100%。

本產(chǎn)品使用簡(jiǎn)易易學(xué)的Arduino系列作為編程執(zhí)行機(jī)器人，利用它來控制鼠標(biāo)和鍵盤以及節(jié)氣門體門板位置驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

圖3

4 機(jī)器人的開發(fā)與研制

■4.1 機(jī)器人的研發(fā)硬件需求

圖中生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的工業(yè)計(jì)算機(jī)，以及對(duì)應(yīng)的燒寫程序均由汽車門體生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)線提供，所使用編程軟件programmable toolbox，編程燒寫的PTC-04等也根據(jù)原生產(chǎn)線標(biāo)配的器材和線束插頭重新設(shè)計(jì)。機(jī)器人核心控制芯片使用了具有鍵盤指令的Arduinoleonardo，Leonardo直接使用了ATmega32u4的USB通信功能擁有鼠標(biāo)鍵盤的指令，但是在實(shí)際演示中，應(yīng)用鼠標(biāo)庫mouse.h進(jìn)行鼠標(biāo)控制并不理想，連續(xù)定位有偏差，不符合工業(yè)生產(chǎn)要求使用了通訊穩(wěn)定的com口的鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)芯片HT6513B作為模擬鼠標(biāo)移動(dòng)，這種方式屬于硬件驅(qū)動(dòng)，不受軟件和操作系統(tǒng)影響，定位精度高。鍵盤指令則直接使用程序里的keyboard.h用來輸入填表信息中的數(shù)據(jù)。其他的控制信號(hào)都有這個(gè)芯片提供，經(jīng)過光耦tp521,繼電器等作為隔離輸入輸出，分別接受提供上下級(jí)的電控信號(hào)。

■4.2 機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路

鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)使用市場(chǎng)普及鼠標(biāo)的滾球芯片HT6513B，驅(qū)動(dòng)電路部分可以在百度中所搜到，本文不再提供，由ARDUIRO提供的 X，Y軸的AB相交電信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片的對(duì)應(yīng)管腳。該芯片將通過COM口鏈接計(jì)算機(jī)作為鼠標(biāo)方向以及左鍵點(diǎn)擊確認(rèn)。另有Arduinoleonardo通過板上的USB輸送到工業(yè)計(jì)算機(jī)，產(chǎn)生鍵盤字符。在相應(yīng)的編程點(diǎn)位同時(shí)繼電器輸出信號(hào)來控制門板產(chǎn)生“完全閉合”，“自由狀態(tài)”以及“完全打開”等三個(gè)機(jī)械位置，來標(biāo)定對(duì)應(yīng)的輸出比，在編程完畢后機(jī)器人關(guān)掉所有子頁面，回到主頁面為下一個(gè)編程工件做準(zhǔn)備，并輸出一個(gè)下降沿電壓信號(hào)使得生產(chǎn)線可以承接下一個(gè)產(chǎn)品或者進(jìn)入測(cè)試驗(yàn)證環(huán)節(jié)。另外還需一路開關(guān)量輸入信號(hào)作為啟動(dòng)全自動(dòng)編程。

■4.3 機(jī)器人的電路設(shè)計(jì)編程

對(duì)于電路設(shè)計(jì)，機(jī)器人的外圍電路比較簡(jiǎn)單，這里不再描述，對(duì)于編程細(xì)節(jié)，僅對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)做一個(gè)描述：

■4.4 機(jī)器人的制作與調(diào)試

機(jī)器人焊接組裝后，編程開始信號(hào)由生產(chǎn)線的啟動(dòng)開關(guān)提供，編程完成后信號(hào)由K=15的下降沿向生產(chǎn)線中的PLC發(fā)出變成完畢指令，馬達(dá)控制則并聯(lián)在原生產(chǎn)線的電路控制中，整個(gè)生產(chǎn)線電路幾乎沒有做大改動(dòng)，將鼠標(biāo)com口連接到普通的PC計(jì)算機(jī)，arduino Leonardo提供的USB直接插入工控機(jī)的USB插座，重新啟動(dòng)后，識(shí)別鼠標(biāo)芯片,啟動(dòng)編程軟件，設(shè)置好參數(shù)，用工控機(jī)觸摸屏將指針移動(dòng)到編程工控電腦屏幕的左上角，以這個(gè)點(diǎn)作為原點(diǎn)位置，PLC或者啟動(dòng)按鈕給出啟動(dòng)信號(hào)，全自動(dòng)編程開始。反復(fù)操作，觀察位置偏移和鼠標(biāo)點(diǎn)擊的位置，并觀察對(duì)應(yīng)的機(jī)器控制輸出，K=15繼電器將關(guān)閉鎖定其他控制電路，避免誤動(dòng)作，首先觀察鼠標(biāo)箭頭移動(dòng)方向和點(diǎn)擊動(dòng)作， 分別調(diào)整對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)參數(shù)，并觀察馬達(dá)是否在合適的編程位置正確的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和位置。最后驗(yàn)證編程結(jié)果，是否符合生產(chǎn)要求。

圖4

■4.5 產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)效果預(yù)期

機(jī)器人經(jīng)上電實(shí)驗(yàn)與模擬運(yùn)行，其耗電量與發(fā)熱均達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，將它用于實(shí)際生產(chǎn)中，工廠設(shè)計(jì)要求為連續(xù)24小時(shí)的不間斷反復(fù)寫入和編程后電壓檢測(cè)，誤差在指定范圍內(nèi)，自動(dòng)編程檢測(cè)驗(yàn)證期間不得有人工矯正，并適應(yīng)生產(chǎn)車間的電磁干擾，震動(dòng)，噪音等環(huán)境。每個(gè)產(chǎn)品開始到結(jié)束時(shí)間不得超過30秒，并且預(yù)留控制接口配合生產(chǎn)線的其他工裝，使該機(jī)器人成為全自動(dòng)生產(chǎn)線上的一個(gè)無人值守環(huán)節(jié)。

■4.6 實(shí)習(xí)基地的使用效果測(cè)評(píng)

機(jī)器人控制器的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為河北省滄州市電子節(jié)氣門體生產(chǎn)線，選擇實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品為小康工業(yè)在用的電子節(jié)氣門體SME03生產(chǎn)線 ，其核心芯片型號(hào)為MELEXIS-90316BCS。該芯片共有8腳，屬于貼片SOIC8封裝。其中的第5路作為鏡像輸出來提供第二路信號(hào)，作為ECU的冗余檢測(cè)，將所制作的機(jī)器人使用USB和串口連接到我們所做的機(jī)器人上其所用的編程計(jì)算機(jī)上。啟動(dòng)信號(hào)由外接開關(guān)給定，并給生產(chǎn)線的PLC并聯(lián)提供了三路輸入型開關(guān)信號(hào)，用來對(duì)固定氣缸和控制門板旋轉(zhuǎn)角度的馬達(dá)進(jìn)行控制，在改裝后的生產(chǎn)線上，操作工人只需要將未編寫程序的電子節(jié)氣門體放到工裝上，連接它的專用插頭，然后按下一個(gè)啟動(dòng)按鈕，機(jī)器人接收到指令后，對(duì)鼠標(biāo)芯片輸出AB相脈沖，準(zhǔn)確移動(dòng)鼠標(biāo)，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的功能鍵，并在所需位置調(diào)整馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向到達(dá)指定位置。進(jìn)行數(shù)據(jù)燒寫，燒寫完畢后自動(dòng)打開第二個(gè)界面。在相應(yīng)的表單中填入所需要的數(shù)據(jù)。然后將內(nèi)容展示給操作工人觀看1秒，完成后鼠標(biāo)和鍵盤重置。繼續(xù)下一個(gè)產(chǎn)品的燒寫，整個(gè)過程使用了26秒。小于最快的操作工人操作時(shí)間，其優(yōu)勢(shì)在與穩(wěn)定性和連續(xù)性，芯片在燒寫完畢后立即進(jìn)入驗(yàn)證環(huán)節(jié)，合格率高達(dá)100%，在此工況下，只需要一個(gè)工人就可以輕松的連續(xù)工作。機(jī)器人在連續(xù)工作一年來，累計(jì)編程門體數(shù)萬件，未出現(xiàn)一例機(jī)器人操作失誤一起的廢品。在12V的供電下機(jī)器人的耗電量也不足200毫安,整體功耗小于3瓦。

5 結(jié)束語

相對(duì)于國(guó)外廠商提供的方案，這種方式可能在生產(chǎn)速度上稍遜與原廠的自動(dòng)化設(shè)備，但是其低廉的成本和快速的布置能力以及兼容性大大優(yōu)于國(guó)外，為中小型企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)提供了新的思路和方案，該自動(dòng)化編寫方案可以針對(duì)其他所有未能破解的壟斷程序，對(duì)于改公司的其他產(chǎn)品，如電子油門踏板，和可編程機(jī)油壓力傳感器等也可以使用，僅僅需要改變軌跡和少量代碼，用這種方法可以使用簡(jiǎn)易機(jī)器人取代人工操作控制工業(yè)計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)鍵盤，并同步操控其他的各種外部電氣控制，在產(chǎn)業(yè)升級(jí)上實(shí)現(xiàn)以機(jī)器人取代人工的低成本思路和方法。