基于STM32的工業機器人恒力打磨裝置控制系統設計

莫名韶　伍賢洪　韋雅曼　覃鋮

摘要：傳統機械零件加的打磨工藝環節中噪音大、粉塵濃度高、人工勞動強度大、打磨質量不穩定，針對該問題設計開發應用于工業機器人末端的恒力打磨裝置并針對性設計了一種基于STM32微控制器的恒力打磨控制系統。該控制系統以STM32F103VET6微控制器作為核心處理器，采用功能模塊化設計，包括電源模塊、主控模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊等。各模塊協同工作，將壓力數據轉換為電壓值采集，通過控制器運算通過改變直線模組滑塊位移轉換為力的輸出。實現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量穩定。

關鍵詞：STM32;恒力輸出;工業機器人打磨;控制系統

隨著我國制造業的快速發展，智能制造裝備及裝備自動化、智能化技術在各行業生產中的應用日益普及。打磨拋光是裝備零件和機電產品加工中一個重要的環節，在傳統生產方式中，打磨拋光工作的工人用時用工量大、生產效率低、產品表面質量不穩定，且加工生產環境粉塵和噪聲污染嚴重，存在諸多安全隱患。在當前裝備技術革新的背景下，采用工業機器人配以專用的打磨設備的開發與應用成為各加工企業的共同目標。

為解決以上問題，本文設計了一款用于配合工業機器人實現替代人工作業的恒力打磨裝置并對其控制系統進行研究和設計。該裝置的控制系統以STM32F103VET6作為核心處理器，處理器連接電源、傳感器、電機驅動、顯示屏、數據通信等功能模塊，能夠接收工業機器人控制器信號并輸出信號控制電機運動，形成一個功能完整的恒力打磨裝置的控制系統。

一、工業機器人恒力打磨系統整體設計

根據通用零件的打磨需求，設計工業機器人恒力打磨系統如圖1所示。該系統主要由工業機器人控制器、工業機器人本體、恒力打磨裝置、打磨裝置控制器等重要部件組成。工業機器人本體作為系統的運動主體，攜帶恒力打磨裝置對加工對象進行打磨作業，在加工過程中，根據設置的接觸力值，恒力打磨裝置自動調整打磨工具與工件對象的接觸力度，以實現穩定的加工過程和良好的打磨加工表面。

工業機器人恒力打磨控制系統的控制對象為打磨裝置，打磨裝置機械結構如圖2所示。打磨頭驅動電機通過帶動打磨頭實施打磨作業，驅動電機上安裝有滑塊，可以使得電機及打磨頭在導軌上移動，直線運動模組經彈簧對打磨電機施加壓力，彈簧與打磨電機間安裝有壓力傳感器，通過傳感器壓力數據的讀取，控制器可以控制直線運動模組改變彈簧的形變，從而實現對打磨頭與工件間壓力值的設置與恒定調節。

二、打磨裝置控制系統硬件主要功能模塊的電路設計

（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，能夠便捷地實現通過總線與其他設備相連，讀取各種傳感器數據、輸出多種信號控制其他設備等功能。豐富的片上資源和高運行頻率能夠滿足控制系統對壓力數據實時采集、算法運算及控制信號的穩定輸出的控制需求。

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時鐘，以減小外部干擾，采用32.768K晶振作為控制系統的計時時鐘源，采用REF3333芯片為ADC提供基準電壓。

（二）傳感器數據采集模塊

恒力打磨控制裝置為了實現其主要功能：保證輸出壓力的相對恒定，必須先獲取實時壓力數值的變化，以利于控制器及時調整輸出力。系統采集壓力數據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系優良，通過將壓力轉換為電阻值變化的工作原理，檢測獲取其兩端電壓變化，即可快速計算出壓力值。

本系統采用海芯科技的HX720芯片用作數據采集和AD轉換，該芯片內部集成了低噪聲穩壓管，可簡化參考源選擇，并且HX720內部帶有128倍放大器，完全滿足壓力傳感器小信號輸出需求，芯片內部帶有振蕩器、濾波器，最高40Hz輸出速度，其高性價比可使系統高速、精確地獲得壓力變化數據。壓力傳感器數據采集模塊原理圖如圖4所示。

（三）打磨電機驅動模塊

本系統打磨電機采用的是24V直流電機，單向運行，主控芯片STM32的IO端口的3.3V輸出不能夠直接驅動電機，本系統采用MOS管IRFR220作為直流電機的驅動器件，其電壓可達100V，Ids可達20A，滿足電機驅動需求，同時為了增加可靠性，實現電路隔離功能，選用6N137芯片作為光電耦合器，該芯片具有導通電流低至5mA，響應速度高，可靠性好的優點。打磨電機驅動模塊電路如圖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。控制系統中包含多類用電設備因此存在多個不同的電壓供電需求，在工業現場一般采用220V交流輸入，直流24V、5V輸出專用開關電源供電，24V供直線模組驅動模塊和打磨驅動電機使用，而STM32芯片使用的電壓為3.3V，由5V電壓電源通過LM1117-3.3芯片進一步獲得。系統3.3V電壓模塊電路如圖6所示。

三、打磨控制系統軟件流程設計

打磨控制系統運行流程如圖7所示，打磨設備是配合工業機器人運行的，接收機器人的控制啟動信號后，啟動系統，在打磨頭接觸打磨工件之前啟動打磨電機，工業機器人帶動打磨工具到達打磨位置，開始打磨后傳感器采集壓力數據，將數據反饋回主控芯片STM32，經過PID運算，得到打磨頭接觸輸出力調整值，將該值進行運算，換算成直線輸出模組的位移值，系統通過線性模組的運動經由彈簧機構將接觸力傳遞至打磨頭，實現接觸力的恒力打磨控制。

四、結語

本文主要設計了一種以STM32芯片為主控制器的用于工業機器人打磨裝置的恒力輸出控制系統，分別從工業機器人打磨應用、打磨接觸力恒力輸出裝置入手，介紹了該控制系統的整體設計思路、硬件組成、軟件流程等，對系統的控制器、傳感器等主要模塊的電路設計做了詳細介紹。該技術方案對控制功能接近的控制系統設計提供有益參考。

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基金項目：2019年度廣西高校中青年教師基礎能力提升項目“工業機器人恒力打磨拋光控制系統研究”（2019KY1235）。