一種機器人控制器小批量動態(tài)老練方案設計

鄭建福，彭云春，曾鈺

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.廣州智能裝備研究院有限公司，廣東 廣州 510700）

0 引言

對于機器人控制器，在生產(chǎn)制造前，都要進行電路的可靠性設計。但在小批量的生產(chǎn)制造過程中，由于對元器件、工藝嚴格管控的成本過高，往往無法全面地實施，因此帶來的不確定性，可能會給所生產(chǎn)的硬件電路引入各種不良[1]。通過常規(guī)的檢測和質(zhì)量控制手段，可以發(fā)現(xiàn)一些明顯的質(zhì)量問題或固定的缺陷。但元器件和生產(chǎn)工藝中的一些潛在的質(zhì)量缺陷，如芯片不良、損傷和引腳虛焊等，往往不易被發(fā)現(xiàn)；這些缺陷會在電路的使用過程中慢慢地暴露出現(xiàn)，從而造成硬件電路的不良[2-4]。由于機器人行業(yè)的特點，控制器產(chǎn)品相比手機等3C電子產(chǎn)品，其量產(chǎn)規(guī)模僅能算小批量，但是機器人的應用場景又要求控制器產(chǎn)品有高質(zhì)高可靠性保障。因此，在控制器的生產(chǎn)中，就需要應用對產(chǎn)品電路進行老練的方法來篩選產(chǎn)品，以提高出廠產(chǎn)品的質(zhì)量。

老練方法可分為靜態(tài)老練方法和動態(tài)老練方法[5-6]。靜態(tài)老練采用電、熱綜合法作用于電路器件上，使得器件內(nèi)部的物理、化學反應過程被加速，從而使器件的潛在缺陷提前暴露，進而把有缺陷的電路器件剔除；動態(tài)老練采用不停的信號輸入法來驅動硬件電路，使器件處于不停的翻轉狀態(tài)，通過判斷反饋信號變化的合理性來有效地篩選。動態(tài)老練更接近硬件電路的實際使用狀態(tài)，更易以對產(chǎn)品的篩選。

CRC2-410控制器是廣州智能裝備研究院有限公司自主研發(fā)設計的水平機器人SCARA控制器，性能優(yōu)越，被廣泛地應用在國內(nèi)多款水平機器人本體中。在控制器的原有高溫靜態(tài)老練中，主要存在如下兩個方面的缺陷：1）在靜態(tài)老練中僅是簡單地執(zhí)行目標系統(tǒng)的檢測，卻無法完成老練過程中對各個子系統(tǒng)的實時檢測，檢測的失效原因也無法具體地描述；2）靜態(tài)老練施加的測試范圍和強度有限，沒法對硬件的各個IO及子系統(tǒng)進行連續(xù)不斷的老練測試。為了解決靜態(tài)老練的不足，要對控制器硬件的各個IO及子系統(tǒng)進行連續(xù)不斷的老練測試，并實時地把老練過程中各個IO及子系統(tǒng)的狀態(tài)信息反饋到監(jiān)控電腦里，因此有必要設計一種動態(tài)老練方案來對產(chǎn)品進行篩選，以提高出廠產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 總體設計

從硬件的角度來看，機器人的穩(wěn)定性主要由控制器決定，控制器的異常狀態(tài)通常是在電路板的接口通訊時最先被發(fā)現(xiàn)的[7]。結合機器人控制器的應用環(huán)境，重點針對接口，提出總體設計方案。

控制器動態(tài)老練方案的思路為：在50℃測試溫度環(huán)境下，將多個測試單元（指控制器CRC2-410電路板，如圖1所示）安裝在測試臺（如圖2所示）上，進行動態(tài)老練；控制器電路板在DC24 V通電情況下，連續(xù)運行72 h，通過軟件手段記錄每個測試單元接口（圖1b中的RS485、LAN網(wǎng)口和output等接口）的運行情況，從而判定控制器電路板的老練結果的合格狀態(tài)。

圖1 CRC2-410控制器電路板

圖2 動態(tài)老練測試臺的布局框圖

整個方案采用電路板自測的方式進行，從而可以簡化線纜的連接，提高了操作的靈活性。

a）電路板的遠程 （Remote）接口、輸入（Input）接口和輸出（Output）接口，均采用線路短接的方式。

b）對于編碼器接口（Counter1/Counter2），采用專用的端子板進行輔助測試。

c）對于HMI和LAN網(wǎng)口，采用網(wǎng)線直連的方式進行測試。

d）采用每個電路板為節(jié)點的方式進行RS485組網(wǎng)，同工控機通訊，上傳和下載動態(tài)老練的過程數(shù)據(jù)記錄，以便于診斷。

動態(tài)老練測試臺的內(nèi)部連線如圖3所示，每個電路板分配不同的485節(jié)點從站地址，通過485拓撲組網(wǎng)，與作為485主站的工控機進行輪詢方式通訊，上傳電路板老練過程中的電路狀態(tài)信息。

圖3 動態(tài)老練測試臺的內(nèi)部連線

2 流程設計

考慮到控制器動態(tài)老練的工作特性，為了減小工作量，降低操作難度，滿足不同數(shù)目的小批量的控制器生產(chǎn)需要，本方案設計的控制器動態(tài)老練系統(tǒng)的流程如下所述。

a）根據(jù)本批次生產(chǎn)需要，確定動態(tài)老練的電路板臺數(shù)；按序修改每個電路板的485從站ID。

b）在測試臺上按序裝配每個電路板，并進行24 V線纜、485線纜連接。

c）進行動態(tài)老練環(huán)境參數(shù)的配置，如溫度、時長等；工控機作為485主站，根據(jù)本批次的指標要求進行參數(shù)配置。

d）上電，每個電路板（485從站）自動地運行軟件并對自身端口進行周期性端口自檢；工控機（485主站）軟件周期性地按序輪詢每個485從站節(jié)點，進行數(shù)據(jù)訪問，記錄電路板動態(tài)老練過程中端口自檢的信息。

e）工控機軟件根據(jù)所訪問的從站節(jié)點所提供的自檢信息，對整個過程中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析；并給出每個電路板的判定結果（正?；蛴泄收希?。

3 結構設計

為了節(jié)省批量生產(chǎn)的電路板在動態(tài)老練篩選中耗費的時間，本方案采取多電路板并行動態(tài)老練的方式，以提高效率，因此，有必要設計一款機械裝置來完成多個電路板的快速裝配、線纜連接等方面的整體布局。

結合動態(tài)老練的環(huán)境、場所和操作等多方面的因素，該機械裝置整體采用層式結構（如圖2所示的動態(tài)老練測試臺），每層可以裝4個電路板，總共7層，總裝數(shù)量為28個。從人機工程學方面著重地考慮，應方便人員進行接插線和固定電路板等操作，最底一層電路板距離地面大約為750 mm，用于滿足220 V轉24 V電源盒的裝配，以及線纜集中分線封裝；電路板裝配的每層高度為160 mm；整體高度為1 710 mm；底座裝配4個輪子，以便于機臺的移動。

為了方便后期的維護，把兩個電路板做成一個組合單元。采用電路板橫插入結構的方式，對該單元進行對導向與鎖緊設計（如圖4所示）。每個單元上集成有導槽，可以快速地夾鉗、對插板等。測試單元通過兩側螺紋孔被固定在機架上。每次進行測試，用手把快速鉗打開，將電路板從導槽插入到最前端，通過導向機構自動結合對插板座，再把快速鉗閉合?？焖巽Q的設計與使用，可以滿足快速地裝配與拆卸的需求。

圖4 電路板組合裝配結構

4 軟件設計

本方案采取多電路板并行動態(tài)老練的方式。因此，在動態(tài)老練過程中，每個電路板都會產(chǎn)生各自的端口狀態(tài)數(shù)據(jù)，有必要對這些數(shù)據(jù)進行批量處理和顯示，所以軟件設計主要分兩個方面來進行：1）設計控制器電路板上運行的軟件；2）設計工控機方面運行的軟件。

a）控制器電路板上運行的軟件的設計

每個控制器電路板采用RT Linux為操作系統(tǒng)，作為485通訊從站，應用軟件采用多線程架構，創(chuàng)建6個獨立線程分別對遠程端口、輸入輸出端口、HMI與LAN網(wǎng)口、Couter1端口、Counter2端口、鐵電存儲器進行自檢工作；同時實現(xiàn)RS485通訊線程，以滿足485從站的通訊功能，以被動地應答工控機端對該電路板的端口信息訪問。

b）工控機方面運行的軟件的設計

工控機方面用Windows為操作系統(tǒng)，作為485通訊主站，該應用軟件基于Qt進行界面開發(fā)，完成動態(tài)老練參數(shù)設置，人機界面數(shù)據(jù)訪問，實現(xiàn)RS485主站通訊功能；按參數(shù)配置，通過485線纜，依次發(fā)起對每個控制器電路板的訪問；并將訪問的結果按從站地址、時間進行原始信息記錄；對信息進行統(tǒng)計分析，以表格的形式顯示每個電路板的運行情況。

4.1 主從站軟件關系

在動態(tài)老練過程中，作為從站的控制器電路板的應用軟件，通過周期性地觸發(fā)輸入信號的變化來監(jiān)控反饋信號的變化，以實現(xiàn)自身電路的監(jiān)控診斷；工控機作為主站通過485總線收集每個從站的動態(tài)老練數(shù)據(jù)，由主站軟件完成統(tǒng)計分析匯總，進行從站端口狀態(tài)的集中顯示，從而實現(xiàn)對硬件的篩選。

4.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)生機理

在動態(tài)老練中，控制器電路板的應用軟件需完成對其自身的每個IO子系統(tǒng)的實時診斷。以輸入輸出功能子電路為例，輸入端口針腳為IN1-IN23，輸出端口針腳為OT1-OT23，采取輸出端口針腳依次對接輸入端口針腳，如OT1對接IN1。在動態(tài)老練過程中，軟件在輸出端口處觸發(fā)OT1為高電平后，在輸入端口處進行IN1狀態(tài)的讀取：

1）如IN1為高電平，則對輸入輸出功能電路的正確次數(shù)累計加1；

2）如IN1為低電平，則對輸入輸出功能電路的錯誤次數(shù)累計加1。

軟件在輸出端口處觸發(fā)OT1為低電平后，在輸入端口處進行IN1狀態(tài)的讀取：

1）如IN1為低電平，則對輸入輸出功能電路的正確次數(shù)累計加1；

2）如IN1為高電平，則對輸入輸出功能電路的錯誤次數(shù)累計加1。

其他針腳依次類推。在老練過程中，通過信號不同的高低電平輸入變化和結果統(tǒng)計，從而完成對電路板的篩選。

4.3 數(shù)據(jù)通訊格式

主從站之間進行485數(shù)據(jù)通訊，有必要按老練過程中控制器所檢測的功能電路，對如表1所示的數(shù)據(jù)類型進行定義。

表1 功能碼檢測格式定義

為了提高485的通訊速度，主從站對通訊的數(shù)據(jù)內(nèi)容作以下格式定義，采取一次性報告電路板所有功能狀態(tài)的方式。

Format： “NET， [OK正確次數(shù)：ERR錯誤次數(shù)]；IO， [OK正確次數(shù)：ERR錯誤次數(shù)]；REMOTE， [OK正確次數(shù)：ERR錯誤次數(shù)]；FRAM， [OK正確次數(shù)：ERR錯誤次數(shù)]，Counter1， [OK正確次數(shù)：ERR錯誤次數(shù)]，Counter2， [OK正確次數(shù)：ERR錯誤次數(shù)]?！?/p>

5 結束語

本文基于動態(tài)老練原理，提出了一種對機器人控制器動態(tài)老練的方案設計。該方案結合自主知識產(chǎn)權的控制器電路板特點，在動態(tài)老練中，通過軟件的手段，采用RS485組網(wǎng)和端口互連自測的方式，完成控制器電路板在小批量生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。該方案思路清晰，整體布線簡單，實施容易。通過該方案來篩選控制器產(chǎn)品，顯著地提高了產(chǎn)品出廠后的質(zhì)量和合格率。該方案設計的方法和思路同樣適用于其他類似控制器在小批量生產(chǎn)時的動態(tài)老練方案。