基于arduino汽車專用芯片的全自動編程機器人

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)動機的電子節(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度傳感器。用來給發(fā)動機的ECU提供模擬電壓信號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)的輸出方式因為耐久性差和耐磨壽命短、易氧化等缺陷逐漸被新型的霍爾傳感器代替，使用霍爾傳感器的汽車部件因為其非接觸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，其精度因為可編程的原因在調(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度傳感器。

1 系統(tǒng)的工作原理和工作思路

以當(dāng)前國內(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，作為一種絕對角度傳感器，它只需要固定芯片的位置，將磁場旋轉(zhuǎn)，在兩個不同的磁極位置分別進(jìn)行百分比數(shù)據(jù)標(biāo)定，既可以計算出這個角度范圍的相對電壓值，然后計算出其他角度的相對電壓，用作汽車電子機器門體的門板開啟角度輸出信號，對于元器件的數(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，芯片價格和焊接成本較高，MLX90316BCS則是為中國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，因此在國內(nèi)的汽車市場上被迅速推廣，它是在原來的單路芯片基礎(chǔ)上增加了一路鏡像輸出，因此在對第一路變成輸出后，還要激活第二路鏡像輸出，并對第二路的輸出做一個數(shù)據(jù)標(biāo)定，以滿足汽車ECU對冗余電壓的檢測。芯片的功能圖請詳見相關(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，機械門體的安裝過程均可以由機械手和符合工業(yè)2.0的自動控制裝置自動組裝，而在編程這個環(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算機操作，還要對于每一件產(chǎn)品的編程進(jìn)行，在原來的芯片MLX90316生產(chǎn)中，操作工只要要動用鼠標(biāo)進(jìn)行是個動作的點擊確認(rèn)操作，而在90316BCS中則增加了如下步驟，當(dāng)對第一路的芯片常規(guī)編程完畢后，點擊EEPROM打開另外一個全新的頁面，點擊除了點擊對應(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然后再點擊Program EEPROM,再次彈出第三個頁面經(jīng)系統(tǒng)詢問后確認(rèn)數(shù)據(jù)寫入，彈出第四個頁面，在確認(rèn)寫入成功，然后依次關(guān)閉所有頁面。實際生產(chǎn)過程，每一件產(chǎn)品平均點擊鼠標(biāo)20次之多使用鍵盤填寫表單4次。如圖2所示。

圖2

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

麥來公司為中國客戶提供了全套的自動化生產(chǎn)控制程序和解決方案，但是其昂貴的價格和服務(wù)也讓國內(nèi)很多中小型企業(yè)望而卻步，只等采用廉價人工倒班方式生產(chǎn)，這也是該產(chǎn)品實現(xiàn)全自動化裝配的一個壁壘，這個生產(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)品意在使用電腦機器人來操縱這一切，只需要按下一個按鈕，或者有生產(chǎn)線中的位置開關(guān)產(chǎn)生物料到位信號，自動編程機器人將按照內(nèi)部設(shè)置的程序自行完成所有的編程動作，包括引動鼠標(biāo)、左鍵點擊確認(rèn)，以及自動打開EEPROM子頁面，自動完成對數(shù)據(jù)的填寫，確認(rèn)，關(guān)閉子頁面等，并在需要的時候發(fā)出指令操控伺服電機產(chǎn)品自動旋轉(zhuǎn)到指定的角度，去點擊對應(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)行驗證、關(guān)閉子頁面，完成鎖定等，本系統(tǒng)要求操作簡單，接口電路簡潔通用，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)品使用簡易易學(xué)的Arduino系列作為編程執(zhí)行機器人，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)動電路，設(shè)計思路如圖3所示。

圖3

4 機器人的開發(fā)與研制

■4.1 機器人的研發(fā)硬件需求

圖中生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的工業(yè)計算機，以及對應(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。機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)動芯片HT6513B作為模擬鼠標(biāo)移動，這種方式屬于硬件驅(qū)動，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)。其他的控制信號都有這個芯片提供，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的電控信號。

■4.2 機器人的設(shè)計思路

鼠標(biāo)驅(qū)動使用市場普及鼠標(biāo)的滾球芯片HT6513B，驅(qū)動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相交電信號驅(qū)動芯片的對應(yīng)管腳。該芯片將通過COM口鏈接計算機作為鼠標(biāo)方向以及左鍵點擊確認(rèn)。另有Arduinoleonardo通過板上的USB輸送到工業(yè)計算機，產(chǎn)生鍵盤字符。在相應(yīng)的編程點位同時繼電器輸出信號來控制門板產(chǎn)生“完全閉合”，“自由狀態(tài)”以及“完全打開”等三個機械位置，來標(biāo)定對應(yīng)的輸出比，在編程完畢后機器人關(guān)掉所有子頁面，回到主頁面為下一個編程工件做準(zhǔn)備，并輸出一個下降沿電壓信號使得生產(chǎn)線可以承接下一個產(chǎn)品或者進(jìn)入測試驗證環(huán)節(jié)。另外還需一路開關(guān)量輸入信號作為啟動全自動編程。

■4.3 機器人的電路設(shè)計編程

對于電路設(shè)計，機器人的外圍電路比較簡單，這里不再描述，對于編程細(xì)節(jié)，僅對關(guān)鍵環(huán)節(jié)做一個描述：

■4.4 機器人的制作與調(diào)試

機器人焊接組裝后，編程開始信號由生產(chǎn)線的啟動開關(guān)提供，編程完成后信號由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，整個生產(chǎn)線電路幾乎沒有做大改動，將鼠標(biāo)com口連接到普通的PC計算機，arduino Leonardo提供的USB直接插入工控機的USB插座，重新啟動后，識別鼠標(biāo)芯片,啟動編程軟件，設(shè)置好參數(shù)，用工控機觸摸屏將指針移動到編程工控電腦屏幕的左上角，以這個點作為原點位置，PLC或者啟動按鈕給出啟動信號，全自動編程開始。反復(fù)操作，觀察位置偏移和鼠標(biāo)點擊的位置，并觀察對應(yīng)的機器控制輸出，K=15繼電器將關(guān)閉鎖定其他控制電路，避免誤動作，首先觀察鼠標(biāo)箭頭移動方向和點擊動作， 分別調(diào)整對應(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)動方向和位置。最后驗證編程結(jié)果，是否符合生產(chǎn)要求。

圖4

■4.5 產(chǎn)品實驗效果預(yù)期

機器人經(jīng)上電實驗與模擬運行，其耗電量與發(fā)熱均達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，將它用于實際生產(chǎn)中，工廠設(shè)計要求為連續(xù)24小時的不間斷反復(fù)寫入和編程后電壓檢測，誤差在指定范圍內(nèi)，自動編程檢測驗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，噪音等環(huán)境。每個產(chǎn)品開始到結(jié)束時間不得超過30秒，并且預(yù)留控制接口配合生產(chǎn)線的其他工裝，使該機器人成為全自動生產(chǎn)線上的一個無人值守環(huán)節(jié)。

■4.6 實習(xí)基地的使用效果測評

機器人控制器的實驗場地為河北省滄州市電子節(jié)氣門體生產(chǎn)線，選擇實驗產(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，作為ECU的冗余檢測，將所制作的機器人使用USB和串口連接到我們所做的機器人上其所用的編程計算機上。啟動信號由外接開關(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，用來對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，然后按下一個啟動按鈕，機器人接收到指令后，對鼠標(biāo)芯片輸出AB相脈沖，準(zhǔn)確移動鼠標(biāo)，點擊對應(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，燒寫完畢后自動打開第二個界面。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)下一個產(chǎn)品的燒寫，整個過程使用了26秒。小于最快的操作工人操作時間，其優(yōu)勢在與穩(wěn)定性和連續(xù)性，芯片在燒寫完畢后立即進(jìn)入驗證環(huán)節(jié)，合格率高達(dá)100%，在此工況下，只需要一個工人就可以輕松的連續(xù)工作。機器人在連續(xù)工作一年來，累計編程門體數(shù)萬件，未出現(xiàn)一例機器人操作失誤一起的廢品。在12V的供電下機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

相對于國外廠商提供的方案，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)于國外，為中小型企業(yè)的自動化生產(chǎn)提供了新的思路和方案，該自動化編寫方案可以針對其他所有未能破解的壟斷程序，對于改公司的其他產(chǎn)品，如電子油門踏板，和可編程機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易機器人取代人工操作控制工業(yè)計算機的鼠標(biāo)鍵盤，并同步操控其他的各種外部電氣控制，在產(chǎn)業(yè)升級上實現(xiàn)以機器人取代人工的低成本思路和方法。