一种嵌入式开关电源外壳生产装置控制器的制作方法

本发明涉及自动化控制技术领域，具体涉及一种嵌入式开关电源外壳生产装置控制器。

背景技术：

目前，国内生产铝合金材质开关电源外壳的大多数企业，在一些冲床设备上已经出现了机械手和传送带，用于代替人工送料，通常开关电源外壳生产装置中冲床、机械手和传送带由plc控制器完成控制，实现生产过程自动化，可以提高生产效率，保证产品的质量，减轻工人的劳动强度，但实际使用中发现这种开关电源外壳生产装置控制器存在以下缺点：

(1)设备昂贵。主要表现在由于这种控制器设备昂贵，且输入输出点有限，针对本控制系统进行设计时，plc控制器自身输入输出点不足，需要扩展输入-输出转换模块，造成控制器设备费用增长，因此极大增加了控制系统成本。

(2)工作效率低。主要原因在于上述控制器数据处理能力弱，存储容量较小，不能满足比较复杂的控制算法的需要。

(3)可移植性差。plc的体系结构是封闭的，各plc厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各不相同，因此可移植性较差。

到目前为止，真正意义上的嵌入式开关电源外壳生产装置控制器还没有出现。《直流电源用铝合金外壳生产装置控制系统的研究》(陈宏.直流电源用铝合金外壳生产装置控制系统的研究[d].河北工业大学,2013.)一文提出了采用嵌入式技术设计一套开关电源用铝合金外壳生产装置控制系统，以此设计了对应的控制器，该控制器可以实现开关电源用铝合金外壳生产装置的各个功能。然而该控制器存在以下缺点：没有实现真正的模块化设计，其可扩展性、可维修性、通用性、灵活性都受到了不同程度的限制；该控制器核心控制板为单个c8051f020最小系统板，其i/o口数量不足，且电路板功能较少，极大地限制了其工业应用范围，即限制了控制器未来功能的扩展以及控制系统的升级。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种嵌入式开关电源外壳生产装置控制器。该控制器采用模块化设计，且通过可插拔的形式进行模块连接，具有很好地可移植性、可维修性和通用性，并在很大程度上节约了控制器的设计和制作成本，有利于企业推广使用。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：提供一种嵌入式开关电源外壳生产装置控制器，用于控制开关电源外壳生产装置，其特征在于该控制器包括主核心控制板、从核心控制板、电源转换模块、传感器信息采集模块、高速输入模块、高速输出模块、数字i/o输出模块、通讯接口模块、工业触摸屏、上层板和下层板；所述主核心控制板与从核心控制板之间通过spi通信协议进行信息交换，主核心控制板的i/o口分别与通讯接口模块、传感器信息采集模块、高速输入模块、电源转换模块连接，其中主核心控制板与通讯接口模块进行双向通讯；所述电源转换模块外端与外部直流24v开关电源连接，产生24v、5v、3.3v三种直流电源，分别给各个相应模块提供相应的电源；所述从核心控制板的i/o口分别与高速输出模块、数字i/o输出模块连接；所述通讯接口模块与工业触摸屏连接，传感器信息采集模块与开关电源外壳生产装置上的相应传感器连接，用来采集各个工位的工作状态和故障状态；

所述高速输入模块与开关电源外壳生产装置上的驱动相应传送带运动的步进电机的编码器连接，用于采集相应传送带的速度；所述高速输出模块与开关电源外壳生产装置上驱动相应传送带运动的步进电机和驱动相应机械手运动的伺服电机连接，用来控制相应传送带的速度以及相应机械手运动的速度和位移；

所述数字i/o输出模块与开关电源外壳生产装置中驱动落料冲压机、冲孔机、攻丝机、折弯冲压机、放铆钉装置和铆钉冲压机启停的电磁阀连接，同时还与相应的机械手上控制气缸动作所对应的电磁阀进行连接，用于控制落料冲压机、冲孔机、攻丝机、折弯冲压机、放铆钉装置、铆钉冲压机的启停和相应的机械手上控制气缸动作所对应的电磁阀动作；

该控制器采用双层叠加结构，主核心控制板、从核心控制板、电源转换模块、传感器信息采集模块、高速输入模块、高速输出模块及通讯接口模块通过底座和排针均与基板电连接，形成上层板；数字i/o输出模块构成下层板；上层板与下层板通过板间通讯接口和电源接口进行电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)该控制器运用模块化设计方法，现有开关电源外壳生产装置的工业控制器均为一整块电路板，价钱昂贵且设计繁琐，只能对个别特定的功能进行扩展，可扩展性受到了极大限制且扩展费用也很昂贵，导致其通用性受到很大的限制。若控制器出现故障，电路板元器件难以更换，因此其可维修性差。针对上述工业控制器的问题，本发明控制器进行了功能模块化，设计成各个功能模块，将上述各个功能模块分别制作成对应的功能电路板，并通过基板连接，本发明控制器可以根据开关电源外壳生产装置的实际需求，进行功能模块电路选择并快速搭建新的控制器，对控制器进行了功能模块划分，可快速设计，极大地增强该控制器的可移植性、可维修性、通用性，并在很大程度上节约了控制器的设计和制作成本。

(2)该控制器采用双层叠加结构，由上层板和下层板构成。上层板由基板和主核心控制板、从核心控制板、电源转换、通讯接口、高速输入、高速输出等模块组成，基板和上述各个模块通过底座和排针进行电连接，实现了各个功能模块的可插拔、可扩展性、可维护性及可通用性等功能，有利于控制器的快速组合设计和功能扩展；下层板由数字i/o输出模块构成，数字i/o输出模块通过光电耦合器进行隔离，使得系统抗干扰性增强；工业触摸屏通过通讯接口模块进行通讯，实现对电源外壳生产装置进行实时监控和管理。

(3)该控制器的控制核心为1主核心控制板和2从核心控制板。主核心控制板与通讯接口模块、传感器信息采集模块、高速输入模块连接，其主核心控制板负责与工业触摸屏之间的通讯、传感器信息的采集、编码器反馈信号的高速采集，并把从工业触摸屏得到的指令以及采集的传感器的信息和编码器反馈的信息进行分析处理，最后把分析处理得到的结果通过spi通信协议传送到从核心控制板，从核心控制板与数字i/o输出模块和高速输出模块连接，主要负责响应主核心控制板传送来的信息，通过前馈补偿pid控制方法控制驱动机械手运动伺服电机的精确定位，以及控制各个工位的动作。合理利用主核心控制板和从核心控制板与各功能模块的连接，便于控制器的重新组合设计和对功能模块灵活扩展。

(4)目前大多控制器在开关电源外壳生产装置中机械手控制方法中均使用常规pid控制方法，通过调节pid参数使机械手精确定位，但是其定位精度不高，本发明控制器集成了pid控制和前馈控制的优点，利用前馈补偿pid控制方法对pid参数进行调节，并通过调节前馈控制器的加速度前馈参数与速度前馈参数，对伺服系统的跟踪误差进行整定，补偿系统的动态滞后，从而提高控制器系统定位精度，实现机械手的稳定精确定位。

附图说明

图1为本发明控制器所控制的开关电源外壳生产装置的连接示意图。

图2为本发明嵌入式开关电源外壳生产装置控制器总体结构框图。

图3为本发明嵌入式开关电源外壳生产装置控制器主程序流程图。

图中，1主核心控制板、2从核心控制板、3电源转换模块、4传感器信息采集模块、5高速输入模块、6高速输出模块、7数字i/o口输出模块、8通讯接口模块、9工业触摸屏、10上层板、11下层板、12开关电源外壳生产装置；12.01落料冲压机、12.02第一传送带、12.03搬运原料机械手、12.04冲孔机、12.05攻丝工位机械手、12.06攻丝机、12.07传送带机械手、12.08第二传送带、12.09折弯工位机械手、12.10折弯冲压机、12.11铆钉工位机械手、12.12放铆钉装置、12.13铆钉冲压机、12.14搬运成品机械手、12.15成品收集箱。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明嵌入式开关电源外壳生产装置控制器(简称控制器，参见图2)用于控制开关电源外壳生产装置12，包括主核心控制板1、从核心控制板2、电源转换模块3、传感器信息采集模块4、高速输入模块5、高速输出模块6、数字i/o输出模块7、通讯接口模块8、工业触摸屏9、上层板10和下层板11；所述主核心控制板1与从核心控制板2之间通过spi通信协议进行信息交换，主核心控制板1的i/o口分别与通讯接口模块8、传感器信息采集模块4、高速输入模块5、电源转换模块3连接，其中主核心控制板1与通讯接口模块8进行双向通讯；所述电源转换模块3外端与外部直流24v开关电源连接，产生24v、5v、3.3v三种直流电源，分别给各个相应模块提供相应的电源，使得整个控制器能够正常供电；所述从核心控制板2的i/o口分别与高速输出模块6、数字i/o输出模块7连接；所述通讯接口模块8与工业触摸屏9连接，传感器信息采集模块4与开关电源外壳生产装置12上的相应传感器连接，用来采集各个工位的工作状态和故障状态；

所述高速输入模块5与开关电源外壳生产装置12上的驱动相应传送带运动的步进电机的编码器连接，采集编码器的高速反馈信号，快速传输到主核心控制板1，用于采集相应传送带的速度；所述高速输出模块6与开关电源外壳生产装置12上驱动相应传送带运动的步进电机和驱动相应机械手运动的伺服电机连接，受从核心控制板2的控制，采用前馈补偿pid控制方法，用来控制相应传送带的速度以及相应机械手运动的速度和位移；

所述数字i/o输出模块7与开关电源外壳生产装置12中驱动落料冲压机12.01、冲孔机12.04、攻丝机12.06、折弯冲压机12.10、放铆钉装置12.12和铆钉冲压机12.13启停的电磁阀连接，同时还与相应的机械手上控制气缸动作所对应的电磁阀进行连接，用于控制落料冲压机12.01、冲孔机12.04、攻丝机12.06、折弯冲压机12.10、放铆钉装置12.12、铆钉冲压机12.13的启停和相应的机械手上控制气缸动作所对应的电磁阀动作；

该控制器采用双层叠加结构，主核心控制板1、从核心控制板2、电源转换模块3、传感器信息采集模块4、高速输入模块5、高速输出模块6及通讯接口模块8通过底座和排针均与基板电连接，形成上层板10，上述各个功能模块均通过插拔的形式固定在基板上，增强了可插拔、可扩展性、可维护性等功能，有利于该控制器的重新组合设计和功能扩展；数字i/o输出模块7构成下层板11，数字i/o输出模块通过光电耦合器进行隔离，使得控制器的抗干扰性增强；上层板10与下层板11通过板间通讯接口和电源接口进行电连接。

本发明控制器的控制核心为主核心控制板1和从核心控制板2，主核心控制板1与电源转换模块3、传感器信息采集模块4、高速输入模块5、高速输出模块6及通讯接口模块8连接；主核心控制板1用来与工业触摸屏9之间进行通讯、并采集开关电源外壳生产装置12上的传感器信息及编码器反馈信号，把从工业触摸屏9得到的指令以及采集开关电源外壳生产装置12上的传感器信息及编码器反馈信号进行分析处理，最后把分析处理得到的结果通过spi通信协议传送到从核心控制板2，从核心控制板2与高速输出模块6和数字i/o输出模块7连接，主要负责响应主核心控制板1传送来的信息，通过前馈补偿pid控制方法控制驱动开关电源外壳生产装置12上的相应机械手运动伺服电机的精确定位，以及控制开关电源外壳生产装置12上各个工位的动作。合理利用主核心控制板1和从核心控制板2与各个功能模块电路板的连接，便于控制器的重新组合设计和对功能模块灵活扩展。

所述传感器信息采集模块4与开关电源外壳生产装置12中的相应传感器连接，并将采集的传感器传送给主核心控制板1。由于开关电源外壳生产装置控制系统复杂，现场工作环境恶劣，为了保证开关电源外壳生产装置12的正常工作，传感器信息采集模块4需要采集大量的传感器信号。在各个工位的放置开关电源外壳原料位置的旁边均安装接近开关，通过检测接近开关传感器的信号，进而检测各机械手送料是否到位，当送料到位，接近开关响应，发送到位信号给主核心控制板1，当送料不到位时，接近开关不响应，则主核心控制板1不执行下一动作，并发出报警信号；在各机械手吸盘上安装压力传感器，检测开关电源外壳原料是否掉料，当吸盘掉料时，压力传感器没有检测出压力信号，传送给主核心控制板1，使得各机械手停止搬运，并发出报警信号；在开关电源外壳生产装置12中的落料冲压机12.01、冲孔机12.04、攻丝机12.06、折弯冲压机12.10、放铆钉装置12.12、铆钉冲压机12.13的上限位置安装接近开关，检测是否满足各个工位的动作条件；在各机械手气缸上分别安装磁性开关，检测气缸是否伸缩到位等状态，上述状态或问题都需通过相应的传感器来采集信号，由控制器对传感器采集的信息进行信号处理，并作出判断，执行器动作。

本发明中所述主核心控制板1和从核心控制板2均选用stm32f407zgt6芯片，所述高速输入模块5和高速输出模块6均采用6n137高速光电耦合器，响应速度快；所述数字i/o输出模块7包括两个四路光电耦合器和8路达林顿管，每路达林顿管连接一路光电耦合器，达林顿管用于放大输出电流信号，光电耦合器用于光电隔离，提高抗干扰性能，所述光电耦合器的型号为tlp521-4，所述达林顿管为uln2803芯片；所述通讯接口模块8为rs485通讯接口，采用兼容3.3v逻辑电平的max485芯片，实现该控制器与工业触摸屏9之间的数据通讯，使得工业触摸屏9实现对开关电源外壳生产装置12的实时监控和管理。

本发明控制器的主程序流程(参见图3)是：正确地将电源转换模块的外端与外部直流24v电源连接，同时正确连接开关电源外壳生产装置的电源线路和控制线路后，按下电源开关，开始进入准备阶段，该控制器完成上电和程序初始化，判断是否自动运行，若是自动运行，则进行自动功能，判断是否检测有故障，若检测到有故障，则进行故障报警，并排除故障，在故障排除后，回到控制器程序初始化；若检测到没有故障，则执行各工位动作，同时相应的机械手运用前馈补偿pid控制方法将开关电源外壳搬运至各个工位，协调各工位动作，至结束；若判断不是自动运行，则进行手动功能，然后执行指定动作，至结束。

本发明嵌入式开关电源外壳生产装置控制器所要控制的开关电源外壳生产装置12包含有落料冲压机12.01、第一传送带12.02、搬运原料机械手12.03、冲孔机12.04、攻丝工位机械手12.05、攻丝机12.06、传送带机械手12.07、第二传送带12.08、折弯工位机械手12.09、折弯冲压机12.10、铆钉工位机械手12.11、放铆钉装置12.12、铆钉冲压机12.13、搬运成品机械手12.14及成品收集箱12.15，通过控制器实现生产过程高度自动化，控制各个工位之间由对应的各个机械手和传送带进行搬送，完成落料冲压工位、冲孔工位、攻丝工位、放铆钉工位、冲压铆钉工位、成品收集工位的工作。如图1所示，落料冲压机12.01进行落料冲压后，经第一传送带12.02和搬运原料机械手12.03将原料运至冲孔机12.04，进行冲孔；然后经攻丝工位机械手12.05搬运至攻丝机12.06，进行攻丝；攻丝后经传送带机械手12.07搬运至第二传送带12.08，再由折弯工位机械手12.09搬运至折弯冲压机12.10；经铆钉工位机械手12.11将待加工物料放到放铆钉装置12.12上，完成放铆钉工作；再通过铆钉工位机械手12.11将物料放置到铆钉冲压机12.13上，进行冲压铆钉的工作；最后经搬运成品机械手12.14将成品放于成品收集箱12.15内，收集成品。

控制器的具体工作过程是：

正常连接各电源线路和控制线路后，按下电源开关，进入准备阶段，该控制器完成上电和程序初始化，工业触摸屏完成初始化启动后，进行工作状态确定程序，按下自动开关，进入工作状态；

第一工序：当落料冲压机进行落料冲压后，当上限位传感器有信号时，经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，通过高速输出模块控制第一传送带的运动速度；

第二工序：经第一传送带搬运原料至指定位置，当该指定位置的接近开关有信号时，经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，通过前馈补偿pid控制方法经高速输出模块控制搬运原料机械手将原料精确搬运至冲孔机工位，当冲孔机上的接近开关有信号时，再经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，经数字i/o输出模块控制冲孔机执行冲孔动作；

第三工序：当冲孔机完成冲孔动作后，并当冲孔机上的上限位传感器有信号时，经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，通过前馈补偿pid控制方法经高速输出模块控制搬运至攻丝工位机械手将原料精确搬运至攻丝机工位，当攻丝机上的接近开关有信号时，再经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，经数字i/o输出模块控制攻丝机执行攻丝动作；

第四工序：当攻丝机完成攻丝动作后，并当攻丝机上的上限位传感器有信号时，经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，通过前馈补偿pid控制方法经高速输出模块控制搬运至传送带机械手将原料搬运至第二传送带，高速输入模块采集第二传送带上对应的编码器信号，检测第二传送带的搬运速度，主核心控制板判断该传送带搬运速度是否合理，若传送带搬运速度能在下一工位的机械手刚好空闲时将物料送至该机械手的抓取位置时，则认为合理，搬运速度不变；若速度过快，则从核心控制板减小向该传送带对应的步进电机发出的脉冲频率，若速度过慢，则从核心控制板增大向该传送带对应的步进电机发出的脉冲频率；经第二传送带搬运原料至指定位置，当该指定位置的接近开关有信号时，经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，通过前馈补偿pid控制方法经高速输出模块控制搬运至折弯工位机械手将原料精确搬运至折弯冲压机工位，当折弯冲压机上的接近开关有信号时，再经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，经数字i/o输出模块控制折弯冲压机执行折弯动作；

第五工序：当折弯冲压机完成折弯动作后，并当折弯冲压机上的上限位传感器有信号时，经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，通过前馈补偿pid控制方法经高速输出模块控制铆钉工位机械手将原料精确搬运至放铆钉装置工位，当放铆钉装置上的接近开关有信号时，再经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，经数字i/o输出模块控制控制铆钉工位机械手动作的气缸伸出到中限位位置，当中限位位置磁性开关有信号时，经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，经数字i/o输出模块控制放铆钉装置执行放铆钉动作；放铆钉动作结束后，当放铆钉装置接近开关有信号，经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，经数字i/o输出模块控制控制铆钉工位机械手动作的气缸伸出到左限位位置，当左限位位置磁性开关有信号时，经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，经数字i/o输出模块控制铆钉冲压机执行冲压铆钉动作；

第六工序：当铆钉冲压机完成冲压铆钉动作后，并当铆钉冲压机上的上限位传感器有信号时，经过传感器信息采集模块传送给主核心控制板，主核心控制板分析处理采集过来的信号，通过spi串行通讯协议传送给从核心控制板，从核心控制板得到处理后的信号，通过控制搬运成品机械手将成品搬运至成品收集箱。这时结束一次生产过程，按照上述工作步骤的顺序，循环运动。

本发明中所涉及的元器件均可通过商购获得，所涉及的前馈补偿pid控制方法为现有控制方法。

本发明未述及之处适用于现有技术。