引言

市面上對三軸龍門機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂需求越來越大，比如雕刻機(jī)、3D打印機(jī)都依賴于這類機(jī)械結(jié)構(gòu)，對于這類三軸龍門機(jī)械臂主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇直接關(guān)系到機(jī)械臂控制效果和成本。現(xiàn)階段，對于這類三軸龍門機(jī)械臂主控系統(tǒng)，一般有兩種方式，一類單獨(dú)采用ARM或者DSP進(jìn)行控制和路徑規(guī)劃；另一類則采用ARM+FPGA的方式協(xié)同控制，其中前者一般只能適用于要求較低場合，無法滿足對控制信號的頻率和軸同步要求嚴(yán)苛的場景，后者是業(yè)界較為普遍的方法，通常采用ARM進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和通訊交互，F(xiàn)PGA則重點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動控制，這類設(shè)計(jì)對于主控的軟硬件設(shè)計(jì)均提出了較高的要求，對控制器的研發(fā)投入非常大。

本文將基于一款新型的控制芯片（CMC控制芯片）對三軸龍門機(jī)械臂的主控系統(tǒng)進(jìn)行方案分析。以提供一套龍門機(jī)構(gòu)主控系統(tǒng)快速搭建方案，能有效提升控制系統(tǒng)的開發(fā)效率，大大節(jié)省開發(fā)的周期。

1 主控系統(tǒng)總體架構(gòu)

本主控系統(tǒng)的總體架構(gòu)主要包括：基于CMC芯片的控制器、軸控制部分、人機(jī)交互部分、點(diǎn)位輸入輸出部分以及I/O擴(kuò)展部分。主控系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 主控系統(tǒng)架構(gòu)框圖

其中主控制器內(nèi)部采用CMC芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，CMC芯片是寧波中控微電子有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)的片上PLC芯片，內(nèi)部集成了滿足IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的邏輯控制功能，也集成了滿足PLC open標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動控制功能，提供了豐富的運(yùn)動控制功能塊，也支持G代碼編程，實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制。并內(nèi)置了Mod Bus、CAN open協(xié)議棧，能夠快速適配多種人機(jī)交互設(shè)備和擴(kuò)展設(shè)備。

軸控制部分，CMC芯片支持4軸3聯(lián)動的運(yùn)動控制功能，可實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)、空間直線插補(bǔ)、位插補(bǔ)等多種功能，并且支持每個軸編碼器的AB相信號檢測，最高脈沖頻率可達(dá)4MHz，能夠滿足大部分伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用場景。本方案提供4軸脈沖+方向輸出。另外也支持通過0-10V的模擬量輸出控制變頻器或其他設(shè)備。

人機(jī)交互部分，主要用于進(jìn)行龍門機(jī)械臂的模式設(shè)置和參數(shù)配置，CMC內(nèi)部集成了Mod Bus協(xié)議棧，所以可支持絕大多數(shù)的組態(tài)屏，通過Mod Bus RTU/TCP方式即可實(shí)現(xiàn)通訊。同時CMC也提供了以太網(wǎng)接口，可通過組態(tài)開發(fā)軟件Conf Des直接對程序邏輯進(jìn)行編程，軟件支持ST、梯形圖、SFC等語言，也增加了現(xiàn)場修改的靈活性。

點(diǎn)位輸入輸出部分，主要提供了常用的點(diǎn)位控制功能，能夠輸出報警信號、LED指示燈信號等，同時也能接收到限位開關(guān)、急停按鈕等的信號，CMC芯片引腳支持功能復(fù)用，最多可支持84個GPIO的輸入輸出。

I/O擴(kuò)展部分，提供基于CAN open總線的點(diǎn)位擴(kuò)展接口，可直接調(diào)用CAN open功能塊實(shí)現(xiàn)IO擴(kuò)展要求，對于點(diǎn)位控制要求較多的場合，如果一顆CMC芯片或者單個控制器無法滿足要求的時候，可以通過擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)更多功能。

2 主控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

有別于通常采用ARM+FPGA的主控方式，本方案采用一顆CMC芯片作為控制核心進(jìn)行開發(fā)，能夠有效降低主控電路的復(fù)雜程度，硬件電路的框圖如圖2所示。

圖2 主控系統(tǒng)硬件框圖

本方案采用CMC693PR144芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，芯片最高主頻可達(dá)200MHz，擁有2個UART串口，2路SPI接口、2路CAN接口，2路以太網(wǎng)接口，以及1路I2C接口，本系統(tǒng)采用MAX3232和SN65176進(jìn)行RS232接口和RS485接口的擴(kuò)展，并對信號進(jìn)行了隔離操作，外接網(wǎng)口PHY芯片DP83848即可實(shí)現(xiàn)百兆以太網(wǎng)。為了滿足工業(yè)環(huán)境要求，電源采用獨(dú)立隔離電源模塊，對IO電路也進(jìn)行了隔離設(shè)計(jì)，I/O的頻率可達(dá)到10KHz。

為了滿足大部分伺服系統(tǒng)差分脈沖輸入的要求，電路中需要增加單端轉(zhuǎn)差分的通用芯片，本系統(tǒng)采用AM26LS31芯片，可滿足系統(tǒng)4MHz輸出頻率要求。同時電路通過AM26LS32芯片，支持差分信號輸入，如編碼器正交差分信號等，系統(tǒng)最高輸入頻率可達(dá)10MHz。

圖3 主控系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

此外系統(tǒng)可通過I2C接口實(shí)現(xiàn)高精度ADC和DAC的擴(kuò)展。除此之外，系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了掉電檢測、掉電存儲電路，能夠在突然掉電的情況下，對關(guān)鍵數(shù)據(jù)做及時的保存。整體電路實(shí)物圖如圖3所示。從電路實(shí)物上可看到，整體硬件設(shè)計(jì)有了較大的簡化。跟一款相同功能的運(yùn)動控制器相比，器件數(shù)能減少26%，焊點(diǎn)數(shù)減少31%，代碼量可減少91%，對應(yīng)的人力投入也可減少91%。

3 主控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

不同于一般主控系統(tǒng)采用C語言和硬件描述語言進(jìn)行開發(fā)的方式，基于CMC芯片的控制系統(tǒng)提供了一種配置式的開發(fā)環(huán)境，大大簡化了控制器開發(fā)的難度。開發(fā)環(huán)境主要包含Conf CMC和Conf Des兩款軟件，Conf CMC是芯片配置軟件，Conf Des軟件是客戶程序編程軟件，軟件設(shè)計(jì)的開發(fā)流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

其中Conf CMC主要面向設(shè)備開發(fā)商使用，在完成電路設(shè)計(jì)后，可以通過Conf CMC可視化的界面進(jìn)行芯片引腳定義和擴(kuò)展芯片的驅(qū)動配置，如圖5所示，在完成配置后，即可生成針對該款設(shè)計(jì)產(chǎn)品的設(shè)備描述文件。

圖5 Conf CMC配置界面

程序編程軟件Conf Des主要面向?qū)嶋H使用客戶，在導(dǎo)入產(chǎn)品設(shè)備描述文件后，即可根據(jù)客戶實(shí)際的要求進(jìn)行邏輯程序的編寫，這部分程序編寫支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)編程語言，包括任務(wù)配置、運(yùn)動控制功能塊調(diào)用等，其開發(fā)界面如下圖6所示。

圖6 Conf Des程序開發(fā)界面

對于三軸龍門機(jī)械臂，可采用兩種程序執(zhí)行方式，一種通過Conf Des進(jìn)行編程，可通過HMI進(jìn)行控制，也可以通過點(diǎn)位進(jìn)行控制；另一種方式是通過其他上位機(jī)進(jìn)行動作的編寫，CMC也提供了運(yùn)動控制API接口，可允許用戶調(diào)用相關(guān)函數(shù)接口，實(shí)現(xiàn)更為豐富的軟件界面開發(fā)，提升用戶的使用體驗(yàn)。如表1所示，列出了部分API接口函數(shù)。

表1 API部分函數(shù)列表

基于CMC芯片的主控系統(tǒng)，在軟件設(shè)計(jì)方面幾乎省去了所有程序編寫的工作，做到了配置式的開發(fā)體驗(yàn)，只需要基于當(dāng)前的硬件設(shè)計(jì)，完成控制器設(shè)備描述文件的生成和導(dǎo)入，就能直接對龍門機(jī)械臂的功能邏輯進(jìn)行編寫。

4 結(jié)論

基于CMC芯片的三軸龍門機(jī)械臂主控系統(tǒng)方案，提供了一整套從硬件設(shè)計(jì)到軟件功能實(shí)現(xiàn)的一站式開發(fā)平臺，該方案不僅擁有較高的運(yùn)動控制性能，同時也極大地簡化了主控系統(tǒng)的開發(fā)流程，降低了開發(fā)門檻，是一種具有競爭力的新方案。