引言

市面上對三軸龍門機構的機械臂需求越來越大，比如雕刻機、3D打印機都依賴于這類機械結構，對于這類三軸龍門機械臂主控系統(tǒng)的設計和選擇直接關系到機械臂控制效果和成本。現(xiàn)階段，對于這類三軸龍門機械臂主控系統(tǒng)，一般有兩種方式，一類單獨采用ARM或者DSP進行控制和路徑規(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苛的場景，后者是業(yè)界較為普遍的方法，通常采用ARM進行任務調度和通訊交互，F(xiàn)PGA則重點進行運動控制，這類設計對于主控的軟硬件設計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）對三軸龍門機械臂的主控系統(tǒng)進行方案分析。以提供一套龍門機構主控系統(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

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

圖1 主控系統(tǒng)架構框圖

其中主控制器內部采用CMC芯片進行設計，CMC芯片是寧波中控微電子有限公司研發(fā)設計的片上PLC芯片，內部集成了滿足IEC61131-3標準的邏輯控制功能，也集成了滿足PLC open標準的運動控制功能，提供了豐富的運動控制功能塊，也支持G代碼編程，實現(xiàn)機床控制。并內置了Mod Bus、CAN open協(xié)議棧，能夠快速適配多種人機交互設備和擴展設備。

軸控制部分，CMC芯片支持4軸3聯(lián)動的運動控制功能，可實現(xiàn)圓弧插補、空間直線插補、位插補等多種功能，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4MHz，能夠滿足大部分伺服電機和步進電機應用場景。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備。

人機交互部分，主要用于進行龍門機械臂的模式設置和參數(shù)配置，CMC內部集成了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方式即可實現(xiàn)通訊。同時CMC也提供了以太網接口，可通過組態(tài)開發(fā)軟件Conf Des直接對程序邏輯進行編程，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。

點位輸入輸出部分，主要提供了常用的點位控制功能，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、急停按鈕等的信號，CMC芯片引腳支持功能復用，最多可支持84個GPIO的輸入輸出。

I/O擴展部分，提供基于CAN open總線的點位擴展接口，可直接調用CAN open功能塊實現(xiàn)IO擴展要求，對于點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，可以通過擴展來實現(xiàn)更多功能。

2 主控系統(tǒng)硬件設計

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行開發(fā)，能夠有效降低主控電路的復雜程度，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芯片進行電路設計，芯片最高主頻可達200MHz，擁有2個UART串口，2路SPI接口、2路CAN接口，2路以太網接口，以及1路I2C接口，本系統(tǒng)采用MAX3232和SN65176進行RS232接口和RS485接口的擴展，并對信號進行了隔離操作，外接網口PHY芯片DP83848即可實現(xiàn)百兆以太網。為了滿足工業(yè)環(huán)境要求，電源采用獨立隔離電源模塊，對IO電路也進行了隔離設計，I/O的頻率可達到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10MHz。

圖3 主控系統(tǒng)硬件實物圖

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

3 主控系統(tǒng)軟件設計

不同于一般主控系統(tǒng)采用C語言和硬件描述語言進行開發(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，軟件設計的開發(fā)流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

其中Conf CMC主要面向設備開發(fā)商使用，在完成電路設計后，可以通過Conf CMC可視化的界面進行芯片引腳定義和擴展芯片的驅動配置，如圖5所示，在完成配置后，即可生成針對該款設計產品的設備描述文件。

圖5 Conf CMC配置界面

程序編程軟件Conf Des主要面向實際使用客戶，在導入產品設備描述文件后，即可根據(jù)客戶實際的要求進行邏輯程序的編寫，這部分程序編寫支持IEC61131-3標準編程語言，包括任務配置、運動控制功能塊調用等，其開發(fā)界面如下圖6所示。

圖6 Conf Des程序開發(fā)界面

對于三軸龍門機械臂，可采用兩種程序執(zhí)行方式，一種通過Conf Des進行編程，可通過HMI進行控制，也可以通過點位進行控制；另一種方式是通過其他上位機進行動作的編寫，CMC也提供了運動控制API接口，可允許用戶調用相關函數(shù)接口，實現(xiàn)更為豐富的軟件界面開發(fā)，提升用戶的使用體驗。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)，在軟件設計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，只需要基于當前的硬件設計，完成控制器設備描述文件的生成和導入，就能直接對龍門機械臂的功能邏輯進行編寫。

4 結論

基于CMC芯片的三軸龍門機械臂主控系統(tǒng)方案，提供了一整套從硬件設計到軟件功能實現(xiàn)的一站式開發(fā)平臺，該方案不僅擁有較高的運動控制性能，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。