基于arduino汽车专用芯片的全自动编程机器人

徐中林，范俊宇

（沧州师范学院，河北沧州，061001）

0 引言

在电喷发动机的电子节气门体和电子油门踏板中，一般采用传统的陶瓷基板电阻膜片和环氧树脂合成体的导电电阻作为角度和长度传感器。用来给发动机的ECU提供模拟电压信号作为开度或者形成行程指示，一遍合理搭配燃油配比，达到最理想的燃烧状态。这些传统的输出方式因为耐久性差和耐磨寿命短、易氧化等缺陷逐渐被新型的霍尔传感器代替，使用霍尔传感器的汽车部件因为其非接触工作方式和全密封的封装形式，不仅在耐磨、耐油，耐酸，抗腐蚀等方面远胜过传统电阻式传感器，其精度因为可编程的原因在调试和标定方面也大大优于传统的电阻式传感器。因此现有的汽车市场几乎全部采用了使用线性可编程的霍尔元件作为角度和长度传感器。

1 系统的工作原理和工作思路

以当前国内绝大部分厂商使用的电子节气门体为例，其节气门体开度角传感器芯片为麦来公司的可编程霍尔集成电路MLX90系列。例如MLX90316，90365等，作为一种绝对角度传感器，它只需要固定芯片的位置，将磁场旋转，在两个不同的磁极位置分别进行百分比数据标定，既可以计算出这个角度范围的相对电压值，然后计算出其他角度的相对电压，用作汽车电子机器门体的门板开启角度输出信号，对于元器件的数据标定和程序烧写则需要使用麦来公司提供的melexis programmable toolbox，以及麦来芯片专用芯片烧录器PTC-04。该种芯片具有两路霍尔元器件，SOIC-16封装，芯片价格和焊接成本较高，MLX90316BCS则是为中国客户定制的专用芯片，具有成本低，性能可靠，芯片由原来的16脚改做8脚，体积大大缩小，焊接也变得比MLXC90316等更加容易，因此在国内的汽车市场上被迅速推广，它是在原来的单路芯片基础上增加了一路镜像输出，因此在对第一路变成输出后，还要激活第二路镜像输出，并对第二路的输出做一个数据标定，以满足汽车ECU对冗余电压的检测。芯片的功能图请详见相关资料，在编程过程中则采用了多图界面，不同于前期使用的单图程序截图，如图1所示。

图1 程序截图

2 当前的工作状况与困境

在流水线的生产过程中，机械门体的安装过程均可以由机械手和符合工业2.0的自动控制装置自动组装，而在编程这个环节中仍然不能摆脱人工操作，产业工人不仅要求熟悉计算机操作，还要对于每一件产品的编程进行，在原来的芯片MLX90316生产中，操作工只要要动用鼠标进行是个动作的点击确认操作，而在90316BCS中则增加了如下步骤，当对第一路的芯片常规编程完毕后，点击EEPROM打开另外一个全新的页面，点击除了点击对应的功能键以外，还要必须使用在图表中out 2中输入100、-1在CLP 2中输入0、100然后再点击Program EEPROM,再次弹出第三个页面经系统询问后确认数据写入，弹出第四个页面，在确认写入成功，然后依次关闭所有页面。实际生产过程，每一件产品平均点击鼠标20次之多使用键盘填写表单4次。如图2所示。

图2

在实际生产过程中操作工人不仅要双眼紧盯电脑屏幕，同时还要在setpoint A，setpoint B，setpoint C这三个工作点位旋转的伺服电机来驱动门板的绝对位置，来标定指示不同角度的相对输出电压，由于连续工作时单一的动作和繁琐的操作，一线工人在连续超过半小时以后就会引发眼睛不适，操作错误率大大提高，从而引起产品报废。

麦来公司为中国客户提供了全套的自动化生产控制程序和解决方案，但是其昂贵的价格和服务也让国内很多中小型企业望而却步，只等采用廉价人工倒班方式生产，这也是该产品实现全自动化装配的一个壁垒，这个生产环节的多年来一直未能破解。

3 创造性的可行性方案思路

本产品意在使用电脑机器人来操纵这一切，只需要按下一个按钮，或者有生产线中的位置开关产生物料到位信号，自动编程机器人将按照内部设置的程序自行完成所有的编程动作，包括引动鼠标、左键点击确认，以及自动打开EEPROM子页面，自动完成对数据的填写，确认，关闭子页面等，并在需要的时候发出指令操控伺服电机产品自动旋转到指定的角度，去点击对应的按钮Die A ~B-- Set point 0~2写入预置数据，并且在完成数据写入后进行验证、关闭子页面，完成锁定等，本系统要求操作简单，接口电路简洁通用，方便融入生产线中，完全替代改产业链中的一线工人。并且保证编程写入的成功率100%。

本产品使用简易易学的Arduino系列作为编程执行机器人，利用它来控制鼠标和键盘以及节气门体门板位置驱动电路，设计思路如图3所示。

图3

4 机器人的开发与研制

■4.1 机器人的研发硬件需求

图中生产环节中的工业计算机，以及对应的烧写程序均由汽车门体生产厂家的生产线提供，所使用编程软件programmable toolbox，编程烧写的PTC-04等也根据原生产线标配的器材和线束插头重新设计。机器人核心控制芯片使用了具有键盘指令的Arduinoleonardo，Leonardo直接使用了ATmega32u4的USB通信功能拥有鼠标键盘的指令，但是在实际演示中，应用鼠标库mouse.h进行鼠标控制并不理想，连续定位有偏差，不符合工业生产要求使用了通讯稳定的com口的鼠标驱动芯片HT6513B作为模拟鼠标移动，这种方式属于硬件驱动，不受软件和操作系统影响，定位精度高。键盘指令则直接使用程序里的keyboard.h用来输入填表信息中的数据。其他的控制信号都有这个芯片提供，经过光耦tp521,继电器等作为隔离输入输出，分别接受提供上下级的电控信号。

■4.2 机器人的设计思路

鼠标驱动使用市场普及鼠标的滚球芯片HT6513B，驱动电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轴的AB相交电信号驱动芯片的对应管脚。该芯片将通过COM口链接计算机作为鼠标方向以及左键点击确认。另有Arduinoleonardo通过板上的USB输送到工业计算机，产生键盘字符。在相应的编程点位同时继电器输出信号来控制门板产生“完全闭合”，“自由状态”以及“完全打开”等三个机械位置，来标定对应的输出比，在编程完毕后机器人关掉所有子页面，回到主页面为下一个编程工件做准备，并输出一个下降沿电压信号使得生产线可以承接下一个产品或者进入测试验证环节。另外还需一路开关量输入信号作为启动全自动编程。

■4.3 机器人的电路设计编程

对于电路设计，机器人的外围电路比较简单，这里不再描述，对于编程细节，仅对关键环节做一个描述：

■4.4 机器人的制作与调试

机器人焊接组装后，编程开始信号由生产线的启动开关提供，编程完成后信号由K=15的下降沿向生产线中的PLC发出变成完毕指令，马达控制则并联在原生产线的电路控制中，整个生产线电路几乎没有做大改动，将鼠标com口连接到普通的PC计算机，arduino Leonardo提供的USB直接插入工控机的USB插座，重新启动后，识别鼠标芯片,启动编程软件，设置好参数，用工控机触摸屏将指针移动到编程工控电脑屏幕的左上角，以这个点作为原点位置，PLC或者启动按钮给出启动信号，全自动编程开始。反复操作，观察位置偏移和鼠标点击的位置，并观察对应的机器控制输出，K=15继电器将关闭锁定其他控制电路，避免误动作，首先观察鼠标箭头移动方向和点击动作， 分别调整对应的坐标参数，并观察马达是否在合适的编程位置正确的转动方向和位置。最后验证编程结果，是否符合生产要求。

图4

■4.5 产品实验效果预期

机器人经上电实验与模拟运行，其耗电量与发热均达到预期指标，将它用于实际生产中，工厂设计要求为连续24小时的不间断反复写入和编程后电压检测，误差在指定范围内，自动编程检测验证期间不得有人工矫正，并适应生产车间的电磁干扰，震动，噪音等环境。每个产品开始到结束时间不得超过30秒，并且预留控制接口配合生产线的其他工装，使该机器人成为全自动生产线上的一个无人值守环节。

■4.6 实习基地的使用效果测评

机器人控制器的实验场地为河北省沧州市电子节气门体生产线，选择实验产品为小康工业在用的电子节气门体SME03生产线 ，其核心芯片型号为MELEXIS-90316BCS。该芯片共有8脚，属于贴片SOIC8封装。其中的第5路作为镜像输出来提供第二路信号，作为ECU的冗余检测，将所制作的机器人使用USB和串口连接到我们所做的机器人上其所用的编程计算机上。启动信号由外接开关给定，并给生产线的PLC并联提供了三路输入型开关信号，用来对固定气缸和控制门板旋转角度的马达进行控制，在改装后的生产线上，操作工人只需要将未编写程序的电子节气门体放到工装上，连接它的专用插头，然后按下一个启动按钮，机器人接收到指令后，对鼠标芯片输出AB相脉冲，准确移动鼠标，点击对应的功能键，并在所需位置调整马达旋转方向到达指定位置。进行数据烧写，烧写完毕后自动打开第二个界面。在相应的表单中填入所需要的数据。然后将内容展示给操作工人观看1秒，完成后鼠标和键盘重置。继续下一个产品的烧写，整个过程使用了26秒。小于最快的操作工人操作时间，其优势在与稳定性和连续性，芯片在烧写完毕后立即进入验证环节，合格率高达100%，在此工况下，只需要一个工人就可以轻松的连续工作。机器人在连续工作一年来，累计编程门体数万件，未出现一例机器人操作失误一起的废品。在12V的供电下机器人的耗电量也不足200毫安,整体功耗小于3瓦。

5 结束语

相对于国外厂商提供的方案，这种方式可能在生产速度上稍逊与原厂的自动化设备，但是其低廉的成本和快速的布置能力以及兼容性大大优于国外，为中小型企业的自动化生产提供了新的思路和方案，该自动化编写方案可以针对其他所有未能破解的垄断程序，对于改公司的其他产品，如电子油门踏板，和可编程机油压力传感器等也可以使用，仅仅需要改变轨迹和少量代码，用这种方法可以使用简易机器人取代人工操作控制工业计算机的鼠标键盘，并同步操控其他的各种外部电气控制，在产业升级上实现以机器人取代人工的低成本思路和方法。