光盘库机械手的驱动控制系统的设计

    宋秦中

    摘 ?要:光盘库机械手驱动控制系统是光盘库系统的关键部件,对光盘库机械手驱动控制系统进行了设计与实现,控制系统使用STC12C5628AD系列单片机作为控制核心,采用L293及驱动电路实现对机械手电机的驱动控制。按照设计的控制程序流程,进行了驱动控制实验,实验结果表明本系统实现机械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盘、放盘等功能,快速性和稳定性能够满足光盘库机械手性能的要求,对提升国内光盘库的研究、应用水平有一定的现实意义。

    关键词:光盘库,机械手,驱动控制系统,电机;

    Abstract:Optical disk library manipulator driving control system is a key component of optical disk library system, the jukebox manipulator driving control system is designed and implemented, using STC12C5628AD Series MCU system as the control core, using L293 and the drive circuit to achieve control of the manipulator drive motor. According to control program flow design,through driving control experiment, the results show that the system realize the rise, manipulator, left, right, down, or gripper catch disc functions, speediness and stability can meet the performance requirements of optical disk library manipulator, has some practical significance to enhance the level of the domestic disc library research and application.

    Key words:Optical disk library; Manipulator; Drive control system; Motor

    引言

    光盘库是以光盘作为存储载体的高可靠性的海量、安全机电一体化近线存储设备,对海量光盘数据进行集中管理,其主要由机械手、光盘架和光驱(CD-ROM驱动器)三部分组成。光盘库广泛地运用于煤矿监控系统,作为数据存储和备份的重要方式,它利用机械手从机柜中选出一张光盘送到驱动器进行读写。光盘库可通过光纤通道或 SCSI 端口与服务器相连,光盘驱动器则通过自身接口与主机交换数据。当用户要访问光盘库时,首先,由机械手将驱动器中的光盘取出并放置到光盘架上的指定位置,为光盘腾出位置,然后,再从光盘架中取出所需的光盘并送入驱动器中。

    关于光盘库,国外进行了大量的研究与应用,技术相对领先,但由于技术保密等因素限制,相关研究文献很少,国内从事光盘库产业的公司主要有广州影达影像设备有限公司、上海美佳达计算机工程有限责任公司、福特瑞斯(北京)科技有限公司、北京鸿瑞智达科技有限公司等,但国内光盘库的起步较晚,他们中大多是外国公司的国内代理,即销售国外光盘库产品,而真正从事光盘库研发的公司很少[1]。

    除了光盘驱动器以外,光盘自动换盘机构即机械手要保证安全、高速、准确地将光盘片从库中取出并送入空闲的指定光盘驱动器中,是整个系统中关键的执行机构。另外,光盘库数据的平均访问时间比磁带和磁盘高很多,磁盘的平均寻道时间在毫秒级,显然光盘库的机械手已经成为光盘库系统的性能瓶颈[2][3]。因此,对光盘库机械手控制系统进行设计、开发具有较重要的现实意义,本文设计的机械手将装、卸盘片的功能设计在一起,在主控制电路设计上,将机械手控制、定位检测部分和光盘驱动器中的光头控制部分结合在一起,由一片单片机控制。

    1 ?机械手驱动控制系统设计

    要实现机械手所期望实现的功能,机械手的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约,它们之间的相互关系构成机械手控制系统的控制原理,如图1所示。

    

    控制系统使用宏晶科技生产的STC12C5628AD系列单片机作为控制核心,扩展了必要的外围电子元器件。主机通过TTL-RS232电平转换实现与上位机通信,并和从机保持交换数据。接口板模式下根据上位机传来的指令设置输出,把检测到的数据送到上位机。

    1.1 ?电机驱动控制。机械手各活动部件采用直流电机驱动,单片机发送的控制信号经过功率放大,转换后,控制直流电机转动与停止,各个电机的协调转动。设计的光盘库机械手共需4个直流电机,每个电机上均配有变速箱。一个控制上下移动的大电机额定电压为9V,功率为2.4W;另三个小电机额定电压也为9V,功率为1.1W,分别控制中间支点部分的旋转、机械臂的伸缩和机械手抓放物体。

    

    电机驱动控制电路如图2所示,采用L293及驱动电路实现对电机的驱动控制。L293将2个H-桥电路集成到1片芯片上,这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机[4][5][6]。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向,使能信号可以用于脉宽调整(PWM)。另外,每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2,其中EN12是使能信号,IN1、IN2为电机转动方向控制信号,IN1、IN2分别为1,0时,电机正转,反之,电机反转。选用一路PWM连接EN12引脚,通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。

    1.2 ?位置检测。初始位置检测利用主机的P2.2、P2.3、P2.5和P2.6使各部分碰到行程开关,即达到指定位置后断开;INT0和INT1中断来进行位置检测;P1.1-P1.4引脚为电机驱动输出,最后通过P1.0-P1.3口对电机电流进行检测,判断是否堵转。

    本设计限位行程开关安放在机械手的四个运行方向上。限位行程开关在没有触碰时信号处于低电平状态。当机械手运行时,触碰到限位行程开关,信号处于高电平状态。单片机采集到限位行程开关的高电平信号,发出指令,使机械手停止运行,并进行下一个动作。计数行程开关安装在齿轮旁边,计数行程开关在没有触碰时信号处于低电平状态。当电机转动时带动齿轮转动,计数行程开关被触碰处于高电平状态,齿轮每次触碰,单片机记下一个高电平信号,因此只需记录下行程开关的触发次数即可知道电机的转数,从而可控制手臂在垂直方向的位置。

    2 ?控制系统调试

    光盘的入库及出库是光盘库自动化管理的一个重要方面。光盘入库和出库不仅仅限于光盘的正确插入和抽取,还包括数据库信息的同步更新,保证光盘库和数据库内容的一致,从而准确地返回客户端请求。光盘正确入库和出库减轻了人工操作的负担,保证了系统正常运行,是光盘库自动化管理的重要组成部分。通过按键或者上位机远程控制,实现机械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盘、放盘等功能,控制程序流程图如图3所示。

    

    在某个Linux终端向机械手服务端循环发送取盘、放盘指令,使机械手满负荷运行。经测试,该系统平均无故障时间大于30万次,换盘时间最长为7秒,具有运行速度快、工作稳定等特点,如表1所示。

    

    另外,将光盘插入光盘库后,请求光盘的内容,机械手能正确地定位到光盘,并将请求的文件拷贝到本地光盘正确出库,再次请求光盘内容,提示光盘不在光盘库中。

    3 ?结语

    本文对光盘库机械手驱动控制系统进行了设计与实现,控制系统采用STC12C5628AD作为控制核心,采用L293及驱动电路实现对电机的驱动控制。按照设计的控制程序流程进行驱动控制实验,实验结果表明本系统实现机械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盘、放盘等功能,快速性和稳定性能够满足光盘库机械手性能的要求。本项目是对光盘库系统实际开发工作的一次尝试,对提升国内光盘库的研究、应用水平有一定的现实意义。

    参考文献:

    [1]马晓铭,马维华.光盘库嵌入式主控系统[J].计算机系统应用,2011,20(6):21~24.

    [2]刘炫.网络光盘库的应用性能研究[D].清华大学,2007:1~20.

    [3]张帆.基于 NAS的光盘库系统嵌入式控制器的设计与实现[D].华中科技大学,2004:1~30.

    [4]李荣学,游少华. 机械手单片机控制系统设计[J]. 制造业自动化,2013(6):46~51.

    [5]杨健, 朱瑞祥等. 基于单片机齿轮热模锻机械手控制系统设计[J]. 机械设计与制造,2012(7):182~184.

    [6]蔡改贫,廖强等. 全自动高效铝锭堆垛机械手控制系统研究[J]. 机械设计与制造,2013(2):187~189.

    (作者单位:苏州市职业大学机电工程学院 ?来稿日期:2015-06-17)