宋秦中

摘 ?要：光盤庫(kù)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是光盤庫(kù)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)光盤庫(kù)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)使用STC12C5628AD系列單片機(jī)作為控制核心，采用L293及驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。按照設(shè)計(jì)的控制程序流程，進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盤、放盤等功能，快速性和穩(wěn)定性能夠滿足光盤庫(kù)機(jī)械手性能的要求，對(duì)提升國(guó)內(nèi)光盤庫(kù)的研究、應(yīng)用水平有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：光盤庫(kù)，機(jī)械手，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，電機(jī);

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

光盤庫(kù)是以光盤作為存儲(chǔ)載體的高可靠性的海量、安全機(jī)電一體化近線存儲(chǔ)設(shè)備，對(duì)海量光盤數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，其主要由機(jī)械手、光盤架和光驅(qū)（CD-ROM驅(qū)動(dòng)器）三部分組成。光盤庫(kù)廣泛地運(yùn)用于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份的重要方式，它利用機(jī)械手從機(jī)柜中選出一張光盤送到驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行讀寫。光盤庫(kù)可通過光纖通道或 SCSI 端口與服務(wù)器相連，光盤驅(qū)動(dòng)器則通過自身接口與主機(jī)交換數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶要訪問光盤庫(kù)時(shí)，首先，由機(jī)械手將驅(qū)動(dòng)器中的光盤取出并放置到光盤架上的指定位置，為光盤騰出位置，然后，再?gòu)墓獗P架中取出所需的光盤并送入驅(qū)動(dòng)器中。

關(guān)于光盤庫(kù)，國(guó)外進(jìn)行了大量的研究與應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先，但由于技術(shù)保密等因素限制，相關(guān)研究文獻(xiàn)很少，國(guó)內(nèi)從事光盤庫(kù)產(chǎn)業(yè)的公司主要有廣州影達(dá)影像設(shè)備有限公司、上海美佳達(dá)計(jì)算機(jī)工程有限責(zé)任公司、福特瑞斯（北京）科技有限公司、北京鴻瑞智達(dá)科技有限公司等，但國(guó)內(nèi)光盤庫(kù)的起步較晚，他們中大多是外國(guó)公司的國(guó)內(nèi)代理，即銷售國(guó)外光盤庫(kù)產(chǎn)品，而真正從事光盤庫(kù)研發(fā)的公司很少[1]。

除了光盤驅(qū)動(dòng)器以外，光盤自動(dòng)換盤機(jī)構(gòu)即機(jī)械手要保證安全、高速、準(zhǔn)確地將光盤片從庫(kù)中取出并送入空閑的指定光盤驅(qū)動(dòng)器中，是整個(gè)系統(tǒng)中關(guān)鍵的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。另外，光盤庫(kù)數(shù)據(jù)的平均訪問時(shí)間比磁帶和磁盤高很多，磁盤的平均尋道時(shí)間在毫秒級(jí)，顯然光盤庫(kù)的機(jī)械手已經(jīng)成為光盤庫(kù)系統(tǒng)的性能瓶頸[2][3]。因此，對(duì)光盤庫(kù)機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)具有較重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手將裝、卸盤片的功能設(shè)計(jì)在一起，在主控制電路設(shè)計(jì)上，將機(jī)械手控制、定位檢測(cè)部分和光盤驅(qū)動(dòng)器中的光頭控制部分結(jié)合在一起，由一片單片機(jī)控制。

1 ?機(jī)械手驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)械手的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約，它們之間的相互關(guān)系構(gòu)成機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制原理，如圖1所示。

控制系統(tǒng)使用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5628AD系列單片機(jī)作為控制核心，擴(kuò)展了必要的外圍電子元器件。主機(jī)通過TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，并和從機(jī)保持交換數(shù)據(jù)。接口板模式下根據(jù)上位機(jī)傳來的指令設(shè)置輸出，把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)。

1.1 ?電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。機(jī)械手各活動(dòng)部件采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)經(jīng)過功率放大，轉(zhuǎn)換后，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與停止，各個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的光盤庫(kù)機(jī)械手共需4個(gè)直流電機(jī)，每個(gè)電機(jī)上均配有變速箱。一個(gè)控制上下移動(dòng)的大電機(jī)額定電壓為9V，功率為2.4W;另三個(gè)小電機(jī)額定電壓也為9V，功率為1.1W，分別控制中間支點(diǎn)部分的旋轉(zhuǎn)、機(jī)械臂的伸縮和機(jī)械手抓放物體。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖2所示，采用L293及驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。L293將2個(gè)H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)[4][5][6]。H-橋電路的輸入量可以用來設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使能信號(hào)可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，每1個(gè)電機(jī)需要3個(gè)控制信號(hào)EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號(hào)，IN1、IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)，IN1、IN2分別為1，0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用一路PWM連接EN12引腳，通過調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.2 ?位置檢測(cè)。初始位置檢測(cè)利用主機(jī)的P2.2、P2.3、P2.5和P2.6使各部分碰到行程開關(guān)，即達(dá)到指定位置后斷開;INT0和INT1中斷來進(jìn)行位置檢測(cè);P1.1-P1.4引腳為電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出，最后通過P1.0-P1.3口對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否堵轉(zhuǎn)。

本設(shè)計(jì)限位行程開關(guān)安放在機(jī)械手的四個(gè)運(yùn)行方向上。限位行程開關(guān)在沒有觸碰時(shí)信號(hào)處于低電平狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手運(yùn)行時(shí)，觸碰到限位行程開關(guān)，信號(hào)處于高電平狀態(tài)。單片機(jī)采集到限位行程開關(guān)的高電平信號(hào)，發(fā)出指令，使機(jī)械手停止運(yùn)行，并進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。計(jì)數(shù)行程開關(guān)安裝在齒輪旁邊，計(jì)數(shù)行程開關(guān)在沒有觸碰時(shí)信號(hào)處于低電平狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)數(shù)行程開關(guān)被觸碰處于高電平狀態(tài)，齒輪每次觸碰，單片機(jī)記下一個(gè)高電平信號(hào)，因此只需記錄下行程開關(guān)的觸發(fā)次數(shù)即可知道電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，從而可控制手臂在垂直方向的位置。

2 ?控制系統(tǒng)調(diào)試

光盤的入庫(kù)及出庫(kù)是光盤庫(kù)自動(dòng)化管理的一個(gè)重要方面。光盤入庫(kù)和出庫(kù)不僅僅限于光盤的正確插入和抽取，還包括數(shù)據(jù)庫(kù)信息的同步更新，保證光盤庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的一致，從而準(zhǔn)確地返回客戶端請(qǐng)求。光盤正確入庫(kù)和出庫(kù)減輕了人工操作的負(fù)擔(dān)，保證了系統(tǒng)正常運(yùn)行，是光盤庫(kù)自動(dòng)化管理的重要組成部分。通過按鍵或者上位機(jī)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盤、放盤等功能，控制程序流程圖如圖3所示。

在某個(gè)Linux終端向機(jī)械手服務(wù)端循環(huán)發(fā)送取盤、放盤指令，使機(jī)械手滿負(fù)荷運(yùn)行。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)平均無故障時(shí)間大于30萬次，換盤時(shí)間最長(zhǎng)為7秒，具有運(yùn)行速度快、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，如表1所示。

另外，將光盤插入光盤庫(kù)后，請(qǐng)求光盤的內(nèi)容，機(jī)械手能正確地定位到光盤，并將請(qǐng)求的文件拷貝到本地光盤正確出庫(kù)，再次請(qǐng)求光盤內(nèi)容，提示光盤不在光盤庫(kù)中。

3 ?結(jié)語

本文對(duì)光盤庫(kù)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用STC12C5628AD作為控制核心，采用L293及驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。按照設(shè)計(jì)的控制程序流程進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盤、放盤等功能，快速性和穩(wěn)定性能夠滿足光盤庫(kù)機(jī)械手性能的要求。本項(xiàng)目是對(duì)光盤庫(kù)系統(tǒng)實(shí)際開發(fā)工作的一次嘗試，對(duì)提升國(guó)內(nèi)光盤庫(kù)的研究、應(yīng)用水平有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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（作者單位：蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 ?來稿日期：2015-06-17）