工業(yè)機(jī)器人示教器的維修探討

黨 舉

（陜西重型汽車有限公司 西安）

一、示教器觸摸屏的組成

工業(yè)機(jī)器人示教器主要用來操縱機(jī)器人各軸的運(yùn)動，控制機(jī)器人的姿態(tài)、位置、運(yùn)行速度，并記錄示教點(diǎn)的信息，同時可實(shí)時顯示機(jī)器人的反饋信息，使機(jī)器人操作者能夠從復(fù)雜的編程計(jì)算中脫離出來，對于整個機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用具有非常重要的作用。機(jī)器人示教器主要由觸摸屏、觸控電路、顯示屏、TFT-LCD控制電路和總處理器等部分組成。

1.觸摸屏

觸摸屏的作用是用來檢測用戶的觸摸位置坐標(biāo)。被安裝在顯示屏前面，是與顯示屏表面非常配合的透明復(fù)合薄膜。陜西重型汽車有限公司機(jī)器人示教器采用的觸摸屏是4線式電阻觸摸屏，結(jié)構(gòu)為4層，見圖1。距離顯示屏最近的有機(jī)玻璃作為基層，上面是一層外表面經(jīng)過硬化處理的塑料層。在基層上面和防刮塑料層的內(nèi)表面各涂有一層銦錫氧化物的透明導(dǎo)電層，在兩層導(dǎo)電層之間有很多細(xì)小的透明隔離點(diǎn)進(jìn)行絕緣。這兩個透明導(dǎo)電層也就是觸摸屏的兩個工作面，然后分別在兩個工作面的兩端各涂有一條銀膠，也就是各個工作面的一對電極，即x、y電極對，用于施加電壓，工作原理見圖2。

2.觸控電路

圖1 觸摸屏結(jié)構(gòu)示意圖

觸控功能電路采用單片機(jī)C8051f020自身的觸摸控制器，其功能一是及時完成電極電壓的切換；二是采集觸點(diǎn)處的電壓值，采用逐次逼近的轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化后將坐標(biāo)信息送給主控電路進(jìn)行處理。主處理電路C8051f020中觸摸接口電路由緩沖器、比較器、D/A轉(zhuǎn)換器等電子元件組成，見圖3。

3.顯示屏

圖2 觸摸工作原理圖

顯示屏采用TFT彩色液晶屏，主要由彩色濾光片、TFT基板即薄膜晶體管陣列和中間夾持的液晶層構(gòu)成，結(jié)構(gòu)示意見圖4。彩色濾光片上覆蓋著許多由三基色組成的透明薄膜濾光片，用以還原出正常顏色，中間的液晶層上排列著整體的液晶分子，當(dāng)為其兩側(cè)由許多像素格子組成的的TFT的薄膜晶體管陣列板和公共電極間施加不同的電壓，這時整體排列的液晶分子就會隨施加電壓的大小發(fā)生不同的角度偏轉(zhuǎn)，調(diào)整背光源射入的光線穿透率，產(chǎn)生不同的灰階顯示，進(jìn)而通過不同灰階的顏色濾光片上的紅綠藍(lán)三基色進(jìn)行混色就可以產(chǎn)生不同的色彩圖像。

4.TFT-LCD控制電路

主處理器電路采用的單片機(jī)C8051f020，TFT控制器采用的是TFT6448，C8051f020采用總線的方式控制TFT6448液晶硬件接口（圖5）。使用單片機(jī)C8051f020的P1，P2，P3口就可以實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)加電前，由于C8051f020的典型工作電壓也是3.3 V，TFT6448的工作電壓5 V，對P1，P2，P3口相應(yīng)端口的引腳配置成漏極輸出方式。P1為外部中斷輸入線，將P3配置成為數(shù)據(jù)/地址輸出口，輸出地址時，P3為地址總線的低8位，P2口提供高位地址；輸出數(shù)據(jù)時，P3為8位數(shù)據(jù)總線口。系統(tǒng)加電后，使得TFT6448的片選信號/cs有效，通過往TFT6448的相應(yīng)行、列、控制、數(shù)據(jù)寄存器中寫入數(shù)據(jù)，即可用C8051f020實(shí)現(xiàn)對TFT6448的控制，從而實(shí)現(xiàn)彩色液晶的顯示控制。

5.總體軟件設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)

圖3 觸摸屏硬件接口示意圖

圖4 液晶顯示屏結(jié)構(gòu)圖

圖5 系統(tǒng)硬件接口示意圖

液晶顯示屏根據(jù)外部觸摸位置，由串口輸出觸摸位置坐標(biāo)，將觸摸坐標(biāo)信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的功能輸出給TFT-LCD控制電路及其顯示屏。示教器的觸摸顯示屏是將軟件的功能顯示按鈕，例如工作狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、歷史查詢、實(shí)時監(jiān)控等功能顯示等坐標(biāo)位置范圍提前算出，并放入1個開發(fā)程序的二維數(shù)組pagebuttons，表示其中每一行代表1個功能按鈕的上下左右坐標(biāo)。當(dāng)觸摸發(fā)生時，主處理器電路發(fā)生中斷，將獲得相應(yīng)坐標(biāo)信號經(jīng)過主控制器傳送給顯示屏控制電路，進(jìn)過轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)信號將與開發(fā)軟件的二維數(shù)組的每一行進(jìn)行比較，獲得對應(yīng)的功能按鈕，到達(dá)換頁顯示或是其他操作功能。每一個要實(shí)現(xiàn)的功能也可設(shè)置成開發(fā)軟件的相應(yīng)數(shù)組，當(dāng)獲得功能鍵后，液晶就會顯示相應(yīng)功能對應(yīng)的頁面，在此頁面上可以對應(yīng)不同的功能，同樣也可以通過觸摸實(shí)現(xiàn)其他的功能。同時，經(jīng)過對坐標(biāo)數(shù)據(jù)的處理，輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，得到模擬電壓分別驅(qū)動機(jī)器人相應(yīng)軸的馬達(dá)，同時用串行方式將位置坐標(biāo)輸出給液晶顯示屏，并通過液晶控制器顯示相應(yīng)的軌跡坐標(biāo)值。

二、典型故障維修

陜西重型汽車有限公司車架廠機(jī)器人等離子切割機(jī)主要用于車架縱梁的切割，而控制機(jī)器人動作的觸摸屏示教器是該設(shè)備的關(guān)鍵部件，針對不同的縱梁的進(jìn)行切割位置的調(diào)整，同時進(jìn)行機(jī)器人動作的啟停與相關(guān)編程動作，一旦出現(xiàn)任何故障將會導(dǎo)致汽車縱梁切割作業(yè)無法進(jìn)行，進(jìn)而影響整個工業(yè)生產(chǎn)流程。

在機(jī)器人示教器的使用過程中，操作人員反映觸摸屏示教器屏幕上面部分菜單出現(xiàn)無法觸摸的故障現(xiàn)象，該故障導(dǎo)致示教無法調(diào)整機(jī)器人進(jìn)行正常的切割作業(yè)。針對問題，我們根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行分析、檢查。該示教器的顯示部分與觸摸部分是分開的。因?yàn)槭窘唐黠@示功能正常，所以先排除顯示屏及其電路部分的故障。接著考慮觸摸及其電路部分，引起觸摸失效的原因：一是觸摸屏部件的損壞；二是觸摸接口電路與觸摸屏之間的通訊問題；三是主處理器故障，四是程序軟故障。為進(jìn)一步判斷找出原因，將緊固示教器盒的周邊的螺絲松開后將面板打開，拆卸過程中請注意避免給示教器造成二次損壞。

印刷電路板上裝有C8051f020微處理器芯片，它的內(nèi)部含有程序存儲器，緩沖寄存器、I/O端口、A/D轉(zhuǎn)換器、比較器、定時器及4通道多路選擇器等等，該芯片主要完成的工作內(nèi)容：①完成顯示和觸摸任務(wù)的處理協(xié)調(diào)；②進(jìn)行與機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)的通訊處理；③通過內(nèi)部集成的逐次逼近型ADC、比較器、緩沖器和時鐘直接實(shí)現(xiàn)觸摸功能。同時還有與微處理器芯片相連接的TFT控制器芯片TFT6448。再打開電路板的螺絲，下面就是顯示觸摸部分，顯示屏與觸摸板大小相同并且緊密相切，觸摸屏通過4根導(dǎo)線直接連在電路板上，另外液晶顯示屏也通過并行線連接在電路板上。

首先檢查主處理芯片C8051f020外圍線路接線，沒有發(fā)現(xiàn)外圍線路及其元器件存在短路或被擊穿的痕跡，芯片各引腳也完好無損而且電路板與觸摸顯示屏之間的連線緊固沒有發(fā)現(xiàn)接觸不良，所以暫時排除元器件芯片故障及部件之間的通訊故障；考慮到觸摸屏示教器屏幕上面部分菜單無法觸摸，其他按鍵顯示觸摸正常，軟件程序出現(xiàn)問題將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法操作，而不會出現(xiàn)目前的故障狀態(tài)。最后檢查觸摸屏，雖然電阻式觸摸屏對外界完全隔離，不怕灰塵和水汽并且可以用任何物體觸摸，但它的缺點(diǎn)是容易出現(xiàn)劃傷，如果嚴(yán)重會導(dǎo)致整個觸摸屏報(bào)廢，根據(jù)其結(jié)構(gòu)知道它的最外層只是塑膠材料制成的復(fù)合薄膜，薄膜下面就直接是工作層。外面的塑料層受損將會影響到工作層觸摸位置的采集，經(jīng)過細(xì)心觀察如果將觸摸屏在強(qiáng)光下傾斜能夠觀察表面外觀存在輕微的刮痕，所以初步懷疑導(dǎo)致示教器的故障很有可能是觸摸板引起的。于是根據(jù)現(xiàn)有觸摸板型號重新購置并更換觸摸板。給示教器通電等待系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)初始化完成后進(jìn)入顯示操作界面，逐個點(diǎn)擊觸摸菜單按鈕，每個都起作用。再進(jìn)一步調(diào)出機(jī)器人示教操縱功能，觸摸操作時機(jī)器人手臂能夠隨著示教器輸入而調(diào)整，機(jī)器人示教器功能恢復(fù)正常。

三、結(jié)語

雖然觸摸屏種類較多，包括電容式、紅外線式、超聲波式觸摸屏等，但這些只是取得信號方式的不同，信號后續(xù)處理工作都為上述工作過程。工控觸摸屏在工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中應(yīng)用廣泛，難免因工作環(huán)境或人為操作造成故障損壞。希望通過分享故障維修經(jīng)驗(yàn)，為行業(yè)設(shè)備維修人員對工控觸摸屏的維修提供借鑒，節(jié)約企業(yè)的設(shè)備維修成本。