工业机器人示教器的维修探讨

党 举

（陕西重型汽车有限公司 西安）

一、示教器触摸屏的组成

工业机器人示教器主要用来操纵机器人各轴的运动，控制机器人的姿态、位置、运行速度，并记录示教点的信息，同时可实时显示机器人的反馈信息，使机器人操作者能够从复杂的编程计算中脱离出来，对于整个机器人系统的应用具有非常重要的作用。机器人示教器主要由触摸屏、触控电路、显示屏、TFT-LCD控制电路和总处理器等部分组成。

1.触摸屏

触摸屏的作用是用来检测用户的触摸位置坐标。被安装在显示屏前面，是与显示屏表面非常配合的透明复合薄膜。陕西重型汽车有限公司机器人示教器采用的触摸屏是4线式电阻触摸屏，结构为4层，见图1。距离显示屏最近的有机玻璃作为基层，上面是一层外表面经过硬化处理的塑料层。在基层上面和防刮塑料层的内表面各涂有一层铟锡氧化物的透明导电层，在两层导电层之间有很多细小的透明隔离点进行绝缘。这两个透明导电层也就是触摸屏的两个工作面，然后分别在两个工作面的两端各涂有一条银胶，也就是各个工作面的一对电极，即x、y电极对，用于施加电压，工作原理见图2。

2.触控电路

图1 触摸屏结构示意图

触控功能电路采用单片机C8051f020自身的触摸控制器，其功能一是及时完成电极电压的切换；二是采集触点处的电压值，采用逐次逼近的转换方式进行数模转化后将坐标信息送给主控电路进行处理。主处理电路C8051f020中触摸接口电路由缓冲器、比较器、D/A转换器等电子元件组成，见图3。

3.显示屏

图2 触摸工作原理图

显示屏采用TFT彩色液晶屏，主要由彩色滤光片、TFT基板即薄膜晶体管阵列和中间夹持的液晶层构成，结构示意见图4。彩色滤光片上覆盖着许多由三基色组成的透明薄膜滤光片，用以还原出正常颜色，中间的液晶层上排列着整体的液晶分子，当为其两侧由许多像素格子组成的的TFT的薄膜晶体管阵列板和公共电极间施加不同的电压，这时整体排列的液晶分子就会随施加电压的大小发生不同的角度偏转，调整背光源射入的光线穿透率，产生不同的灰阶显示，进而通过不同灰阶的颜色滤光片上的红绿蓝三基色进行混色就可以产生不同的色彩图像。

4.TFT-LCD控制电路

主处理器电路采用的单片机C8051f020，TFT控制器采用的是TFT6448，C8051f020采用总线的方式控制TFT6448液晶硬件接口（图5）。使用单片机C8051f020的P1，P2，P3口就可以实现，在系统加电前，由于C8051f020的典型工作电压也是3.3 V，TFT6448的工作电压5 V，对P1，P2，P3口相应端口的引脚配置成漏极输出方式。P1为外部中断输入线，将P3配置成为数据/地址输出口，输出地址时，P3为地址总线的低8位，P2口提供高位地址；输出数据时，P3为8位数据总线口。系统加电后，使得TFT6448的片选信号/cs有效，通过往TFT6448的相应行、列、控制、数据寄存器中写入数据，即可用C8051f020实现对TFT6448的控制，从而实现彩色液晶的显示控制。

5.总体软件设计功能的实现

图3 触摸屏硬件接口示意图

图4 液晶显示屏结构图

图5 系统硬件接口示意图

液晶显示屏根据外部触摸位置，由串口输出触摸位置坐标，将触摸坐标信号转化成对应的功能输出给TFT-LCD控制电路及其显示屏。示教器的触摸显示屏是将软件的功能显示按钮，例如工作状态、参数设置、历史查询、实时监控等功能显示等坐标位置范围提前算出，并放入1个开发程序的二维数组pagebuttons，表示其中每一行代表1个功能按钮的上下左右坐标。当触摸发生时，主处理器电路发生中断，将获得相应坐标信号经过主控制器传送给显示屏控制电路，进过转换的坐标信号将与开发软件的二维数组的每一行进行比较，获得对应的功能按钮，到达换页显示或是其他操作功能。每一个要实现的功能也可设置成开发软件的相应数组，当获得功能键后，液晶就会显示相应功能对应的页面，在此页面上可以对应不同的功能，同样也可以通过触摸实现其他的功能。同时，经过对坐标数据的处理，输出至数模转换器，得到模拟电压分别驱动机器人相应轴的马达，同时用串行方式将位置坐标输出给液晶显示屏，并通过液晶控制器显示相应的轨迹坐标值。

二、典型故障维修

陕西重型汽车有限公司车架厂机器人等离子切割机主要用于车架纵梁的切割，而控制机器人动作的触摸屏示教器是该设备的关键部件，针对不同的纵梁的进行切割位置的调整，同时进行机器人动作的启停与相关编程动作，一旦出现任何故障将会导致汽车纵梁切割作业无法进行，进而影响整个工业生产流程。

在机器人示教器的使用过程中，操作人员反映触摸屏示教器屏幕上面部分菜单出现无法触摸的故障现象，该故障导致示教无法调整机器人进行正常的切割作业。针对问题，我们根据故障现象进行分析、检查。该示教器的显示部分与触摸部分是分开的。因为示教器显示功能正常，所以先排除显示屏及其电路部分的故障。接着考虑触摸及其电路部分，引起触摸失效的原因：一是触摸屏部件的损坏；二是触摸接口电路与触摸屏之间的通讯问题；三是主处理器故障，四是程序软故障。为进一步判断找出原因，将紧固示教器盒的周边的螺丝松开后将面板打开，拆卸过程中请注意避免给示教器造成二次损坏。

印刷电路板上装有C8051f020微处理器芯片，它的内部含有程序存储器，缓冲寄存器、I/O端口、A/D转换器、比较器、定时器及4通道多路选择器等等，该芯片主要完成的工作内容：①完成显示和触摸任务的处理协调；②进行与机器人之间的数据的通讯处理；③通过内部集成的逐次逼近型ADC、比较器、缓冲器和时钟直接实现触摸功能。同时还有与微处理器芯片相连接的TFT控制器芯片TFT6448。再打开电路板的螺丝，下面就是显示触摸部分，显示屏与触摸板大小相同并且紧密相切，触摸屏通过4根导线直接连在电路板上，另外液晶显示屏也通过并行线连接在电路板上。

首先检查主处理芯片C8051f020外围线路接线，没有发现外围线路及其元器件存在短路或被击穿的痕迹，芯片各引脚也完好无损而且电路板与触摸显示屏之间的连线紧固没有发现接触不良，所以暂时排除元器件芯片故障及部件之间的通讯故障；考虑到触摸屏示教器屏幕上面部分菜单无法触摸，其他按键显示触摸正常，软件程序出现问题将会导致整个系统无法操作，而不会出现目前的故障状态。最后检查触摸屏，虽然电阻式触摸屏对外界完全隔离，不怕灰尘和水汽并且可以用任何物体触摸，但它的缺点是容易出现划伤，如果严重会导致整个触摸屏报废，根据其结构知道它的最外层只是塑胶材料制成的复合薄膜，薄膜下面就直接是工作层。外面的塑料层受损将会影响到工作层触摸位置的采集，经过细心观察如果将触摸屏在强光下倾斜能够观察表面外观存在轻微的刮痕，所以初步怀疑导致示教器的故障很有可能是触摸板引起的。于是根据现有触摸板型号重新购置并更换触摸板。给示教器通电等待系统启动，系统初始化完成后进入显示操作界面，逐个点击触摸菜单按钮，每个都起作用。再进一步调出机器人示教操纵功能，触摸操作时机器人手臂能够随着示教器输入而调整，机器人示教器功能恢复正常。

三、结语

虽然触摸屏种类较多，包括电容式、红外线式、超声波式触摸屏等，但这些只是取得信号方式的不同，信号后续处理工作都为上述工作过程。工控触摸屏在工业生产和人们的日常生活中应用广泛，难免因工作环境或人为操作造成故障损坏。希望通过分享故障维修经验，为行业设备维修人员对工控触摸屏的维修提供借鉴，节约企业的设备维修成本。