[六年级数学]视觉检测用X-Y直角坐标机器人设计.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文视觉检测用X-Y直角坐标机器人设计摘要随着社会越来越进步，工厂的设备也越来越现代化，流水线上经常会出现需要机械自动检测的场合，那么就非常需要配合视觉系统的机器人来实现这项工作。特别是在检测电路板是否缺失时，视觉检测X-Y 直角坐标机器人就非常必要的了。本次设计主要包括两个重要的部分。一是对X-Y小型直角坐标机器人机械结构的设计，具体包括伺服电机，滚珠丝杠和导轨的选择，实现了X-Y直角坐标机器人的直线控制和操作过程；第二部分是控制电路的设计；第三部分是对图像采集系统的设计，具体包括CCD摄像机和图像采集软件的设计，以及图像处理的方法和程序设计。其中检测是一种以MATLAB为主要工具的电路板元器件装配缺失的检测，可以根据CCD摄像机采集到的数字图像,然后经过 MATLAB 进行数字图像分析，从而实现对电路板的检测。从而为电路板元件是否缺失的自动检测提供了一种快速精确的方法。视觉检测X-Y直角坐标机器人能够根据其检测结果快速地显示图象，输出数据,发布指令，执行机构可以配合其完成位置调整，好坏筛选,数据统计等自动化流程。与人工视觉相比较,机器视觉的最大优点是精确，快速，可靠，以及信息数字化程度很高。关键词视觉检测；直接坐标机器人；MATLAB；伺服电机Visual Inspection Using X-Y Cartesian Coordinate RobotAbstractWith the process of the society, modern factory machinery also more and more modernized. There is often a occasion that needs the machinery automatic detection in the assembly line. Machine vision is to make the machine was part of eye and brain function, the geometry can be measured automatically, the printing quality of the appearance of defects and product identification, such as the quality of the work of identification. Machine vision systems are generally used in fully automated, reliable and efficient mass production of non-contact detection in the process of identification. Common vision systems typically include: light source, lens, CCD camera, frame grabbers, image processing software, monitors, communication / input and output units, such as. Linear motion modules from the multi-axis motion system called the Cartesian coordinate robots, various sports-axis Cartesian coordinate system usually corresponds to the X axis, Y axis. Cartesian coordinate robot mainly by a number of linear motion units, drive motor, control system and the end of the composition operator. As a result of the community on the visual detection and rectangular coordinates the increasing demand for robots, it is necessary to the design of visual inspection with X-Y Cartesian coordinate robot.The design includes three important parts. First, the small rectangular coordinates of the robot mechanical structure design, including servo motor, ball screw and guide the choice of the realization of the X-Y rectangular coordinates of the straight-line robot control and operation; second part is the control circuit design; third part of the image acquisition system design, including CCD cameras and image acquisition software design, and image processing methods and procedures of design. Detection of which is a MATLAB as the main tool for TFT-LCD screen display defect inspection, CCD cameras can be collected in accordance with the digital image, and then through MATLAB for Circuit wafer primary device assembly flaw. For Circuit wafer primary device assembly flaw of the automatic detection of defects provides a method of quickly and accurately.Visual inspection with X-Y Cartesian coordinate robot in accordance with its test results can be quickly displayed images, output data, issued an order, the executing agency can adjust the completion of its location, quality of screening data and other automated processes. Compared with the artificial vision, machine vision is the greatest advantage of accurate, fast, reliable, and high degree of digital information.Keywords: Visual Inspection; Cartesian coordinates robot; MATLAB; ServomotorIII目录摘要Abstract第1章 绪论1第2章 基于PC的控制系统22.1 微型计算机与数控技术22.2 开放式数控系统3第3章 X-Y直角坐标机器人结构设计53.1 滚珠丝杠副的选择53.2 线性导轨的选择93.3 本章小结10第4章 交流伺服电机与驱动器114.1 伺服电机与驱动器简介114.1.1 电机与驱动器型号124.1.2 主回路接线134.2 电机的选择144.3 本章小结16第5章 控制系统设计175.1 控制系统硬件电路175.1.1 PC机得接口技术及扩充插槽175.1.2 基于PC机得伺服电机控制卡的设计205.2 本章小结24第6章 电路板元器件的装配缺失缺陷的检测256.1 电路板元器件的装配缺失缺陷分类及成因256.2 电路板元器件的装配缺失缺陷检测系统的构成256.3 应用MATLAB 检测电路板元件缺失缺陷266.3.1 检测电路板元器件的装配缺失缺陷的原理和算法流程266.3.2 图像采集266.3.3 图像处理276.3.4 边缘检测286.4 本章小结30结论31致谢32参考文献33附录34第1章 绪论印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB），通常有称为印制电路板或印制板，自本世纪50年代后半期开始，一直是电路安装技术的主流。目前电路板主要采用人工方式进行在线检测和分析，而人工检测存在主观标准不一致，劳动强度大等缺点，导致工人无法长时间工作。随着技术的进步，印刷电路板生产线式的大批量生产使得单靠人工检测已经无法满足现代生产的需要。因此，迫切需要研究一种有效的电路板自动检测方法来代替人工检测，从而使在线检测工作客观化、规范化和智能化。本设计主要内容是设计小型精密X-Y直角坐标机器人的机械结构，用它来驱动CCD摄像机移动，检测电路板元器件缺失缺陷。主要针对在校学生对数控X-Y工作台的深入和全面的了解掌握，在硬件和软件上都作了全面的陈述。目的在于通过对X-Y工作台的构造和原理特点进一步加深学生对X-Y 工作台的理解，以至于更深的研究和开发。在硬件设计中，机械结构部分由于与其它设计环节联系不大而作为独立部分在最后一章中介绍。电路部分因为与软件设计联系较为紧密而与之一同介绍，并对电路特点和功能作简单的分析和研究。由于涉及较多数控知识，本文对其中许多基本原理及定义都作了较详细的解释。近年来，随着技术的更新换代，在激烈的市场竞争中，为保证产品质量和降低生产成本，PCB的生产商迫切需要一种能够代替熟练工人的自动化缺陷检测技术。众所周知，任何一种产品要投入市场竞争，其价格无疑是该产品能否进入广大应用领域，占领市场的重要因素。因此为提高成品率，降低价格，国外研究机构和生产厂商大力投入进行PCB元器件缺失检测的研究，研究出了许多检测的方法，开发了一些检测装置。本设计主要提出了一种以MATLAB为主要工具的PCB元器件缺失检测方案,该方案根据CCD摄像机（利用X-Y直角坐标机器人驱动CCD摄像机）采集到的数字图像,使用MATLAB作为数字图像分析工具实现对电路板上元器件缺失缺陷的检测。介绍了该方案的硬件组成和检测原理,给出了MATLAB算法流程和部分代码、详细的检测步骤及结果,为该缺陷的自动检测提供了一种快速有效的方法。第2章 基于PC的控制系统2.1 微型计算机与数控技术计算机技术是20世纪发展最快的技术之一，自1946年至1971年的四分之一世纪中，计算机从电子管、晶体管发展到大规模集成电路，走过了漫长的道路。人们的主要精力是用于研制大型高速计算机、大容量存储器、外部设备以及各种软件等，而直接用于生产过程控制的计算机较少。自1971 年至1984 年，微型计算机得到迅速发展，其系统性能已接近小型计算机，而成本却仅为小型计算机的几十分之一，特别是微型计算机（以下简称微型机）的体积小、功耗低、可靠性高和体系结构灵活的特点，引起了各方面工程设计人员的重视。微型机的大量推广应用，促进了它的进一步发展，为在数字控制系统中的应用，提供了良好条件。目前，微型机与数字控制技术已经密切结合在一起。计算机控制的发展和计算机本身的发展密不可分，计算机的每一次更新换代，都会促使计算机控制的进步。自从1946 年诞生世界上第一台电子计算机以来，无数的科研人员就设想将计算机用于系统控制，例如飞机、导弹系统等。但是，由于当时的计算机体积和功耗太大，可靠性差，稳定性也不尽人意，所以还不能用于控制系统。因此，当时的较长一段时间里，计算机主要还是用于科学计算和数据处理。计算机控制首先在工业过程控制领域获得成功。20 世纪50 年代中期，美国科技人员开始对化工过程控制的计算机控制系统进行了系统研究，并于1959 年3 月，成功地制造出了世界上第一个过程计算机控制系统-德克萨斯炼油计算机控制系统，美国这一开创性的工作，使得人们对计算机控制产生极大的兴趣，从此计算机控制系统的研究与开发进入正轨。早期的计算机是电子管计算机，20 世纪60 年代初，随着半导体技术的兴起，晶体管计算机取代了电子管计算机，计算机的可靠性和各个性能指标都得到了较大的提高，计算机控制系统开始采用直接数字控制(DDC)。但是，由于当时的计算机价格太贵，可靠性不能完全满足生产过程控制的要求，因此，计算机控制的推广受到很大限制。20 世纪60 年代后期，随着集成电路技术的产生与发展，出现了小型计算机，小型计算机的出现加快了数字控制系统的发展。但当时的小型计算机价格比较贵，只有对大规模的控制系统才可能采用计算机控制，对一般控制应用仍然是可望不可及的事。计算机控制的快速发展是在20 世纪70 年代初期，出现了微型计算机之后才开始的。随着大规模集成电路(LSI)技术的发展，微型计算机于1971 年问世，微型计算机的出现使得计算机控制进入了一个崭新的发展阶段。由于微型计算机具有运算速度快、可靠性高、价格低和体积小等特点，因此消除了长期阻碍数字控制系统发展的问题。20 世纪70 年代中期出现了集散控制系统(DCS)，成功地解决了传统集中控制系统整体可靠性差的矛盾，从而使得计算机控制系统得到大规模的推广应用。20世纪80年代以后，随着超大规模集成电路(VLSI)技术的高速发展，计算机朝着超小型化、软件固化和控制智能化方向发展，同时多传感器测量系统、执行机构等也越来越自动化、智能化。2.2 开放式数控系统近几年来，数控技术的又一个重要发展方向是数控系统的开放化。一方面，以往的数控系统由于其封闭性无法将计算机技术发展的最新成果运用于数控系统中，严重地阻碍了数控技术的发展。这种封闭式结构使数控系统的开发成本极高，开发周期很长，升级困难，可靠性、可扩展性、可维护性和易用性差，二次开发困难。为解决封闭式结构数控系统所存在的问题，近年来，西方一些发达国家相继提出开放式体系结构数控系统的开发，包括美国的NGC 和OMAC 计划、欧共体的OSACA 计划和日本的0SEC 计划等。我国数控系统的开发与生产，通过“七五”引进、消化、吸收，“八五”攻关和“九五”产业化，取得了很大的进展，具有自主版权的数控系统产业开始形成，而且在发展过程中，调整到以PC 机为硬件平台的发展路线上，并以此形成了DOS 和Windows 两种软件平台，开发出了若干个基本系统。然而就总体而论，仍处于开始阶段，虽然各个系统都向PC平台方向发展，但仍然存在一些问题。最大问题是开放性不够、开发环境和支持手段不足，用户进行二次开发困难。封闭式数控系统对用户来说只是一个被定义了输入和输出的黑匣子， 其内部细节是不可知的在原来的基础上很难或几乎不可能加入新的控制策略方案和扩展的新功能。为适应不断发展的现代技术需求，未来的CNC 必须能够被用户重新配置、修改、扩充和改装，并允许模块化地集成传感器，加工过程的监视与控制系统，而不必重新设置硬件和软件。要达到这一目的，最有效的途径就是实现开放性。当前，数控未来发展的趋势主要有以下几个方面：(1) 继续向开放式、基于PC 机的第六代方向发展基于PC 机所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统厂家会走上这条道路。至少采用PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题。PC 机所具有的友好的人机界面将普及到所有的数控系统，远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。日本、欧盟和美国等针对开放式CNC 正在进行前后台标准的研究。(2) 高速度、高精度、高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU 芯片、多功能CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速度、高精度、高效化已大大提高。(3) 工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀，旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。(4) 实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算机模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制和前馈控制等。(5) 网络化PC 机联网可进行远程控制和无人化操作。通过PC 机联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作和运行，不同机床的运行状况画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。(6) 数控自动编程系统的完善最初的数控程序是靠工程技术人员手工编制的，即手工编程。手工编程既繁琐又复杂，而且容易产生错误。对于比较复杂的零件，编程人员的计算工作量很大，编程时间长。某些复杂曲线的手工编程几乎是无法实现的。人们一直在寻求一种有效的编程方法以加快编程速度，提高编程效率和准确性，降低工艺人员的劳动强度。解决问题的方法就是自动编程技术。八十年代随着计算机图形学的发展，国外开始研制图形输入式的自动编程系统。这种系统彻底抛弃数控编程语言，采用人机对话的方式输入几何要素。也有采用图象识别和语音识别技术的自动编程技术，处于研究阶段。另外，CAD技术的发展使有些编程系统融汇到CAD/CAM系统中。第3章 X-Y直角坐标机器人结构设计本文所设计的X-Y 直角坐标机器人是用来驱动摄像机的，重要通过伺服电机带动滚珠丝杠把旋转运动转化成直线运动，导轨选择线性导轨。控制过程为：PC 机通过运动控制卡与伺服电机驱动器相连，控制伺服电机的运转；伺服电机直接通过联轴器与滚珠丝杠相联，通过滚珠丝杠和线性导轨把旋转运动转化为直线运动。本部分主要对机械系统结构部分最重要的两个部件滚珠丝杠和线性导轨进行计算与选择。3.1 滚珠丝杠副的选择滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。本文选用HIWIN公司的滚珠丝杠。滚珠丝杠包含丝杠、螺母、循环系统及钢珠。滚珠丝杠为工具机和IT、光电、半导体、医疗等精密设备上最常使用的传动元件，其主要功能为将旋转运动转换为线性运动，或将扭矩转换为轴向反复作用力；同时兼具高精度、可逆性和高效率的特色。HIWIN滚珠丝杠在使用上有很多的优点，高效率、可逆性、零背隙、高刚性，导程精度及其他多项优点。滚珠丝杠在丝杠与螺母之间加入了钢珠，将传统丝杠的滑动摩擦传动以钢珠滚动运动取代。以大大降低磨擦损耗，有助与维持高效率及高精度。下列为HIWIN滚珠丝杠的各项特性及优点：(1) 高效率及可逆性由于滚珠丝杠的丝杠轴及螺母均是点接触之滚动运动，所以其效率可高达90%以上。因此其传动扭矩仅只有传统丝杠的1/3。HIWIN滚珠丝杠在牙型表面以超精密加工，以降低珠槽与钢珠间的接触摩擦；又钢珠与珠槽间为点接触之滚动运动，有低摩擦力及高运转效率的优点。故可降低马达驱动力要求，进而降低成本。(2) 零背隙及高刚性CNC工具机、IT及半导体设计对于传动丝杠的要求为零背隙、最小弹性变形（高刚性）及高顺畅感。滚珠丝杠用施加预压力来达到CNC机台的重现性及全行程的高刚性。(3) 高导程精度HIWIN滚珠丝杠精度等级依据ISO，JIS及DIN标准制造亦可依据客户需求生产所须精度等级。采用精密雷射量测仪器来保证滚珠丝杠精度并随每支研磨级滚珠丝杠均附上导程精度表。(4)寿命预测不同于传统丝杠的寿命取决接触面之磨耗；HIWIN滚珠丝杠则取决于材料的疲劳破坏。为保证HIWIN滚珠丝杠在预期寿命的可靠度，不管设计、材质、热处理及制造等都采用最严格的专业考量。滚珠丝杠的预期寿命必须考虑设计品质及制造等各项的安全因子，但最主要以动负荷为依据。而影响动负荷的基本因素为牙型精度、材料特性及表面硬度。高品质的滚珠丝杠，必须达到在统计学上的B 级寿命（亦即90%的丝杠均达到所设计的寿命），有50%的滚珠丝杠寿命超过设计寿命值的24倍。(5) 低起动扭矩及顺畅度传统丝杠因为是金属与金属间的面接触，所以为克服起动摩擦力，则必须采以较高的起动扭力。然而滚珠丝杠是由钢珠滚动接触，只须很小的起动扭力即可克服摩擦力。HIWIN采用最佳的牙型设计系数（形状系数）及专业制造技术达成最佳真实牙型。而且HIWIN 使用牙型测量设备，来监测每一制造中的牙型。如此可确保符合设计之扭力范围。(6) 静音高品质的机械设备于快速进给及重负荷操作下，依然必须要求低噪音。HIWIN严格控制循环系统及牙型设计，组装技术，并严密检测表面精密加工及尺寸，以达到低噪音的目标。HIWIN 滚珠丝杠的应用范围包括了CNC 机械，精密工具机，产业机械，电子机械，输送机械，航空机械等等。以下为滚珠丝杠副的计算与选择过程：1) 滚珠丝杠精度等级的选择：选择精度等级为 2 级。2) 滚珠丝杠导程的选择：选用3) 最大行程：最大行程设为4) 平均轴向力、平均转速：平均轴向力和平均转速分别为5) 预压力P： (3-1)6) 动额定负荷的计算：选取设计寿命以公里计为：由行走距离转换成小时： (3-2)平均轴向负荷 (3-3)由小时转换成回转次数： (3-4)动额定计算负荷: (3-5)所以，从HIWIN滚珠丝杠的型号中，挑选FSV型式的螺母，其中公称直径为20mm，且珠圈数是B1设计即可符合要求。滚珠丝杠副型号：20-5B1公程外径：20mm导程：5mm节圆直径：20.8mm珠圈数：钢珠直径：3.175mm动负荷：8203N静负荷：16983N屈服负荷和临界转速之支撑方式：固定支撑7) 临界转速:丝杠根径: (3-6)轴承支撑间距： (3-7)最大容许负荷: (3-8)8)刚性：丝杠刚性：由于，所以 (3-9)螺母刚性： (3-10)滚珠丝杠总刚性： (3-11)9）热膨胀丝杠温升假定为丝杠总长度丝杠温升而产生之伸长量 (3-12)符合要求。10）预拉力 (3-13)以上是选择X向滚珠丝杠副的过程，Y向上的选择与此过程相仿，此处不再详说。3.2 线性导轨的选择线性导轨由滚珠在滑块与导轨体之间作无限滚动循环，负载平台能沿着导轨轻易地以高精度做线性运动。与传统的滑动导引相比，滚动导引的摩擦系数可降低至原来的1/50，由于起动的摩擦里大大减少，相对的较少无效运动发生，故能轻易达到m级进给及定位。再加上滑块与导轨间的束制单元设计，使得线性导轨可同时承受上下左右等各方向的负荷。本设计采用HIWIN 公司生产的线性导轨，其具有以下一些特点：(1)定位精度高使用线性导轨作为线性导引时，由于线性导轨的摩擦方式为滚动摩擦，不仅摩擦系数降低到滑动导引的1/50，动摩擦力与静摩擦力的差距也变得很小。因此当床台运行时，不会有打滑的现象发生，可达到m级的定位精度。(2)磨损少能长时间保持精度传统的滑动导引，无可避免的会因油膜逆流作用造成平台运动精度不良，且因运动时润滑不充分，导致运行轨道接触面的磨损,严重影响精度。而滚动导引的磨损非常小，故工作台能长时间维持精度。(3)适用高速运动且大幅降低工作台所需驱动马力由于线性导轨移动时摩擦力非常小，只需较小动力便能让床台运行，尤其是在床台的工作方式为经常性往返运动时，更能明显降低工作台电力损耗量。且因其摩擦产生的热较小，可适用于高速运行。(4)可同时承受上下左右方向的负荷由于线性导轨特殊的束制结构设计，可同时承受上、下、左、右方向的负荷，不像滑动导引在平行接触面方向可承受的侧向负荷较轻，易造成工作台运行精度不良。(5)组装容易并具互换性组装时只是铣削或研磨床台上导轨之装配面，并依建议之步骤将导轨体、滑块分别以特定扭力固定于工作台上，即能重现加工时的高精密度。传统的滑动导引，则须对运行轨道加以铲花，既费事又费时，且一旦机台精度不良，又必需再铲花一次。线性导轨具有互换性，可分别更换滑块或导轨甚至是线性导轨组，机台即可重新获得高精密度的导引。(6)润滑构造简单滑动导引若润滑不足，将会造成接触面金属直接摩擦损耗床台，而滑动导引要润滑充足并不容易，需要在床台适当的位置钻孔供油。线性导轨则已在滑块上装置油嘴，可直接以注油枪打入油脂，亦可换上专用油管接头连接供油油管，以自动供油机润滑。线性导轨与滚珠丝杠配合使用，线性导轨选择的型号为：HGW20HA，它的基本动额定负荷为：21.18KN，基本静额定负荷为：48.84KN。3.3 本章小结本章对机械结构部分的滚珠丝杠和线性导轨进行了选择。在简单介绍了HIWIN公司的滚珠丝杠和线性导轨及其特性的基础上，对其进行了计算与选择。在下一章将对执行部件伺服电机和伺服驱动器进行简单说明和选择。第4章 交流伺服电机与驱动器4.1 伺服电机与驱动器简介设计中的执行机构采用松下(Panasonic)生产的MINAS A4系列全数字交流伺服电机，电机自身带有驱动器。驱动器采用独特算法，使速度频率响应达到200HZ，具有半闭环控制功能，能够实现速度、转矩控制和位置控制。驱动器内藏频率解析技能(FFT)，可检测出机械的共振点，便于系统调整；有两种自动增益调整方式：常规自动增益调整和实时自动增益调整。伺服电机防护级达IP65，环境适应性强，内部带有2500p/r 三通道增量编码器。图4-1是电机和驱动器连线的示意图，具体如何连线在后面详细介绍。对此图作以下说明:图4-1 主回路连线图1驱动器上与电源相连的部分叫端子板:L1.L2.L3电源输入端RB1.RB2再生电阻外接端U.V.W电机接线端2信号连接器I/F:在对电机进行速度、转矩和位置控制时与上位控制器连接，同时还可以监测速度、转矩输出，特别是在位置控制时能够从此处获得反馈脉冲信号。3旋转编码器连接器CN SIG:电机采用增量式编码器(2500p/r )，速度控制时可以通过编码器获得当前速度，位置控制时也可以获得相对位置。4.1.1 电机与驱动器型号松下全数字交流伺服电机和驱动器有多种型号，电机有MINAS 4 系列和MINAS A4 系列，驱动器也有其对应的系列。电机型号不同，性能不同，带载能力也不同，驱动器也是如此。图4-2和图4-3分别是电机型号和驱动器型号。图4-2电机型号图图4-3驱动器型号图4.1.2 主回路接线电源与驱动器连线：交流伺服电机与电源的连接中间通过驱动器，根据电机的功率不同，电机可以接单相或三相电。根据图4-4 所示可以清楚的看到驱动器L1.L2.L3 与电源相连，U.V.W 与电机相连，我们用的是750W 以下的电机用单相电就可以了，这样驱动器端只接L1.L3，电机端只接U.V。图4-4端子板接线图至于CN SIG如何接线比较容易，这里不再详细介绍，只是注意用双绞屏蔽线以防止电压降落。CN I/F连线图如图4-5所示：图4-5CN I/F接线图4.2 电机的选择伺服电机的主参数是功率（kW）。但是，选择伺服电机却并不按功率，而是根据下列三个指标选择。（1）最大切削负荷转矩不得超过电机的额定转矩（2）电机的转子惯量应与负荷惯量匹配根据牛顿第二定理，进给系统所需的加速转矩等于系统转动惯量乘以电机的角加速度。角加速度影响系统的动态特性：角加速度越小，则计算机发出指令到伺服电机执行完毕之间的时间越长，也就是通常所说的反应慢。如果角加速度变化，则系统的反应忽快忽慢，影响加工精度。在加速转矩基本不变的条件下，如果希望角加速度变化小，则应该是惯量的变化尽量小些。惯量由两部分组成：伺服电机转子惯量和负载惯量。负载惯量为工作台、工件等直线运动件的质量，滚珠丝杠、联轴节、齿轮或带轮等旋转运动件的惯量折合到电机轴上的当量值。工作台上所装不同夹具和工件的质量是不同的。因此，负载惯量不是定值。如果希望惯量的变化率小些，则最好使负载惯量所占的比例小些。这就是“惯量匹配”。通常，应使转子惯量不小于最大负载惯量。但也不是越大越好。因转子惯量越大则总惯量也越大，在角加速度一定的条件下，要求电机的输出转矩也越大。这就将迫使设计者采用过大的伺服电机和伺服系统。匹配条件为最大负载惯量和转子惯量的比值在0.25到1之间。（3）快移时的加速性能以下是电机的计算与选择过程：按顺向切削（转换旋转运动为直线运动）时计算，假设工作台及其他部件的重量为W =147N，床台上导轨的摩擦系数为=0.02，机械效率为=0.9。轴向负荷 (4-1)旋转运动转化为直线运动时的转矩 (4-2)预压转矩 (4-3)轴承转矩 (4-4)A：等速运转时驱动转矩 (4-5)B：加速状况时的驱动转矩（1）电机的转动惯量拟选用电机型号为MHMD，由拟选用的电机型号可知直径D=14mm长度L 150mm (4-6)（2）滚珠丝杠的转动惯量 (4-7)（3）负载的转动惯量 (4-8)（4）总的转动惯量 (4-9)C：电机的总转矩加速时的驱动转矩，假设加速度为 (4-10)总的转矩为 (4-11)D：驱动马力设安全系数为2，最大的驱动转矩为 (4-12)最大安全的驱动力 (4-13)驱动力小于额定的输出功率400W，所以选用电机比较合适。选用的电机型号为MHMD04ZPIE，使用的适配驱动器型号为MBDDT2210。以上是选择X向电机的过程，Y向电机的选择与此相仿。4.3 本章小结本章首先简单介绍了松下全数字式交流伺服电机及驱动器的型号和硬件连线，在上一章选择了滚珠丝杠副和线性导轨的基础上对电机进行了计算与选择。在下一章将利用选择的电机设计控制卡和软件实现伺服电机的位置控制。第5章 控制系统设计5.1 控制系统硬件电路控制卡是基于PC机PC总线的交流伺服电机的上位控制单元，与PC机构成主从式控制结构。PC机主要完成人机交互界面的管理、控制系统的监测和控制工作；控制卡负责运动控制的细节。每块控制卡可以控制四轴伺服电机，每轴可以输出脉冲和方向信号，以控制电机的运转；同时可外接限位和报警信号；控制卡对外接信号自动检测并作出相应处理。本控制卡是开环控制多个伺服电机，系统运算量比闭环控制要少的多，才使得多轴联动控制的实现成为可能。控制卡是开发自动检测和控制系统的平台，软硬件的开放式设计可以很方便地用于采用伺服电机的控制系统中。其工作原理如下：控制软件接收操作者的控制信息，经PC机计算处理后的控制信号(如系统初始化、赋初始值、开始停止等)到控制卡电路的各个地址口，产生的方波脉冲和方向信号经锁存器输出给伺服电机驱动器，驱动器控制伺服电机动作，同时对驱动器电源过流报警信号和电机运动中的限位等输入信号进行处理。5.1.1 PC机得接口技术及扩充插槽5.1.1.1接口技术的定义接口技术是把由处理器等组成的基本系统与外部设备连接起来，从而实现计算机与外部通讯的一门技术，处理器通过总线与接口电路连接，而接口电路则连接外部设备。从一般意义上说，接口也是在两个电路或设备之间，能使双方动作协调配合的连接电路，因而接口电路不一定局限在处理器与外设之间，例如PC中的DMA接口就是控制存储器与外设（例如软盘、硬盘）之间数据传输的电路。随着大规模集成电路技术的发展，微型计算机的接口也被集成在单一的芯片上，大多数接口芯片可以通过编程方法设定其工作方式，以适应多种功能要求，这种接口芯片被称为可编程接口芯片，而有些接口芯片本身就具备专用处理器，能自动执行接口的固化程序，从而成为智能接口，因此，接口技术是一种硬件、软件结合的技术。可编程的接口芯片有许多种，其中以美国INTEL公司和MOTOROLA公司的产品最为常用，这些接口芯片大致分为两类：通用芯片和专用芯片。专用芯片主要用于专用外设预处理的连接，如MOTOROLA公司的CRT接口芯片MC6845等。通用芯片是指支持基本数据传送方式的几种芯片，如可编程并行接口芯片8255，串行接口芯片8250，DMA控制器8237等，这些都是INTEL公司的产品。5.1.1.2 接口的基本功能接口一般具备如下五种基本功能：(1) 信号电平的转换。外部设备大都是复杂的机电设备，有自己的电源系统，其电气信号往往不是TTL电平或CMOS电平，和系统总线的电气规范不一致。由接口完成交换信号的电平转换，有些接口还采用光电技术使主机与外部设备在电气上是隔离的。(2) 数据格式的转换。系统总线上传送的是8位或16位或32位的并行数据，而一些外设采用的是串行数据传送方式，这就要求接口能完成并串和串并的转换。即使是并行外设，其数据的位长和使用的代码格式也可能完全和主机使用的不同，而需要数据格式的转换。有的还需要D/A和A/D 转换。(3) 数据的寄存和缓冲。与CPU 工作速度相比，外部设备是低速的。为充分发挥CPU 的工作能力，接口内设置有数据寄存器或者用RAM芯片组成的数据缓冲区，从而成为数据交换的中转站，接口的数据保存能力在一定程度上缓解了基于外部设备速度差异造成的冲突，并为主机与外部设备的批量数据传输创造条件。(4) 对外设的控制与监测。接口接收CPU送来的命令字或控制信号、定时信号，实施对外部设备的控制与管理。外部设备的工作状况以状态字或应答信号及时返回给CPU，以“握手联络”过程来保证主机与外设输入/输出操作的同步。(5) 中断请求、DMA请求的产生。为了满足实时性要求和主机与外部设备并行工作的要求，有些外部设备以硬件中断形式请求主机为它服务。为此接口应具有中断请求的产生与屏蔽逻辑。对于可采用DMA方式传送数据的外部设备，其接口应具有DMA 请求的产生与屏蔽逻辑。当然，并不是所有的接口设备都具有上述的全部能力，但是，数据缓冲能力和输入/输出操作的同步能力是各种接口都应具备的基本能力。5.1.1.3 接口的基本结构根据接口的基本功能要求，实现数据传送的接口电路主要由控制命令逻辑电路、状态存储和设置电路、数据存储与缓冲电路三部分组成。其中控制命令逻辑电路一般由命令字寄存器和控制执行逻辑组成，这一部分是接口电路的“中央处理器”，用来完成全部接口电路操作的控制。状态设置和存储电路主要由一组数据寄存器构成，中央处理器和外设就是根据状态寄存器的内容进行协调动作的。数据存储与缓冲电路也是一组寄存器，用于暂存中央处理器和外设之间数据，完成速度匹配工作。一般的接口芯片的结构都是由上述三部分组成，但也有一些智能接口芯片的控制部分则纯粹由微处理器担当。5.1.1.4 IBM PC总线标准和扩充插槽PC机的系统总线用于连接I/O接插件，它以通道形式经过扩充和再驱动而连接到扩充插槽上，以实现与处理器之间的信息交换。外设与中央处理器之间的信息交换是通过分布在I/O通道上的总线信号实现的。总线信号共有62个，与扩充插槽引脚一一对应，所以扩充插槽的引脚也是62个。由于用户用于各种目的配接的接口插件均是和PC机的系统总线各信号打交道，因而必须对扩充插槽的各信号有比较清楚的了解，才能正确地配接接口卡。PC机的扩充插槽在系统板上，一般有5个或8个，在工控机上有更多，它实际上是系统总线的扩充和重新驱动，有时也称为I/O通道，IBM对该通道上的信号名称性质、方向及时序、引脚排列都做了明确的规定，它是62线的，用双列插槽引脚引接，分A面(相对于接口卡元件面)和B面，这种规定又称为IBM PC总线。引至扩充插槽上的信号线均是TTL逻辑电平，1至7个插槽同名信号引脚均相连，第8个插槽要求有选中信号，一般用于插入扩展箱的扩展器卡，扩充插槽还有+5V，-5V，+12V，-12四种电源引脚及地线，每个插槽信号负载能力是两个低功耗TTL门，IBM设计的每个标准的I/O卡均为一个负载。62芯PC总线的引脚排列如图5-1 所示。其主要信号的含义如下：(1) RESET 该信号为复位驱动信号，它是8284时钟发生器的RESET信号经过两级反向驱动后的输出，当系统加电初期，该信号为高，当所有电源电压达到规定幅度时，该信号变低。若电源电压降到规定幅度时，该信号将由低到高电平。它用于加电初期对接到总线上的电路和接口设备进行复位，使其恢复到加电开始时状态，在接口设计中常用此信号和主机同步进行0复位，该电平高有效，平时为低电平。(2) A0A19 是20位地址输出信号线，这些线又称为地址总线，用于对存储器进行读写和I/O读写时，提供地址。20位地址可寻址1兆存储空间，系统板上的ROM和RAM是不能通过系统总线寻址的。8088可寻址64K的I/O地址，故对I/O口寻址时，A16至A19地址不用，系统板上有000H-1FFH 共512个口地址，在扩充槽上可寻址200H-3FFH 共512个I/O设备口地址，即PC机用A0-A9来寻址I/O设备口地址。地址线中A19 是高位，A0 为低位，其高电平有效。(3) D0D7 是8条双向数据线，又称为8位数据总线。D0为低位，D7为高位，电位高表示1。存储器和设备通过这8条数据线交换数据，当写数据时，数据必须在-MEMW或-IOW信号结束前送到数据总线。在读数据时，被寻址的存储单元或I/O地址也必须在-MEMR或-IOR结束前将数据送到这8位的数据总线；在DMA操作时，由8237控制总线的数据传送。(4) ALE地址锁存允许信号，是一个输出信号，高电平有效。在它的后沿时刻，它将具有双重作用的地址/状态总线送来的数据作为地址进行锁存，在每个总线周期开始时出现。当DMA操作，ALE为低电平，无效。(5) -IOR I/O读信号，是由中央处理器发出的总线控制输入的一个信号，低电平有效。在DMA操作时，由DMA控制器发出。该信号命令被选中的I/O设备将要输入的数据送到系统数据总线，I/O口必须在该信号结束约30ns前将数据送到数据总线。(6) -IOW I/O写信号，是由中央处理器发出的总线控制输出的一个信号，低电平有效。在DMA操作时，由DMA控制器发出。该信号命令将数据总线上的数据进行接收，为了保证数据能可靠地写入到I/O口，I/O设备应当在-IOW信号结束前将数据取走。(7) IRQ2-IRQ7中断请求输入信号，这些信号由I/O设备发出，即由5个中断源发出，通知处理器要求中断服务。它们由8259中断控制器接收，按优先级排队，优者被最先服务，其过程时：如果对应请求的中断未被屏蔽，则在中断请求的上升沿又由8259向处理器发出中断请求，当处理器发出中断响应信号INTA后，便进入中断服务，中断请求信号发出后一直保持到INTA 信号的产生为止。5.1.2 基于PC机得伺服电机控制卡的设计电机工作在位置控制模式下接受的是数字信号，从驱动器侧加入一定频率一定数量的脉冲，电机将旋转一定角度，脉冲的频率决定电机的转速，脉冲的个数决定电机旋转的角度。其电路原理如图5-2所示。该控制系统能完成位置控制、速度控制、加减速控制和方向控制。位置控制通过控制脉冲个数实现；速度控制通过控制脉冲的频率实现；加减速则通过改变脉冲定时来实现；方向控制则可以通过改变方向控制信号来实现。图5-2 基于PC机控制插件电路板原理框图图5-3 地址译码电路地址译码电路：当对一个口进行操作时，我们必须确保对这一单元的选择，而不对其它接口产生影响。在输入输出时，系统共需要15个口地址，地址译码电路负责能把数据或信息正确的输出到选定的地址，或者从选定的地址读出数据，电路如图5-3所示。图中A0A1为低位译码，A5A9为高位译码，A2A4配合高位译码进行模块选择。数据缓冲及驱动电路：从PC及扩充插槽输出的数据信号，其驱动能力非常差，只能驱动两个集成块，而在系统中有许多电路需要应用某些信号。为了使系统中的多个集成电路及其它电子元件能够得到可靠的数据信号，系统中加入该模块，对PC机输出的数字信号进行加强，使其具有足够的能力驱动整个电路板。其电路原理图如图5-4所示。缓冲器及保护电路用74LS245 缓冲PC总线扩充槽与各器件间的8位数据信号。74LS245在起缓冲、隔离作用还有一定保护和控制作用。I/O端口读写信号-IOR、-IOW和74LS30的输出信号（即口地址译码信号产生的逻辑信号）接74LS245的门控信号。实现只有计算机与控制卡交换数据时，选通74LS245 的门控信号，使之三态门打开，否则74LS245处于高阻状态，这时端口不对数据线产生任何影响。同时，-IOR信号连接74LS245的DIR引脚，用来控制数据流通方向，即当读数据时，数据从B口读入A口；写数据时，数据从A口写入B口。图5-4 数据缓冲及驱动电路控制逻辑及时钟电路：系统控制逻辑是系统的控制核心，它根据主控PC机发出指令产生控制伺