（控制理论与控制工程专业论文）多自由度切割机器人的控制系统设计与实现.pdf

哈尔滨工程火学硕士学位论文 ；i i i j ；i i i i i i i i i ；i ；i i ；i ；i i i 自i ；i i j ； i - - i ；i i i i 目i i ；i i i i ；i i i ；i ；i ；i i i i i i i ；i ；i i i ；i ； 摘要 本文以实际的工程项目为背景，完成了小直径开孔数控火焰切割 机和管端数控火焰切割机的控制系统设计，分别实现了在圆柱型耐压 壳体上开相贯圆孔，及管端相贯线的切割。 小直径开孔数控火焰切割机的控制系统是基于m c u 的嵌八式系 统，使用高性能单片机及外围扩展电路实现了对四自由度步进电机的 控制，该系统具有参数输入，显示，远控等功能。 管端数控火焰切割机的控制系统是基于p c 的开放式数控系统， 以工业控制计算机为通用的硬件平台，选择了基于i s a 总线的三轴运 动控制板，及输入输出板卡，完成了该数控系统硬件平台的设计。 本文详细论述了基于嵌入式的数控系统软硬件的设计和基于p c 的开放式控制系统硬件平台的设计。 经实际应用，本数控系统工作良好，能够满足用户的要求。 关键词：切割；数控；机器人 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h eb a c k g r o u n do fp r a c t i c a lp r o j e c t s ，t h ed e s i g n so ft h ec o n t r o l s y s t e mo ft h es i n a i lh o l e - c n cf l a m ei n c i s i o nm a c h i n ea n dt u b e e n dc n c i n c i s o r yr o b o ta r ec o m p l e t e d t h e ys e p a r a t e l ya c h i e v ec u t t i n gh o l e so n c o m p r e s s i o nr e s i s t a n c e sc o l u m ns h e l la n dc u t t i n gt h ee n d so ft h es t e e l t u b e s t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h es m a l lh o l e c n cf l a m ei n c i s i o nm a c h i n e i sb a s e do nm c u se m b e d d e ds y s t e m t h ea p p l i c a t i o no fh i g h p o w e r e d s i n g l e c h i pa n dp e r i p h e r a l l ye x t e n dc i r c u i ta c h i e v et h ec o n t r o lo ff o u r d o fs t e pm o t o r t h es y s t e mi sp r o v i d e dw i t ht h ef u n c t i o no fp a r a m e t e r i n p u t ，d i s p l a y , r e m o t ec o n t r o l ，a n ds oo n t h ec o n t r o ls y s t e mo ft u b e e n dc n cf l a m ei n c i s o r yr o b o ti sb a s e d o nt h eo n l i m i t sc n cs y s t e m t h ei n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ri su s e da s t h eu n i v e r s a lh a r d w a r ep l a t f o r m i tf o u n d so ni s ab u s st h r e ea x i s e s m o v e m e n tc o n t r o lb l o c k sa n di ob l o c k s w ea c h i e v et h ed e s i g no ft h e c n cc o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ep l a t f o r m t h ed e s i g n so ft h eh a r d w a r ep l a t f o r ma r ed e t a i l e d l yd i s c u s s e dt h a t a r eb a s e do nm c u se m b e d d e dc n cs y s t e ma n dp c so n l i m i t sc n c s y s t e mi nt h ep a p e r t h r o u g hp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mc a n w o r kw e l la n ds a r i s f yw i t ht h en e e d so ft h eu s e r s k e y w o r d ：i n c i s e ；c n c ；r o b o t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：2 0 0 5 年2 月1 4 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景及其意义 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业发生了根本性变革， 各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全 新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，具有高精 度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、 智能化起着举足轻重的作用。由于数控技术是关系到国家战略地位和 体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国 家制造业现代化程度的核心标志，因此，实现加工机床及生产过程数 控化，已经成为当今制造业的发展方向。机械制造的竞争，其实质是 数控的竞争。 在渤海造船厂和南京化工机械厂的生产工程中，潜艇壳体上开孔 和压力容器上开孔一直是难点问题。和其它船舶建造相同，船上的水 管，气管，电缆都是通过管道铺设的，因此在很多地方都需要开大小 不同，方向各异的圆孔、方孔或者其它不规则孔。由于潜艇建造的特 殊性，为了不影响潜艇的下潜深度，对切割、焊接的精度要求比较高， 人工手动切割满足不了技术要求。南京化工机械厂生产中遇到的问题 是要在压力容器上开各种投影为椭圆的正交孔、偏心孔，传统收割效 率很低，且无法满足后续的焊接要求。因此有必要设计一个多自由度 的数控开孔切割机来代替人工切割，而且在现在的数控技术水平下是 完全可能的。 在大连造船新厂的某型海洋平台建设工程中，存在一个亟待解决 的问题：搭建海洋平台的桩腿钢管的下料问题。海洋平台的桩腿结构 是由不同管径的钢管搭接而成。在加工中必须把钢管的管端切割成两 管相交、三管相交等相贯线形状。以往都是采用人工手动切割，这不 仅增加了劳动强度，延缓工程进度，更重耍的是难以保证切割精度并 进而影响焊接质量。随着数控技术的不断提高和完善，可以利用数控 哈尔滨工程大学硕士学位论文 技术和计算机技术，设计一种专用的管端切割设备来代替手工进行切 割。 以上述实际工程项目为背景，本文的主要工作是设计完成了两种 多自由度数控切割机器人，一种用于圆柱或者其它壳体的开孔问题， 另一种用于圆管的端头切割问题。两种机器人的机械工作原理基本类 似，在总体上采取机械部分与数控装置相分离的结构，机械部分负责 切割空间曲线的各自由度运动实现，数控装置部分负责对运动的控制 和协调。 对于在圆柱及压力容器上的歼孔问题，由于实际的潜艇壳体和椭 球壳体的直径太大，它的尺寸与标准的圆柱存在偏差，所以按照标准 圆柱计算出来的相贯线与实际存在较大偏差，超过了误差的允许范围， 因此在系统设计中需考虑壳体形状误差补偿。又由于切割机在恶劣现 场使用，为方便工人操作，因此要求我们设计的小开孔切割机器人必 须满足体积小，便于携带，有良好的人机交互界面，方便用户使用， 且具有较强的抗干扰性等特点。本文因此设计了基于嵌入式的数控系 统，完成了该切割机的软硬件设计，能够满足上述的设计要求。 对于圆管端头的切割问题，主要难点在于管的相交情况复杂，有 两管、三管甚至四管相交的情况，每两个管都有正交、斜交、偏心、 斜交偏心等可能性，每种相交情况都对应不同的数据生成方法。使用 嵌入式系统对于如此复杂的计算是不适合的，为便于工人操作，我们 设计了基于p c 的数控系统，方便工人选择各种圆管相交的切割程序。 该切割机在走出相贯曲线的同时，还要打出一定角度的坡口，由于钢 管为超高强度钢，设备在进行各种管径切割时的平稳性对切割面的质 量有很大影响，这些都是设计中需要考虑的。该切割机现已经成功应 用到生产过程中，提高了生产效率，完全满足工厂的切割技术要求。 1 2 数控切割机的发展现状 随着科学技术的发展，数控技术和微型计算机技术也迅猛发展， 数控机床、数控切割机等已被人熟悉和利用。1 9 5 2 年之后，数字控制 技术已经作为生产自动化的强有力手段得到了迅速推广，并且也引入 到庞大而繁杂的造船工业之中了。1 9 5 8 年，英国氧气公司首先试制成 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 功了世界上第一台数控切割机，并于1 9 6 1 年正式投入挪威斯托德造船 厂的造船生产使用中，随后不少造船工业发达国家相继开展了数控切 割机的研制热潮。到了六十年代中、后期，已有相当数量的数控切割 机投产使用。它们编程简单、操作方便、加工质量稳定，大大减轻了 劳动强度，降低了加工周期，增加了经济效益和社会效益，发展前景 广阔。 许多高科技应用于数控切割机】f l9 1 ，如高档微型计算机、可编程 控制器、计算机图象处理技术、c a d 、高精度数字伺服驱动技术、等 离子弧技术、激光技术、水射流技术及配套技术等等，使数控切割机 的技术性能、可靠性、有效利用率、维修性、方便性及适用范围得到 显著的提高，几乎可以切割所有金属材料和各种非金属材料。 数控切割机在造船工业中的应用是造船工艺的一项重大改革，是 实现船厂现代化改造的一个重要内容。国外船厂铜板下料中数控切割 所占比例一般达5 0 1 0 0 。我国江南船厂等单位全船构件的5 0 以上也是采用自动切割下料。 与传统手工切割和比例放样光电跟踪切割相比，数控切割具有下 述优点： 1 切割精度高 一般手工切割误差为3 5 m m ，比例放样光电跟踪切割为 2 5 r a m ( 1 ：i 光电跟踪切割精度与数控切割褶近，但只能切割中小零 件，且有效面积利用率低) ，而数控切割可达到0 5 m m 左右，这对保 证焊接质量和顺利装配都很有利。 2 自动化程度高 可通过穿孔纸带、磁带、软盘产生辅助功能，实现全自动操作， 降低了劳动强度，还可实现一台计算机对切割机及钢板流水线中的其 它一些机械的群控，节省了调整时间，也可省掉许多辅助时间。 3 切割速率高 在直线切割时可增加切割速度，曲线或圆弧时可适当降低速度并 能充分利用切割机的有效宽度进行多头切割，对两块或多块钢板进行 同形或对称切割。据统计，切割效率比光电跟踪切割提高1 5 ，管理 和装配费用可降低5 ，等离子切割机的发展和应用更使对薄板材的 切割速度增加了3 倍以上。 4 钢板利用率好 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数控切割机除了能直接将钢板切割成所需形状的零件外，还能进 行划线和套料，特别是自动编程套料系统的开发应用，能自动生成多 种套料方案。使用户选用利用率最高的方案，钢板利用率可高达8 0 以上，还能提供钢板割缝长度等工艺参数，为工厂定额管理提供了可 靠的基础数据。 5 适用范围广、经济效益好 近年来等离子弧切割机，水射流切割机的研制成功和应用，使数 控切割机的应用范围得到明显扩大，不但可以切割较厚或很薄的钢板， 也可切割较厚和很薄的合金钢、铝板及各种非金属板材，用数控切割 代替部分机械加工，部分锻件及铸造件，不但加工工艺简化，而且耗 能少，加工周期短，经济效益十分明显。 综上所述，数控切割具有强大的生命力，越发受到人们的重视， 在技术性能、适用范围、配套技术及产品品种等方面得到迅速发展。 1 3 数控技术发展概况 现代数控技术集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与 现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压 气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和 运用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。 数控技术的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方 式带来深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技 术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，c a d c a m 、 f m s 、c i m s 等技术都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先 进制造技术就成了无本之木：数控技术是国防现代化的重要战略物质 和商业贸易的重要构成，工业发达国家把数控机床视为具有高技术附 加值、高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。日本由于数控 技术高度发展使其制造业迅速崛起，美国要挽回其失去的地位，欧洲 要适应市场竞争的需求，从而以数控技术为主要标志的现代制造技术 成了美国、日本和欧洲等工业国家竞争的焦点。由于数控产业的企业 行为，而在某种程度上体现了政府意志，其发展快慢有赖于政府的支 持。中国政府也已充分意识到发展数控技术的重要性，正积极采取各 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i ；i i ；i i ；i ；i i i ；i ；i 种有效措施大力发展中国的数控产业，把发展数控技术作为振兴机械 工业的重中之重。近几年来，我国机床行业发奋图强，埋头苦干，已 向航天工业、造船业、大型发电设备制造、冶金设备制造、机车车辆 制造等重要用户提供了一批高质量的数控机床和柔性制造单元 ( m f c ) 。北京第一机床厂研制成功的五坐标数控螺旋桨铣床，用于加 工直径6 m 的1 0 万吨级远洋轮用的螺旋桨叶面；武汉重型机床厂为加 工3 0 万千瓦水轮发电机组提供了最大加工直径1 6 m 加工精度0 0 2 r a m 的数控立车等f i ”。 从结构体系发展方向上看，数控技术的发展有4 个显著特点： 1 模块化、专门化与个性化 为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数 控功能专门化，使得机床性能价格比显著提高。硬件模块化易于实现 数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如 c p u 、存储器、位置伺服、p l c 、输入输出接口、通讯等模块，做成 标准化、系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减， 构成不同档次的数控系统。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。 2 智能化 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面： ( 1 ) 自适应控制技术。数控系统能检测过程中的一些重要信息，并 自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 ( 2 ) 专家系统。将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律与特殊 规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专 家系统。当前已开发出模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网络 电火花加工数控系统。 ( 3 1 故障诊断系统。如智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维 修等。 ( 4 ) 智能化数字伺服驱动装置。可咀通过自动识别负载而自动调整 参数，使驱动系统获得最佳的运行。如前馈控制，电机参数的自适应 运算，自动识别负载自动选定模型，自整定等。 3 网络化和集成化 数控机床向网络化和集成化系统发展的趋势是：从数控单机、加 工中心和数控复合加工机床向分布式网络集成制造系统的方向发展； 另一方面向注重应用性和经济性方向发展。网络化和集成化技术是制 啥尔滨工程大学硕士学位论文 造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发 展的主流趋势。 4 开放化 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构， 便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度 的数控系统。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式， 易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、c a d c a m 、 伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等 高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集 成化、智能化、网络化。基于p c 的第六代方向发展具有开放性、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。采用p c 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程和 联网通信等问题。由原有的系统承担数控的任务，p c 机所具有钓友好 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的c n c ，正在进行前后台 标准的研究。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章机械主体结构设计 数控系统在总体上普遍采用二分式的结构：机械部分和数控装置 部分。机械部分负责切割空间曲线各自由度运动实现，数控装置则负 责对各个运动进行控制以及它们之间相互协调配合，以实现预定轨迹 的跟踪运动。 针对开孔和管端切割，我们设计了两种不同的机械：小直径开孔 切割机和管端切割机。小直径开i l 切割机用于在圆柱或者其他形状的 壳体上开小直径的圆孔。管端切割机用于圆管端头的切割。下面分别 对小直径开孔切割机和管端切割机的机械结构作简单的介绍。 2 1 小开子l 切割机的机械设计 目前，数控切割机的机械结构形式主要有机械手式、悬臂式和龙 门式等几种。 机械手式的结构由于各个运动相互关联性较强，容易产生不稳定， 不易采用。 悬臂式整体尺寸和体积小，适用于跨距和运动轨迹小的场合。因 为要解决的实际问题是在潜艇上开直口孔并打坡口，所以我们最初的 机械设计采用的是单立杆支撑，悬臂式结构。如图2 1 所示，由于半 径机构和枪摆机构位于转臂上，转臂可在悬臂上伸缩运动，但由于悬 臂及转臂位于升降杆一侧，在悬储一侧产生很大的负载转矩，此种设 计经实际调试发现，具有较大弹性，刚度方面不能满足要求，造成较 大的机械误差，机械调整很难达到精度要求 哈尔滨工程大学硕士学位论文 升降电机 图2 1 悬臂式机械结构设计示意圈 龙门式大致有两种形式：一种是机械立于加工体上，加工体尺寸 相对机械尺寸较大，加工体不转动；另一种是机械不但要跨越被加工 体，还要被加工体转动，这种情况下不但机械的尺寸比较大，而且被 加工体多为大型壳体，体积大，重量大，很难旋转，不易采用。 因此，在改进的机械设计中，采用了龙门式的第一种结构，机械 有四条可调整桩腿，运动机构安装在一个可调整的平台上，升降杆上 装有旋转机构，半径机构，枪摆机构，机械底座装有四个磁力座，可 以吸附于潜艇壳体上。这种结构的优点是便于装卸，克服了机械弹性， 该切割机横跨于待开孔位置，底部吸附于潜艇壳体上，易于调整。如 图2 2 所示。 在机械设计过程中，各个运动机构的分配遵循以下原则：各个运 动的独立性强；运动之间的耦合性弱；各轴可以进行独立的控制。在 圆柱壳体上加工小直径圆孔时，根据提出的技术要求，需要设计四个 自由度的机构，x 轴，y 轴，z 轴以及角度摆动机构。 由于该切割机器人是一个专用的切割设备，经过对控制对象的分 析并遵循前述的原则，可将机械部分分成四个部分：旋转部分、垂直 升降部分、半径调整部分和枪摆部分。将工件坐标转化为圆柱坐标， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在机械上我们将x 轴和y 轴的配合运动合成为水平方向的旋转运动， 这样更容易保证水平投影方向的圆度。从而对设备的运动控制要求就 是实现水平旋转机构、垂宜升降机构、半径调整机构和角度摆动机构 的配合运动。 半径电机 图2 2 龙门式机械结构示意图 悬臂式和龙门式两种机械的差别在于，悬臂式只有一个立杆，立 杆上端伸出横梁，旋转机构位于横梁的最远端。而龙门式则有四个立 杆支撑，悬臂式的升降机构位于立杆上，龙门式的升降机构位于旋转 轴上。 下面以龙门式开孑l 切割机的机械主体结构为依据，简要介绍四个 工作自由度的情况。 9 暗尔滨工程大学硕士学位论文 1 水平旋转机构 水平旋转机构是通过步迸电机带动减速机( 减速比为l ：6 0 ) 来 控制转臂的旋转。半径调整机构和角度摆动机构均安装在转臂上。转 臂的旋转控制某方向上投影圆的形状。 2 垂直升降机构 如图2 2 所示，安装在可调整的水平支架上的电机带动涡轮蜗杆 减速机( 减速比为1 ：4 0 ) ，减速机的输出轴与小齿轮( m = 2 ，z = 1 8 ) 键 联接，齿轮带动齿条运动，直线滑轨在齿条另- - n 起到导向作用。 3 半径调整机构 半径机构安装在转臂上，也采用齿轮齿条配合运动，电机带动行 星减速机( 减速比1 ：2 0 ) ，减速机与小齿轮( m = 1 5 ，z = 2 0 ) 键联接， 齿轮带动齿条运动，从而使枪摆机构在齿条上来回运动。 4 枪摆机构 为了安装和焊接的需要，必须在圆孔切割后打出一定角度的坡口， 而且枪摆角度必须随着圆周位置的不同而作相应的变化。步进电机与 减速比为1 ：2 0 的行星减速机相连，减速机的输出轴用钢带连接割枪 转块，这一结构有效避免了机械间隙对坡1 ：3 角度的影响。 水平旋转机构保证切割曲线水平投影的形状要求；垂直升降机构 则保证切割过程中空间曲线对于垂直方向的变化要求；枪摆机构可以 满足角度变化的要求；半径调整机构可以用来调整加工孔径或者管径 的变化要求。垂直升降机构，半径调整机构，枪摆机构的联合运动保 证在坡口切割中，割枪末端始终运动到期望位置。 除此之外，切割机器人的安装调整也是机械结构的一部分，下面 作一下简单的介绍。 切割机器人的底座装有四个磁力座，将切割机放在被切壳体上后， 经过对心调整，打开磁力开关，切割机器人便可以固定在壳体上，松 开磁力开关，便可以将机器拿走。该机器人的安装、拆卸十分方便， 其调整也很简单。 切割机的调整支架上装有一丝杠，通过手动调整丝杠，改变了水 平支架的角度，即调整了切割机器人的旋转轴与被加工工件的角度。 通过调整支架上的四个螺钉，可以手动调节旋转中心对准被加工工件 的中心点。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 管端切割机的机械主体结构设计 目前，工业现场中使用的管端切割机大体有以下几种： 1 磁力小车式 磁力小车是一种能在管道上爬行来完成管端切割的机器人。小车 上装有其它自由度的运动机构，能可靠地吸附于管道上，管子无需转 动，不须调心，结构简单，体积小。但此类切割机器人必须有运动轨 道，如直接在管子上爬行，旋转一周将不能回到初始切割位置。针对 不同直径的圆管，轨道长度不同，设计通用的轨道比较困难，而且伸 出杆较长，弹性变形大，影响切割精度，因此没有采用。 2 车床式 一般采用三爪卡盘箍紧钢管，但是体积过大，成本太高，设计周 期长，而且我们没有开发此类设备的经验，也没有考虑。 最后我们采用了圆管固定，机械旋转的方法。这样将两者的优点 有机的结合起来，同时也避免了各自的不足，如图2 3 所示。 我们设计了一个标准圆筒来代替磁力小车的轨道，机械主体结构 安装在外六方形的壳体上，圆筒和外六方形的壳体通过齿轮齿圈配合， 圆筒套在钢管上，通过螺钉调整，使圆筒轴线与圆管轴线重合，然后 和被割钢管压紧。在切割中机械主体绕着圆筒旋转，走出管端切割的 相贯线。 管端切割机器人的机械结构也是由四部分构成。除了旋转机构， 其余部分和小开孔切割机器人在机械原理上比较类似。 1 旋转机构 电机带动一个1 ：2 0 的减速机，减速机与小齿轮( z = 1 4 ) 通过键 连接，小齿轮带动整个机械设备在齿圈上旋转运动。外六方壳体在径 向通过六个轴承( 一侧三个) 滚动支撑机械设备，沿轴线方向通过三 个轴承来限位，伸缩机构、半径调整机构和角度摆动机构均随着设备 旋转，各电机配合运动，完成圆管端头的切割。 2 伸缩机构 伸缩机构是沿着钢管的母线方向上做运动的，固定在外六方壳体 上的步进电机通过减速机构与m = 1 5 ，z = 2 0 的小齿轮连接，传动齿条 带动升降机构和枪摆机构一起运动，伸缩机构应调整与管子轴线方向 哈尔滨工程大学硕士学位论文 平行，随着旋转到不同位置，控制割枪运动到期望位置。 3 半径调整机构 由于割枪摆角的改变，弓i 起火焰末端位雹的变化，所以需要半径 机构的变化进行补偿，所以设计了该机构。半径机构安装在伸缩杆上， 位置关系上要求与伸缩杆垂直，采用齿轮( m = 1 5 ，z = 2 0 ) 与齿条配 合运动，电机带动齿轮旋转，齿条则带动枪摆机构沿径向运动。 4 枪摆机构 为满足焊接要求，切割端面需要打坡口，随着旋转角度的变化， 焊接的坡口角度也连续发生变化，枪摆机构的运动产生切割要求的坡 口角度。枪摆机构是用一个步进电机带动l ：4 0 的减速机，减速机的 输出轴即为割枪的旋转轴。 2 3 本章小结 图2 3 管端切割机机械结构示意图 本章简要论述了小直径开孔切割机和管端切割机的机械设计结 构，比较了悬臂式与龙门式机械的差异，通过设计改进，选择了龙门 式作为最后的机械设计结构。小直径开孔切割机的机械包括四个由步 进电机控制的运动机构：旋转机构，垂直升降机构，半径机构，枪摆 机构。还包括初始定位调整结构。旋转机构用来控制投影圆的形状要 求，升降机构用来控制空间曲线垂直方向上的变化，半径机构调整孔 哈尔滨工程大学硕士学位论文 径的变化，枪摆机构控制割枪切割要求的上下坡1 3 。管端切割机的机 械也包括四个自由度：旋转机构，伸缩机构，半径机构，枪摆机构。 伸缩机构用来控制沿钢管母线方向上的变化，其它三个机构与小直径 开孔切割机的作用相似。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章小开孔切割机的硬件平台设计 3 1 控制方案的确定 本文研究的数控系统分为两种：一种是基于单片机，d s p 或某些 专用运动控制芯片构成的嵌入式数控系统。一种是基于工业p c 和运 动控制卡的开放式数控系统。本章讨论的是基于高性能单片机设计开 发的嵌入式数控平台。 基于单片机的切割机器人的控制系统核心是要完成多轴步进电机 的联动。目前所采用的控制方式主要有以下几种： 1 开环控制方式 在开环控制中，没有传感器作反馈装置，由于控制系统产生的控 制信号是单向的，控制系统不能反馈工作台的运行情况，所以系统稳 定性是不可控的。因为执行机构移动部件的实际位置不做检验，所以 其加工精度主要取决于伺服系统的性能。如图3 1 所示，工作过程是： 控制系统向驱动器发出指令脉冲，通过伺服机构( 伺服元件通常为步 进电机) 使得执行机构动作。这种系统工作反应迅速、调试方便、维 修简单，但其控制精度受到限制。它适用于一般中小型数控系统。 一鞘装霉h + 拳进电机h 滞台3 图3 1 开明、控制系统框图 2 闭环控制方式 由于开环控制精度达不到精密系统和大型系统的要求，所以必须 检测它的实际工作位置，为此在开环控制的数控系统上增加检测反馈 装置，在工作状态中检测移动部件的位置，构成反馈，从而达到很高 的加工精度。闭环控制系统框图如图3 2 所示。图中a 为速度测量元 件，c 为位置测量元件。通过a 将速度反馈信号送到速度控制回路， 1 4 构成速度反馈，通过c 将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较回 路中与指令值进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除时为 止，最终实现工作台的精确定位。这类系统的优点是精度高、速度快， 但是调试和维修比较复杂。其关键是系统的稳定性，所以在设计时必 须对稳定性给予足够的重视。 。l速坛妒l 速度反馈、： 一 位置反馈 一 f l 一! 卜一 图3 2 闭环控制系统框图 3 半闭环控制方式 半闭环控制系统的组成如图3 3 所示。这种控制方式对工作台的 实际位置不进行检测，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如测 速发电机a 和光电编码盘b ( 或旋转变压器) 等间接测量出伺服电机 的转速和转角，推算出工作台的实际位移量，用此值与指令值比较， 用差值来实现控制。从图3 3 中可以看出，由于工作台没有完全包括 在控制回路内，因而称之为半闭环控制。这种控制方式介于开环与闭 环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便。 图3 3 半闭环控制系统框图 本章讨论的控制系统采用的是开环控制，示教再现的工作模式。 控制器通过计算产生各个电机理论的脉冲速度和脉冲数，在示教状态 下得到机器人到达指定位置需要的实际驱动脉冲。从而保证切割机器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 人在切割状态时，对机器人末端( 割枪火焰) 的精确控制。 3 2 硬件平台的搭建 基于m c u 的数控系统的硬件平台包含如下组成部分：参数输入 部分、实时显示部分，数据存储器，步进电机驱动控制部分，接近传 感器的信号输入电路。如图3 4 所示硬件原理方框图，本系统硬件平 台使用的是p h i l i p s 生产的高性能单片机，可采用6 时钟周期工作模式， 工作频率可达到2 0 m h z ，是一种面向工业控制应用的功能很强的微控 制器。系统以步进电机作为驱动电机，使用接近传感器作示教补偿控 制，由8 2 7 9 芯片完成键盘扫描任务，7 2 1 9 串行控制芯片完成数码管 显示，系统还使用了e e p r o m 用来作数据存储。本系统的硬件设计完 成了各个模块的具体功能。 3 2 1 微控制器简介 广 r 一 广一 接口驱动 j 驱动器l；步进电机 一 哟控制i l 。一一f 图3 4 硬件原理方框图 p 8 9 c 5 1 r d 2 是p h i l i p s 生产的高性能单片机，内部有6 4 k 并行可 编程的非易失性f l a s h 程序存储器和1 k 的数据存储器，并可实现 对器件串行在系统编程( i s p ) $ 1 1 在应用中编程( 1 a p ) 。 l l ：巫 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在系统编程( i s p ：i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) ：当m c u 安装在用户 板上时允许用户下载新的代码。 在应用中编程( i a p ：i n a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g ) ：m c u 可以在 系统中获取新代码并对自己重新编程。 片内r o m 中固化的默认的串行加载程序( b o o tl o a d e r ) 允许i s p 通过u a r t 将程序代码装入f l a s h 存储器，而f l a s h 代码中则不需要 加载程序。对于l a p ，用户程序通过使用片内r o m 中的标准程序对 f l a s h 存储器进行擦除和重新编程。 该器件可通过并行编程或在系统编程的方法对一个f l a s h 位进行 编程，从而选择6 时钟或1 2 时钟模式，此外也可通过时钟控制寄存器 c k c o n 中的x 2 位选择6 时钟或1 2 时钟模式，另外当处于6 时钟模 式时外围功能可以选择一个机器周期6 时钟或是1 2 时钟，这是通过 c k c o n 寄存器进行选择的。 p 8 9 c 5 l r d 2 是8 0 c 5 1 微控制器的派生器件，采用先进c m o s 工 艺制造，指令系统与8 0 c 5 1 完全相同。该器件有4 组8 位i o1 3 、3 个1 6 位定时计数器、1 个增强型u a r t 、片内振荡器及时序电路。 3 2 2 参数输入接口设计 切割机的系统工作时需要参数输入，远控盒的实时调整功能。在 通常的嵌入式应用系统中，为满足实时控制的需要，需要接口芯片独 立完成键盘扫描，并且能够以中断的方式给出键值的编码，这样不占 用m c u 的系统资源，本系统需要的按键总数为4 0 个，故设计为5 行 8 列的行列式键盘。基于上述考虑，选用了比较常用的8 2 7 9 芯片。 i n t e r 公司的8 2 7 9 芯片是一种通用的可编程接口芯片，它能独立完成 键盘输入和显示控制的功能。键盘部分提供了一种扫描方式，可与6 4 个按键的矩阵键盘连接，能对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出 按下的键并给出编码，当有键按下时，能向单片机申请中断，采用三 总线的方式进行连接。 8 2 7 9 芯片具有键盘工作模式和传感器工作两种模式。系统时钟频 率为l o o k h z 。 主要有如下管脚及定义： d o d 7 ：双向三态总线，用于和系统数据总线连接，在c p u 和 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 8 2 7 9 之间传递数据和命令。 c l k ( 系统时钟) ：输入线。用于8 2 7 9 内部定时，以其产生工作需 要的时序。 r e s e t ( 复位) ：输入线。 r d ，w r ( 读、写信号) ：来自c p u 的控制信号，控制对8 2 7 9 的 读写操作。 i r q ( 中断请求) ：在键盘工作方式下，当f i f o 传感器r a m 中 存有数据时，i r q 为高电平，向c p u 提出中断申请。 s l o s l 7 ( 扫描线) ：用来扫描键盘。可以编程设定为编码输出或 译码输出。 r l o r l 7 ( 回复线) ：它们是键盘矩阵或传感器矩阵的列信号输 入。 8 2 7 9 的中断是高电平输出，故需要取反后作为m c u 的中断输入。 8 2 7 9 内部有个8 8 的f i f o 传感器r a m 。当工作在键盘工作方式 时，它是f i f o 存储器，输入输出遵循先入先出原则，只要f i f o 存储 器不空，8 2 7 9 就向微处理器申请中断。当工作在传感器工作方式时， 它用来存放传感器矩阵中每个传感器的状态，若有传感器状态变化， 就向微处理器申请中断。如图3 5 。键盘输入接口框图： ad o - d 7 h 一s l o - - s l 2 3 , n 1 nv w r m c u - ：u ： i n t e r 8 2 7 9 。堕， l i n e l - - l i t i n t 行回复 图3 5 键盘接口原理图 3 2 3 显示接口电路的设计 o w 8 该系统需要对输入的参数进行显示，并且在切割过程中需要实时 显示当前的速度，水平转角，坡口角等。在多数的单片机系统中，常 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 iij；iii；ijii； 用的显示器有：发光二极管显示器，简称l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ； 液晶显示器，简称l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ；荧光显示器。l e d 显示器有静态显示和动态显示两种。 1 l e d 静态显示方式 l e d 显示器工作在静态显示方式时，各位的共阴极接在一起并接 地，每位的段选线分别与8 位的锁存输出相连。静态显示需要耗费很 多的硬件资源，故在显示位数较多时采用动态显示方式。 2 l e d 动态显示方式 在多位l e d 显示时，为了简化硬件电路，通常将所有的位选线相 应地并联在一起，由个( 7 段l e d ) 或两个( “米”字段l e d ) 8 位i o 口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由相 应的i o 口线控制，实现各位的分时选通。 基于数字多位显示，低功耗的考虑，本系统选用的是高亮度7 段 共阴极数码管，四位一组，一共使用了4 0 位数码管。采用动态显示方 式，选择了多位串行数码管显示芯片m a x 7 2 1 9 。 m a x 7 2 1 9 芯片除了具有与m c u 并行工作的特点，还有低功耗， 控制灵活的特点。m a x 7 2 1 9 是串行输入输出共阴极显示驱动器，可 直接与m c u 的i o 口相连，每片可驱动8 个l e d 数码管，当多片串 接时可控制更多的l e d ，每段的最大驱动能力可达5 0 0 m a ，易于实现 位数较多的数码管的显示及驱动。主要引脚功能定义： d i n ：串行数据输入端。 d o u t ：串行数据输出端。 d i g o d i g 7 ：8 根位驱动连接线。 l o a d ：装入数据控制端，在l o a d 的上升沿，锁存最后移位的 1 6 位串行数据。 c l k ：时钟输入端，时钟上升沿把d i n 端数据移入到内部1 6 位 移位寄存器。时钟下降沿把数据移向d o u t 端口。 s e g a s e g g ，s e g d p ：7 段数码管段驱动和小数点驱动连接线。 m a x 7 2 1 9 具有软件可调亮度的功能，能够直接驱动数码管，独 立实现对8 位数码管的动态扫描，只需要m c u 的3 个i o 口即可完 成对7 2 1 9 的编程操作，本设计采用五片m a x 7 2 1 9 级联的方式实现系 统要求的显示功能。 显示接口电路设计如图3 6 ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 6 显示接口原理图 3 2 4 数据存储器的接口设计 该数控系统计算产生的切割运动数据及示教过程中产生的数据均 需存储，并且要求数据能够掉电时被保护，系统选用了常用的a t 2 8 c 6 4 作为数据存储芯片。 a t2 8 6 4 a 是8 k 8 位的电可擦除可编程只读存储器，典型读出时 间为2 5 0 n s ，允许字节写入和页写入两种写入方式。 1 字节写入 当向2 8 6 4 发出字节写入命令后，2 8 6 4 便锁存地址、数据及控制 信号，从而启动一次写操作。 2 页写入 为提高写入速度，2 8 6 4 a 片内设置了1 6 字节的页缓冲器，并将整 个存储器阵列划分成5 1 2 页，每页1 6 字节。把数据写入2 8 6 4 a 的存 储单元可分为两个步骤：第一步，把数据写入页缓冲区，此过程称为 “页加载”。第二步，在内部定时电路控制下，把页缓冲区的内容送到 地址指定的e e p r o m 单元内，即为“页存储”周期。完成一个字节写 入的操作时间需满足3 淞 f 。， 2 0 u s ，故应用程序应按此要求操作 2 8 6 4 a ，这是正确完成对其页写入的关键。 数据查询是指用软件来检测写操作中的页存储周期是否完成。在 页存储期间。如对a t 2 8 c 6 4 进行读操作，读出的是最后写入的字节， 如果芯片的转储工作未完成，则读出数据的最高位是原来写入字节最 高位的反码。据此，c p u 可判断芯片的编程是否结束，如果c p u 读 出的数据与写入的数据相同，则表明页加载已经完成，c p u 可以向芯 片加载下一页数据。 因为8 位单片机的低八位数据线和地址线分时复用，故需在低八 哈尔滨工程大学硕士学位论文 位数据线和存储器间加八位锁存器。 2 8 c 6 4 与m c u 的接口电路如图3 7 所示： a 0 - - - a t 卜 。a 0 - - a 7 1 7 4 h c 3 7 3 y d 俨一d 7 m c u a 8 一a 1 2 - a t 2 8 c 6 4 r d 停露 图3 7 数据存储原理图 3 2 ，5 步进电机驱动控制设计 本系统控制的核心是实现对四个步进电机的控制，该部分的主要 工作是完成控制系统与步进电机驱动器的接口电路设计。系统使用的 步进电机驱动器是北京斯达特公司的两相驱动器，具有体积小，细分 数高，接口简单，效率高等优点。控制系统需要产生的是脉冲控制信 号和方向控制信号。以下讨论了电机驱动器与m c u 接口电路的设计。 3 2 5 1 步进电机特性和选型 步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移( 或线 位移) 的机电元件，是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固 定的角度( 称为“步距角”) 一步一步运行的，其特点是没有积累误差( 精 度为1 0 0 ) ，所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一 电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统 发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一 个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机 的转速与脉冲信号的频率成正比。 控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲 的个数，可以对电机精确定位。步进电动机在现代数字控制系统里获 得了广泛的应用。按下来简要介绍步进电动机的主要概念： 1 步距角 控制系统每发一个脉冲，对应的电机轴转过的角度。它是决定步 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进伺服系统脉冲当量的重要参数。步进电机的步距角可按下式计算： a ：3 6 0 。r 3 1 1 肌k z 式中： m ：步进电机的相数： z ：步进电机转子齿数o ：与通电方式有关的系数。当通电方式为单拍时，k = 1 ：双拍 时，k = 2 。 2 矩角特性、最大静态转矩7 1 ，。 当步进电机不改变通电状态转子不动时，在轴上加一负载转矩， 定子与转子就有角位移0 ，0 称为偏差角，使转子刚刚离开平衡位 置的极限转矩值称为最大静态转矩r ，一。r ，一越大表示步进电机承受 负载能力越大，自锁力矩也越大，静态误差越小，运行的快速性和稳 定性越好。矩角特性是步进电机的个重要特性，它是指步进电机产 生的静态转矩7 1 与偏差角0 的变化舰律。 3 矩频特性 随着电机转速的增加，电机的输出转矩呈下降趋势。所以电机转 速需控制在一定范围内。 4 启动频率兀 空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所 允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳 频率，步进电机将不能正常启动。 选择步进电机首先需大致计算系统工作时的负载转