毕业设计（论文）-PCL839控制卡在机械手控制中的应用.doc

全套图纸加扣 3012250582编号： 毕业设计（论文）说明书题 目： PCL839控制卡 在机械手控制中的应用 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位：机械设计制造及其自动化教研室姓 名： 职 称： 实验师 题目类型：理论研究 实验研究 R工程设计 工程技术研究 软件开发2009年5月30日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸摘 要机械手是具有模仿人手和手臂的某些动作的功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可以部分或全部代替人力，从事一些单调、繁重的重复性劳动，实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作得以保护人身安全，因而当前正广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文首先按照设计要求进行了总体方案设计，包括机械手机械结构设计和机械手控制系统设计。机械手机械机构的主要部件是滚珠丝杠螺母机构。机械手控制系统采用基于IPC的机电一体化控制系统，其中PCL839步进电机控制卡是关键控制部件之一。其次对机械手的硬件部分进行了简要分析。掌握了机械手硬件部分的各项参数，为软件部分的编程做准备。再次使用Turbo C提供的图形函数，开发了满足设计要求的简洁的彩色图形界面。用户在此界面下可以输入相应的运动参数，软件会对输入的参数进行判断并提示相应的信息.软件会自动将输入的参数经过计算转换，然后写入PCL839控制卡各轴的寄存器.用户按照操作提示，按下键盘上相应的键，使机械手执行相应的功能。本课题软件控制部分的设计以用户为中心，具有人性化的优点。本课题软件设计部分采用主程序与子程序相结合的结构，每一个程序都附有相应的流程图和程序代码及其详细注释。本课题中的机械手的结构虽然简单，但可以使人们了解机械手的工作和控制原理。适合于实验和教学。关键词：机械手，PCL839+步进电机控制卡,滚珠丝杠，驱动电路AbstractManipulator is an automatic operation device ,which has the function to imitate some actions of hands and arms of human and according to the fixed programs to snatch and transport objects or operate tools.It can partly or entirely istead of human to engage in some monotonous、burdensome and petitive work. This makes production realized mechanization and automation. It can be operated in harmful environment to protect human. Thus currently they are widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy etc. This paper first designs the overall strategy according to the design requirements,including manipulator mechanical structure design and manipulator control system design. The main components of manipulator mechanical structure is the ball screw nut. Manipulator control system is one electromechanical integration control system based on the IPC, which PCL839 stepper motor control card is one of the key control components. Secondly the hardware parts of manipulator are briefly analyzed. Mastering the various parameters of manipulator hardware part , preparing for software programming. One more time ,using the graphics functions provided by Turbo C to development the concise color graphic interface meetting the design requirements. Users can input the corresponding motion parameters in the interface, the software will judge the input parameters and point out the corresponding information.And the software will automatically calculation and transform the input parameters.Then Then write the parameters to the axis registers of PCL839 control card.According to the operation prompt,user press the corresponding key on the keyboard to control manipulator executing corresponding function. With the user as the center,this software control design in this paper has the advantages of humanity. This software design part adopts the structure of master program and subroutines combinating, each program has corresponding flowchart and program code and the detailed notes. The structure of the manipulator in this paper is simple , but it can make people understand the control and operation principle of the manipulator and be suitable for teaching and experiment.Key words: manipulator ，PCL839 + stepper motor control card, The ball screw，drive circuit 目 录引言11 机械手的背景、现状及发展趋势11.1 背景11.2 机械手现状及发展趋势32 系统方案总体设计62.1 设计要求62.2 机械手机械结构设计62.3 机械手控制系统设计62.3.1控制系统硬件设计62.3.2控制系统软件设计72.3.3机械手整体结构和各部件连接73 机械手硬件部分分析93.1 机械本体分析93.2 控制部分分析114 控制系统软件设计204.1 本课题使用的函数的描述204.1.1使用到PCL839控制卡自带函数的描述204.1.2使用到C语言图形函数204.2 PCL839控制卡指令介绍224.3 PCL839控制卡寄存器的介绍234.4 应用软件设计思想274.5 用户界面设计284.6 参数输入判断子程序设计324.7 寄存器写值子程序设计374.8 画运动轨迹子程序设计384.9 主程序设计415 结论45谢 辞46参考文献47附 录 软件操作手册48全套图纸加扣 3012250582 第50页 共48页引言机械手是具有模仿人手和手臂的某些动作的功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可以部分或全部代替人力，从事一些单调、繁重的重复性劳动，实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作得以保护人身安全，因而当前正广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支，是近几十年才发展起来的一种高科技自动化生产设备。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域中有着广阔的发展前景。1 机械手的背景、现状及发展趋势1.1 背景机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8种机械手试验台，进行各种功能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时。精度可提高到0.1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。主要用于机械化、自动化程度较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。总之，目前工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。另外移动机械手的研究始于60年代末期，斯坦福研究院（SRI）的Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移动机器人。其目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。70年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究又出现了新高潮。特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进另外移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术标志，开展了移动机器人更高层次的研究。目前研究的移动机器人都是带有智能的机器人：机器人本身能认识工作环境、工作对象及其状态，它能根据人给予的指令和“自身”认识外界来独立决定工作方法，利用操作机构和移动机构完成任务，并能适应工作环境的变化。这些具有智能的机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动；有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验；有的具有自主控制和决策能力，不仅能够应用各种反馈传感器，而且还能够应用人工智能中的各种学习、推理和决策技术。1.2 机械手现状及发展趋势（1）机械手现状：美国在2003年发射的火星探测车“勇气”号2004年1月3日在火星安全着陆，并完成了90个火星日的科研工作。“勇气”号这辆先进的探测车向世人展示了美国在机器人技术领域的领先地位。图1-1勇气号安全着陆火星图1-2勇气号升出机械手臂采集岩石样本简单来说，“勇气”号探测车就是一个具有手臂的移动机器人。他的大脑是一台高速计算机，车体靠自身具有的六个轮子在火星地面运动，视觉系统采用一对全景照相机来拍摄火星表面和天空的全景视图，也用于形成着陆点附近的地形图、搜索感兴趣的岩石和土壤，来完成寻找火星远古时期存在液态水的证据的工作；另外分别于车体前端和后端安装两组相同的避危摄影机，由一组立体影象的黑白摄影机所构成的，所拍摄的影象除了用于手臂障碍物侦测之外还用于探险车的路径规划上。最先进的要数探测车上的机械，手臂末端装备了各种工具，有显微镜成象仪、三种质谱仪和两种分光计，一套岩石研磨和样本采集工具以及三个磁铁阵列，所有设备主要用来寻找火星上是否曾经有液态水的证据。日本TMSUK公司开发的抢险救生机器人“T-52援龙”属于双臂式油压驱动机器人，通过履带移动，双臂有22个自由度，可在事故现场完成数倍于人力的工作以及救援人员无法接近的危险区救援等。配备9台有效像素68万的CCD相机，可向远程操作装置传送图象。而日本有信(y-ushin)精机株式会社生产的以机械手为中心的各种机械设备、仪器等主要产品采用了低阻力导轨机构，机械手臂采用更轻，硬度更高的材质，从而实现了高速的机械动作。欧美的机械手发展比较成熟，位于奥地利的Wittmann集团是全球最大的自动化设备供应商之一，产品有全伺服机械手 W711、单轴伺服机械手W710等，其中W710型机械手的横轴采用伺服马达，确保运动自由灵活，W7n型机械手是三轴主轴配备高速伺服马达的机械手，可实现图形化的操作界面。（2）机械手发展趋势：工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。（3）我国机械手的发展：我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。2 系统方案总体设计2.1 设计要求1) 以PCL839步进电机控制卡和工控微机为控制平台开发机械手手臂运动控制的DOS应用程序；2) 采用简洁的彩色图形界面；3) 软件具备机械手手臂控制的基本功能，包含手臂的单独伸缩、单独升降、伸缩和升降的直线轨迹组合、伸缩和升降的圆弧轨迹组合的控制；4) 动作连贯、运动平稳。2.2 机械手机械结构设计1) 根据系统受力要求，X向和Y向的平动采用两个两端支撑中间悬空的简支梁的形式，滑动采用滚珠滑动导套副，推力传递采用滚珠丝杠副。2) 两个旋转运动均采用联轴器实现滚珠丝杠与步进电机电机相连。3) 为使其运动平稳，在每个轴上安装两个导杆，这两个导杆通过滚珠丝杠副的螺母，并且在机械手运动时，与丝杠一起移动。4) 有一个圆盘形的底座起支承作用，将Y轴与其固定在一起。5) X轴滚珠丝杠副的螺母与Y轴滚珠丝杠副的螺母固定在一起。当机械手运行时，X轴的滚珠丝杠移动，而Y轴是滚珠丝杠副的螺母移动。2.3 机械手控制系统设计2.3.1控制系统硬件设计1) 主控机采用工控机作为整个系统的控制核心。利用工控机性能稳定、抗干扰力强、价格便宜、和商用PC机功能比较兼容的诸多优点，可加快整个系统的硬件开发周期、软件开发周期。如采用单片机开发，硬件系统和操作系统都要自己设计，不但要增加开发周期和开发成本，而所开发的软件系统的移植性很差。2) 采用PCL839+步进电机控制卡来控制步进电机。PCL-839 +控制卡是一个高速轴步进电机控制卡，它简化了步进电机的控制,提高了步进电动机的性能。3) 控制系统按有无位置检测与反馈可以分为开环系统、闭环系统和半闭环系统三种。闭环控制控制系统比较复杂，而且制造成本较高。故该系统采用X轴的左右两个限位开关和Y轴的上下两个限位开关形成半闭环控制来控制机械手在XY两维空间的运动。随着步进电机技术的发展，高频、大功率、小步距步进电机及驱动器的出现，大大提高了步进电机的性能，致使步电机驱动机器人成为可能。步进电机驱动的机器手，可采用开环，控制简单，价格低廉，国产化程度高，特别适用于经济型机器手。考虑到本课题机械手不是真正用于生产，主要用于教学与实验，具有演示功能，应有利于学生观察，所以本文选择步进电机作为驱动装置，构成开环控制系统，进一步降低成本。根据以上所述，确定控制系统的硬件配套方案如图2-1所示。系统的主要硬件单元包括:工业控制机(显示器、鼠标、键盘等)、运动控制卡、步进电机、驱动器等模块。为了提高系统的可靠性及易维护性，各功能模块均采用商品化部件，各模块之间的接口也符合标准化要求。此种控制方案具有结构简单、成本较低、应用范围广、开发周期短、控制方式灵活等优点。图2-1 机械手控制部分连接示意图2.3.2控制系统软件设计1) 基于IPC平台开发软件系统，增加软件的可移植性。2) 软件要求在纯DOS环境下运行。3) 采用C语言的图形函数编写简洁的彩色图形界面。4) 使用PCL839+步进电机控制卡自带的C库函数和向其提供的各寄存器写入相应值来控制步进电机，使机械手实现要求的动作。5) 通过对PCL839+步进电机控制卡的操作，使步进电机在低速起动，高速运行，即使步进电机的速度符合梯形曲线，从而达到运行平稳的要求。2.3.3机械手整体结构和各部件连接根据设计要求，机械手由控制部分和机械本体两部分组成。根据以上的各部分的设计可知，控制部分又由PC机、PCL839步进电机控制卡、驱动器和步进电机四部分组成；机械本体由滚珠丝杠螺母机构、支承结构、联轴器、导杆和底座五部分组成。机械手的整体结构图如图2.2所示。机械手硬件连接示意图如图2-3所示。图2-2 机械手整体结构图图2-3 机械手硬件连接示意图3 机械手硬件部分分析机械手硬件部分由控制部分和机械本体组成，以下是对其组成的分析。3.1 机械本体分析机械本体又由滚珠丝杠螺母机构、支承结构、联轴器、导杆和底座五部分组成。（1）滚珠丝杠螺母机构由于滚珠丝杠副具有很高的传动精度（0.920.96），当双螺母预紧后，轴向刚度高；传动副的爬行小，具有较高的定位精度和随动精度；启动力矩小，传动灵敏，同步性好。因此，综合考虑本机械手的基本要求，故选用滚珠丝杠螺母机构作为螺旋传动机构。以下是对本课题选用的滚珠丝杠螺母机构参数的分析：滚珠丝杠螺纹滚道型面：本课题选用的滚珠丝杠滚道型面为双圆弧滚道型面。双圆弧滚道型面具有如下优点：接触刚性好，摩擦小，有较大的承载能力，预紧或承载后接触角=450基本保持不变，故传动效率、承载能力、轴向刚度都比较稳定，可以实现无间隙传动，传动精度较高。滚珠返回的循环方式：本课题中，滚珠返回的循环方式为：单圈内循环。该循环方式的优点是：滚珠的循环回路短、个数少，故流畅性好、摩擦损失小、效率高、径向尺寸紧凑、刚性好、承载能力大。轴向间隙和预紧的调整方法：采用螺纹式预紧和调隙。双螺母中一只螺母有凸肩，另一只螺母无凸肩而有一段外螺纹，用两个螺母紧锁。旋转锁紧螺母使其产生轴向位移，以达到消除间隙和预紧的目的。其优点是结构简单紧凑，调整方便，故应用较广。根据测量，滚珠丝杠的导程为P=4mm，根据中华人民共和国专业标准（ZBJ5100489滚珠丝杠参数）规定：公称直径和基本导程的参数系列及其组合，采用推荐组合形式，导程为P=4mm时其推荐的公称直径为d=25mm，即JWB025型号。其主要参数如表1所示。表1 滚珠丝杠副结构的主要参数滚道丝杠螺母公称直径/mm基本导程/mm接触角/（0）滚珠直径/mm滚道半径/mm滚道圆弧偏心距/mm螺纹升角/（0）丝杠螺纹大径/mm丝杠螺纹小径/mm丝杠牙顶圆角/（0）螺母螺纹大径/mm螺母螺纹小径/mm1644502.41.2480.0342015.5213.50.2418.4516.24（2）支承结构：由于该系统是半闭环系统，精度本来就不是很高，故采用一端固定，一端浮动的支承结构，该结构让丝杠有膨胀的余地，适用与较长的丝杠中，游动支承采用深沟球轴承，固定支承结构选用60度接触推力角接触轴承。支承结构示意图如图3.1所示：图3-1 支承结构示意图（3）联轴器：该机械手机械结构中步进电机与滚珠丝杠的连接采用弹性联轴器进行连接，查机械设计手册得：LT2，具体参数见表2。型号轴孔直径d1、d2、dz轴孔长度LDLT2162040（4）导杆：为减轻机械手臂移动时的振动和不稳定，在每个轴的滚珠丝杠的两侧加上导杆，每个导杆都穿过滚珠丝杠副的螺母，与丝杠一起移动。其安装示意图如图3-2所示。图3-2 导杆安装示意图（5）底座：该机械手的底座采用圆盘装的结构，其与Z轴的导杆和滚珠丝杠螺母机构的一端固定在一起，起支承整个机械本体的作用。示意图如图3-3所示。图3.3 底座与Z轴的连接示意图以上分析了本课题机械手的机械本体各个组成部分。机械本体的总装示意图如图3-4所示。图3-4 机械本体的总装示意图3.2 控制部分分析控制部分由PC机、PCL839步进电机控制卡、驱动器和步进电机四部分组成。以下分别对其分析。（1）PC机：本课题使用的PC机是研华科技生产的工控机（显示器、鼠标、键盘等）。（2）控制卡：本课题使用的控制卡为PCL839步进电机控制卡。该控制卡是一个高速三轴步进电机控制卡，它简化了步进电机的控制,提高了步进电动机的性能。它具有如下特点：三轴控制PCL-839 +控制卡上有一个板载单片机脉冲发生器，它可以同时独立地控制三个轴。PCL-839 +控制卡可以为步进电机提供数字脉冲和方向控制。友好的用户界面 PCL-839 +控制卡被设计作为一种解决你步进电机控制应用的友好的方案。很容易对它进行编程。它提供了C语言函数库，这些函数库包含了控制步进电机所用到的命令。独立编译独立而非常驻内存命令编译器，PROGg39.EXE，在没有编程的情况下，同样可以控制步进电机。数字输入输出端口PCL-839 +控制卡具有常规端口（通过开关控制等）可以作为16位数字输入输出端口使用。隔离保护PCL-839 +控制卡的脉冲与方向输出、5个限制输入开关与PC端隔离开来。以下是本课题对该卡的使用：a基地址设置：基地址的设置通过板卡上的拨码开关实现，如图3-5所示。图3-5 基地址设置基地址设置列表如表3所示。在本课题中选用的基地址为：210H。表3 基地址列表基地址范围拨码开关位置987654120020FOFFONONONONON21021FOFFONONONONOFF*30030FOFFOFFONONONON3F03FFOFFOFFOFFOFFOFFOFF*=默认值b与步进电机的连接方式：隔离输出，外接电源。连接示意图如图3-6所示：图3-6 PCL839控制卡与步进电机的连接示意图EXT.VCC的电压决定了输出脉冲的电压。输入电压为+5V，输出电压的高电平为+5V，同时每一轴的电源都要单独供给，本课题需要驱动两个电机，那么pin2与pin21、pin5与pin24都要分别接入电源。c限位开关极性设置板卡为每一个轴提供了5个限位开关信号的输入，分别是EL+/ EL-、SD+/SD-、ORG。本课题使用了上述的前四个限位开关，使用情况如图3-7所示：图3-7 限位开关的使用情况示意图PCL839控制卡的针脚：如图3.8所示。DIR/-dir：方向信号输出（方向模式下）或（-)方向脉冲输出（脉冲模式下）。PULSE/+dir：脉冲信号输出（方向模式下）或（+）方向脉冲输出。EXTVCC：外电源输入。COM：通道A、B、C的隔离公共输出端。EL+：（+）方向紧急停止限位开关输入。EL-：（-）方向紧急停止限位开关输入。SD+：（+）方向降速限位开关输入。SD-：（-）方向降速限位开关输入。ORG：原点限位开关输入。LCOM：通道A、B、C限位开关公共输入端。图3-8 PCL839控制卡的针脚（3）步进电机步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。本课题使用的步进电机的型号为42BYG250C，其参数见表4所示。表4 42BYG250C步进电机的参数型号相数步距角相电流A相电阻空载起动频率KHz42BYG250C20.90/1.801.52.01.5注：表中步进电机空载起动频率的测试条件为半步方式、驱动电压为24V DC。其外形尺寸如图3-9：图3-9 该步进电机的外形尺寸接线如图3-10：图3-10 该步进电机接线特性如图3-11：图3-11 步进电机特性曲线二相混合式步进电机的结构和工作原理本文中使用的步进电机为二相混合式步进电机，其结构如下：图3-12 为两相混合式步进电动机的轴向剖视图。定子的结构与反应式步进电动机基本相同，沿着圆周有若干个凸出的磁极，极面上有小齿极身上有控制绕组。控制绕组的接线如图3-13所示。转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端。转子铁芯上也有小齿，两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距。定转子的齿距和齿宽相同，齿数的配合与单段反应式步进电动机相同。图3-12 两相混合式步进电动机的轴向剖视图图3-13 两相混合式步进电动绕组接线图图3-14为转子段横截面图。定子上均匀分布有8 个磁极，每个磁极下有5 个小齿。转子上均匀分布着50 个齿。当磁极1 下是齿对齿时，磁极5 下也是齿对齿，气隙磁阻最小；磁极3 和7 下是齿对槽，磁阻最大，如图3.14(a) 所示。此时，磁极1和5正好是齿对槽，磁极3和7是齿对齿，如图3-14(b) 所示。其工作原理如下：混合式步进电动机作用在气隙上的磁动势有两个，一个是由永久磁钢产生的磁动势，另一个是由控制绕组产生的磁动势。这两个磁动势有时是相加的，有时是相减的，视控制绕组中电流方向而定。这种步进电动机的特点是混入了永久磁钢的磁动势，故称为混合式步进电动机。i零电流时工作状态：各相控制绕组中没有电流通过，这时气隙中的磁动势仅由永久磁钢的磁动势决定。如果电机的结构完全对称，各个定子磁极下的气隙磁动势将完全相等，电动机无电磁转矩。因为永磁磁路是轴向的，从转子B 端到定子的B 端，轴向到定子的A 端、转子的A 端、经磁钢闭合。在这个磁路上，总的磁导与转子位置无关。这一方面由于转子不论处于什么位置，每一端的不同极下，磁导有的大有的小，但总和不变；另一方面由于两段转子的齿错开了半个齿距，所以即使在一个极的范围内看，当B 端磁导增大时，A 端必然减小，也使总磁导在转子位置不同时保持不变。图3-14 磁极转子段的横截 面图(a)S 极转子段截面图 (b) N 极转子段截面图ii绕组通电时工作状态：当控制绕组有电流通过时，便产生磁动势。它与永久磁钢产生的磁动势相互作用，产生电磁转矩，使转子产生步进运动。当A 相绕组通电时，转子的稳定平衡位置如图3.15(a) 所示。若使转子偏离这一位置，如转子向右偏离了一个角度，则定转子齿的相对位置及作用转矩的方向如图3.15(b) 所示。可以看出，在不同端不同极的作用转矩都是同方向的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。可见，两相混合式步进电动机的稳定平衡位置是：定转子异极性的极面下磁导最大，而同极性的极面下磁导最小的位置。图3-15 稳定平衡位置及偏离时的作用转矩方向与A 相相邻的B 相磁极下定转子齿的相对位置错开1/m 齿距所以当由A 相通电改变为B相通电时转子的稳定平衡位置将移动1/m 齿距即步距角为（4）步进电机驱动器本课题中使用的步进电机驱动器是森创公司生产的两相混合式步进电机驱动器，型号SH-20403。图3-15 稳定平衡位置图该驱动器的特点是：1040V的直流供电；H桥双极恒相流驱动；最大3A的八种输出电流可选；最大64细分的七种细分模式可选等。以下是对该驱动器的使用：电源电压的选择：驱动器内部的开关电源设计保证了可以适应较宽的电压范围，可以在10V-40V DC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速转矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。故，本课题选用的电源电压为24V DC。输出电流选择：本驱动器最大输出电流为3A/相，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出八种状态，对应八种电流。这三位拨码的状态与电流的对应如表5所示。表5 电流选择表567567567ONONON0.9AONONOFF1.2AONOFFON1.5AONOFFOFF1.8AOFFONON2.1AOFFONOFF2.4AOFFOFFON2.7AOFFOFFOFF3.0A表3中已给出了本课题使用的步进电机的参数，其相电流为1.5A。故该步进电机驱动器对步进电机提供的电流为1.5A，即驱动器拨码开关的第5、6、7三位的状态为：ON、OFF、ON。细分选择：该驱动器可提供整补、半步、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分七种运行模式，这七种模式是利用驱动器面板上第1、2、3位拨码开关可组合出不同的状态。详见表6所示。表6 细分模式选择表123123123ONONON保留OFFONON64细分ONOFFON32细分OFFOFFON16细分ONONOFF8细分OFFONOFF4细分ONOFFOFF半步OFFOFFOFF整步在本课题中，选择驱动器的半步细分模式，面板上第1、2、3位拨码开关的状态为：ON、OFF、OFF。以上是对机械手控制部分的分析。控制部分详细的接线如图3-16所示。图3-16 控制部分详细的接线4 控制系统软件设计4.1 本课题使用的函数的描述 在本课题中使用了PCL839控制卡提供的函数和Turbo C的图形函数及接口函数。4.1.1使用到PCL839控制卡自带函数的描述该控制卡自带的C语言程序库中提供了一些函数，来辅助用户编程操作该卡。本课题用到其中的函数如下：（1）set mode：这个函数是设置该控制卡通道的输出模式。原型：int set_mode (int ch, int mode);参数：channel: 通道名1 for 通道 1； 2 for 通道 2； 3 for 通道3； 4 for通道 1 & 2； 5 for 通道1 & 3；6 for 通道 2 & 3； 7 for 通道1, 2 & 3例子：set_mode(CH4, DIR)；set_mode(CH3, PUS)；通道1 and 2设置成方向模式和通道 3设置为脉冲模式。（2）sldn_stop：这个函数是将通道输出频率先降到FL，然后停止。原型：int sldn_stop (int ch)；参数：CH 通道名（见函数2）例子：sldn_stop(CH12)；通道1, 2 和3 的速度降到FL，然后停止。4.1.2使用到C语言图形函数（1）屏幕颜色的设置和清屏函数设置背景色：void far setbkcolor(int color)；设置作图色：void far setcolor(int color)；其中color为图形方式下颜色的规定数值，对EGA、VGA显示器适配器，有关颜色的符号常数见表7。清除图形屏幕内容使用清屏函数：void far cleardevice(void)；（2）基本图形函数坐标位置函数：调用方式：void far moveto(int x,int y)；函数moveto()把当前位置CP移动到指定的位置上。举例：moveto(200,100)；把CP移动到（200，100）的位置。画线函数：void far line(int x0,int y0,int x1,int y1)；画一条从点（x0,y0）到点（x1，y1）的直线。举例：line(10,20,50,70)；画一条从点（10，20）到点（50，70）的直线。void far linerel(int dx,int dy)；画一条从现行游标（x,y）到按相对增量确定的点（x+dx,y+dy）的直线。举例：line(10,20,50,70)；先画一条从点（10，20）到点（50，70）的直线，此时现行游标为（50，70）。表7 有关屏幕颜色的符号常数表符号常数数值含义符号常数数值含义BLACK0黑色DARKGRAY8深灰BLUE1蓝LIGHTBLUE9浅蓝GREEN2绿LIGHTGREEN10淡绿CYAN3青LIGHTCYAN11淡青RED4红LIGHTRED12淡红MAGENTA5洋红LIGHTMAGENTA13淡洋红BROWN6棕YELLOW14黄LIGHTGRAY7浅灰WHITE15白 linerel(20,30)；画一条从现行游标（50，70）到按相对增量（20，30）的点（70，100）的直线。 void far circle(int x,int y,int radius)；以(x,y)为圆心，radius为半径画一个圆。 举例：circle(10,30,20)；以(10,30)为圆心，20为半径画一个圆。 void far rectangle(int x1,int y1,intx2,int y2) ；以(x1,y1)为左上角，(x2,y2)为右下角画一矩形框。举例：rectangle(10,20,40,60)；以(10,20)为左上角，(40,60)为右下角画以矩形框。封闭图形填充函数：void far setfillstyle(int pattern,int color)；其中，pattern为填充式样。有多种式样，本课题中选择SOLID_FILL（实填充）。Color填充颜色见表6。举例：rectangle(10,20,40,60)；先画一个矩形框；setfillstyle(SOLID_FILL,BLUE) ；然后用蓝色进行实填充。接口函数：void outportb(int port,char byte)；该函数向port指定的接口输出指定的值。举例：outportb(0x210,0x56)