多自由度同步仿形工艺雕刻机电系统设计-——工艺雕刻同步仿形控制系统设计的控制系统

一：工艺雕刻同步仿形控制系统的总体设计1.1，对同步仿形控制系统的分析课题设计任务：根据工艺雕刻大师雕刻动作和工艺雕刻流程，要求能同步把工艺雕刻师的动作和工艺雕刻流程同步到多台同步仿形工艺雕刻机上，在工艺雕刻师完成一件作品同时，在同步工作台上同时完成或同步完成多个一模一样工艺产品的自动化同步雕刻产品。根据工艺雕刻大师雕刻动作和工艺雕刻工艺流程和过程，根据机械系统运动原理，分析和设计能满足同步雕刻机电控制系统。课题要求根据工艺雕刻大师雕刻动作和雕刻工艺流程，能把工艺雕刻师的动作和工艺雕刻流程同步到多台同步仿形工艺雕刻机上，并把所检测信号转换和处理系统，传递给同步仿形雕刻工作台接收信号处理系统，转换成同步仿形机构、刀库和换刀机械手同步信号。根据课题要求，控制系统要对机械臂多自由度的实时控制，同步仿形的控制，以及对刀库与自动换刀的控制。具体的说，根据机械臂模块的要求，机械臂是采用 5 自由度的关节式机器人的结构。因此，多自由度的控制即对机械臂 5 自由度运动的控制。同步控制是要求把雕刻大师的动作，力度，速度等同步到机械臂上去，其实就是刀具位置路径的同步。仿形控制是把雕刻大师雕刻作品时的走刀形状仿形到机械生产的毛坯上去，也是刀具位置路径的控制。刀库和换刀自动控制是当雕刻大师更换刀具时，要求系统能采集实时信号控制刀库旋转到换刀位置同时机械臂也到达换刀位置进行自动换刀。1.2 ，控制方法的选择1.2.1，两种控制器件的比较在雕刻机电控制系统中，工程上主要应用 PLC、单片机等作为主控器件来搭建动力系统的控制电路和其它辅助电路。下面对几种控制器的性能特点和应用范围作一下比较。PLC 控制：可编程控制器是在继电器接触器控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。目前随着 PLC 在处理速度、控制功能、通讯能力及控制领域诸方面的不断拓展，它已成为自动化系统的基本装置。PLC 的基本功能包括：条件控制、步进控制、定时，计数控制、数据处理、A D 与 DA 转换、运动控制、过程控制、通讯联网、远程 IO 和状态脏控等。PLC 是面向用户的专用工业控制计算机，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的。它的特点是可靠性高、抗干扰能力强，软件简单易学，扩展方便、组合灵活，使用维护方便，体积小、质量轻、功耗低。PLC 已广泛应用于冶金、采矿、建材、石油、化工、电力、机械制造、轻工、纺织等行业中。其应用大致可分为以下几种类型。(1)用于开关逻辑控制：这是 PLC 最基本的应用场合，用 PLC 可取代传统的继电器控制，也可取代顺序控制。总之，PLC 可用于单机、多机群以及生产线的自动控制。(2)用于机械加工的数字控制：PLC 和计算机数控装置组合成一体，可实现数字控制，组成数控机床。(3)用于机器人或机械手控制。(4)用于闭环过程控制。(5)PLC 可与集散控制系统进行通讯连接组成多级控制系统，实现工厂自动化网络。 单片机控制:单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。它的特点如下：(1)小巧灵活、成本低、易于产品化。它能方便组装成各种智能式测、控设备及各种智能仪器仪表。(2)处理能力较强。MCS-51 单片机指令系统中有加、减、乘、除及各种逻辑运算和转移指令，还具有位操作功能，这在检测、控制中特别有用。(3)易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。(4)可以很方便地实现多机和分布式控制。单片机的应用范围很广，从家用电器、智能仪器仪表、通讯、计算机外部设备、多机分布系统、工业控制直到火箭导航尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。1.2.2 控制系统控制器的确定结合课题要求和前面对两种控制器件的比较，从经济和控制要求方面考虑，拟选用单片机作为主控芯片。单片机的体积小、价格低、可扩展余地较大。由于本例中的演示型机器人对运行的要求并不高，使用单片机扩展一些常用的芯片，可使机械臂完成相应动作和系统的自动换刀。并且与单片机配用的芯片一般都比较便宜，体积也较小，能够满足安装空间的要求。1.3， 控制系统方案的确定1.3.1 控制方案的确定机械手的控制方式有很多，就位置控制而言，有点位控制，连续轨迹控制。本控制系统的机械手臂控制要求同步仿形雕刻大师的动作，要完成各种复杂的动作任务，对手爪的运动轨迹也有严格的要求，因此采用连续轨迹控制方式。1.3.2 驱动方式的确定机械臂的驱动方式主要有液压、气动和电动三种，前两种所需辅助器件多，不易实现。而电机便于控制，能实现较复杂的运动，很适合在程序控制下做驱动部件，所以选择电机驱动方式。为满足雕刻系统控制要求，我们选用步进电机和直流电机两种步进电机在臂部旋转、臂部伸缩、腕部 升降、手爪开合 以及刀库刀盘的旋转，而腕部旋转采用直流电机，利用光电码盘做反馈元件，实现闭环控制、手部回转采用直流电机。1.3.3 步进电机控制方式的确定在控制精度要求较高的情况下，步进电机也可采用闭环控制，但由于步进电机有步距，难以实现很精确的闭环控制。在步进电机能自动调节步距误差而且步进电机在控制精度不太高的情况下，完全可以采用开环控制，本系统电机控制的速度、位置等要求精度高，而为降低成本，采用开环控制方式。1.3.4 直流电机控制方式的确定直流电机的控制方式很多如：数字控制、软件控制等，前者硬件结构复杂、成本高，后者硬件结构简单，成本低，控制灵活，改变软件程序，就可以使电机实现多种运动，所以我们采用软件伺服方式。增量式光电编码盘，可以实现直接输出数字脉冲信号，在软件伺服系统中，适合做反馈元件。本系统采用增量式光电码盘做直流电机的反馈元件。1.4，控制系统总的方案设计由同步仿形控制系统的分析结合所学知识设计出控制系统总的设计方案框图如图 1.1 所示。反馈检测反馈检测反馈检测采集的模拟信号 A/D 转换上位单片机换刀中断1 号刀库与换刀自动下位单片机 1 机械臂 12 号刀库与换刀自动下位单片机 3 机械臂 33 号刀库与换刀自动机械臂 2下位单片机 2 图 1.1 控制系统总的设计方案框图1.5，控制系统总设计方案的论证控制系统把采集到的模拟信号经过 A/D 转换变成相应的数字信号输送到上位单片机中进行复杂算法的信号处理。通过上位单片机的处理后把数字信号传输到各下位单片机上对机械臂进行动作控制。这说明机械臂的控制是由具体的空间位置量决定的，理论上和实际上都是可行的。由于机械手臂的独立变量是关节变量，而刀具位置轨迹通常是在参考坐标系中说明的，因此要较频繁地用到运动学正问题和运动学逆问题。表示两种问题关系地简单方框图如图 1.2 所示。图 1.2 运动学正问题和逆问题刀库和换刀的自动通过上位单片机外部中断的形式实现。已经编码的刀具上装有相应的传感器，当工艺雕刻大师需要更换刀具接触到另外的刀具时，刀具传感器发出中断信号。上位单片机得到换刀中断信号后立即中断同步仿形的雕刻转去判断刀库需要旋转的度数和下降量以及机械臂需要的动作并调用相关的中断处理子程序完成自动换刀和刀库自动运动。刀库和换刀自动控制框图如图 1.3 所示。运动学逆问题单片机处理x,y,z 位置数字量x,y,z 位置模拟量运动学正问题换刀中断信号单片机处理刀库运动和机械臂换刀同步仿形雕刻暂停 图 1.3 刀库和换刀自动控制框图二，控制系统的硬件设计本控制系统主要由单片机本体部分、输出口扩展部分、驱动部分、检测部分组成。控制系统的总的硬件组成如图 2.1 所示。图 2.1 控制系统的总的硬件组成机械臂步进电机驱动器步进电机直流电机驱动器直流电机检测电路信息输入89C51 单片机为核心，8255 为扩展口的控制光电耦合刀盘旋转检测电路2.1 单片机的选择选择 AT89C51 单片机为核心的控制器，AT89C51 单片机引脚图如图 2.2 所示。89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 的低电压，高性能8 位微处理器，俗称单片机。89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。 图 2.2 AT89C51 单片机引脚图 AT89C51 单片机管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器1 外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.2 扩展口的选择扩展输出芯片选择所学的 8255 芯片就能满足系统要求，8255 简介如下：8255 是 Intel 公司生产的可编程并行 I/O 接口芯片，有 3 个 8 位并行 I/O 口。具有 3 个通道 3 种工作方式的可编程并行接口芯片（40 引脚） 。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255 可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255 作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的 3 个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口 A、B 、C 口。由于 8255 可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而 8255 内部结构分为 3 个部分：与 CPU 连接部分、与外设连接部分、控制部分。8255 的天猫截图如图 2.3 所示： 图 2.3 8255 的天猫截图8255 的引脚图如图 2.4 所示：图 2.4 8255 的引脚图RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有 I/O 口均被置成输入方式。CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0 时,表示芯片被选中，允许 8255 与 CPU 进行通讯;/CS=1 时,8255 无法与 CPU 做数据传输.RD:读信号线，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/RD 产生一个低脉冲且/CS=0 时,允许 8255 通过数据总线 向 CPU 发送数据或状态信息，即 CPU 从8255 读取信息或数据。WR:写入信号，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/WR 产生一个低脉冲且/CS=0 时,允许 CPU 将数据或控制字写入 8255。D0D7:三态双向数据总线，8255 与 CPU 数据传送的通道，当 CPU 执行输入输出指令时，通过它实现 8 位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。8255 具有 3 个相互独立的输入/输出通道端口，用 +5V 单电源供电，能在以下三种方式下工作。方式 0基本输入输出方式；方式 1选通输入/出方式；方式 2双向选通输入/输出方式；PA0PA7:端口 A 输入输出线，一个 8 位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个 8 位的数据输入锁存器。 工作于三种方式中的任何一种；PB0PB7: 端口 B 输入输出线，一个 8 位的 I/O 锁存器， 一个 8 位的输入输出缓冲器。 不能工作于方式二；PC0PC7: 端口 C 输入输出线，一个 8 位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个 8 位的数据输入缓冲器。端口 C 可以通过工作方式设定而分成 2 个 4 位的端口， 每个 4 位的端口包含一个 4 位的锁存器，分别与端口 A 和端口 B 配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。不能工作于方式一或二。A1,A0:地址选择线,用来选择 8255 的 PA 口,PB 口,PC 口和控制寄存器.当 A1=0,A0=0 时,PA 口被选择;当 A1=0,A0=1 时,PB 口被选择;当 A1=1,A0=0 时,PC 口被选择;当 A1=1.A0=1 时,控制寄存器被选择.2.3 单片机控制口的分配 本系统有七个电机需要控制，其中步进电机五个，直流电机一个。步进电机需要的环行脉冲由单片机系统直接发出，五个步进电机工 15 条控制线，直流电机的 PWM 功放电路驱动控制信号也由单片机直接发出，光电码盘反馈回的两路信号输入给单片机系统。其具体的分配如下：1.腰部回转： 8255A PA0PA2 2.大臂俯仰： 8255A PA3PA5 3.腕部俯仰: 8255A PB2PB4 4 .小臂回转: 8255A PB5PB75.腕部回转：8255A PA6PA7 6.刀具的松夹：8255A PB0PB1 7.刀库刀盘回转：8255A PC0PC28.码盘反馈信号线:外部计数器 T0,T12.4 机械臂与刀盘控制的硬件设计根据控制系统总的设计方案和控制系统硬件总图，设计单个机械臂和刀盘控制的硬件框图如图 2.5 所示。单片机发送指令控制电机驱动器，驱动器获取信息后驱动相应的电机正传，反转，停止等，以实现机械手臂各部位的相应运动。需要反馈检测的位置设计反馈电路让控制更加精确。直流电机腕部回转步进电机步进电机步进电机步进电机直流电机步进电机腰部回转大臂俯仰腕部俯仰小臂回转刀具的松夹刀库刀盘旋转步进电机驱动器步进电机驱动器步进电机驱动器步进电机驱动器直流电机驱动器步进电机驱动器码盘反馈直流电机驱动器单片机核心控制以及8255 的扩展控制检测反馈 图 2.5 机械臂和刀盘控制的硬件框图其中各部分驱动电机的性能参数 1、臂部旋转：机械传动机构为蜗轮蜗杆，传动比为 1：62，选用电机90BF003 性能参数 ：（1） 相数：3 （2） 分配方式 3 向 6 拍步距角 1。5 度 （3） 相电流：5 安 （4） 电压：60V （5） 最大静转距：15Kg.cm 2、臂部伸缩: 其结构采用丝杠（T264）螺母结构，选用电机 75BFOO3其性能参数 （1）相数：3 （2）分配方式 3 向 6 拍 （3）步距角 1.5 度（4）相电流：4 安 （5）电压：30V （6）最大静转距：10Kg.cm 3、腕部升降：其传动副采用丝杠螺母传动（T18*4）电机选用 55BF003 参数 ：（1）相数：3 （2）分配方式 3 向 6 拍 （3）步距角 1.5 度 （4）相电流：3 安 （5）电压：27V （6）最大静转距：7Kg.cm 4、腕部旋转此部分需电机长工作在堵转状态，选用直流力矩电机 60LY003参数： （1）连续堵转电压：30V （2）连续堵转电流 1.5 安 （3）连续堵转转距：2kg.cm （4）峰值电压：45V （5）峰值堵转电流 1.5 安 （6）空载转速：1200/min 5 、部回转同上 6、手爪：传动机构采用丝杠螺母结构，选用电机 45BF003 性能参数 （1）相数：3 （2）分配方式 3 向 6 拍 （3）步距角 1.5 度 （4）相电流 2.5 安 （5）电压：27V （6）最大静转距 2Kg.cm三，控制系统驱动电路的设计3.1 步进电机开环控制的设计机器人三个自由度和手爪开合以及刀库刀盘的旋转驱动采用了步进电机开环控制，其核心采用 80C51 单片机，步进电机驱动所需的环形脉冲直接由80C51 输出口输出，省掉环形分配器，控制框图如图 3.1 所示。图 3.1 步进电机开环控制框图单片机步进电机驱动电路步进电机机器人相应自由度刀库刀盘的旋转3.1.1 驱动电路的选择 步进电机驱动电路，有的结构简单但性能较差，如基本型，有的性能好，但结构复杂、造价高，且难以调试，如晶闸管型、斩波型等。机械臂控制精度要求高，工作频率在几百赫兹左右，工作电流在 1-5A，为简化电路，降低成本，我们选定单电压、恒流源功放电路，用晶体管及相关电路构成的恒流源代替基本型中的 Rc，组成恒流源型步进电机驱动电路。这种电路不太复杂，安装、调试简单，改变电阻 Re，增减串联二极管个数，可以很方便的改变工作电流，以适用不同步进电机。恒流源型功率放大电路原理图如图 3.2 所示。图 3.2 恒流源型功率放大电路原理图3.2 直流电机的闭环控制系统的设计由直流电机的驱动电路和辨向电路，以及控制核心器单片机，形成直流电机的闭环控制系统。直流电机闭环控制系统框图如图 3.3 所示。单片机电机 PWN 功放电路直流电机 机械臂手腕光电码盘辨向电路 图 3.3 直流电机闭环控制系统框图在本系统中，直流电机用在机械臂的腕部回转和手爪回转上。考虑到结构特点，减少手部、腕部的质量，直流电机与其直接相连，直流电机采用直接驱动方式。在这种方式下，要求电机输出较高的转距，较低的转速，因此我们选用直流力矩电机。 我们用软件实现电机闭环伺服控制，由单片机输出脉冲信号，启动PWM 功率放大电路，驱动直流电机转动。光电码盘将转动的角位移转化成脉冲信号，经辨向电路输入给单片机的两个计数器，单片机读取计数器的值，并转化成角位移，然后与直流电机的预期位置进行比较，利用其差值的正负和大小来补偿直流电机的正反转的位置。当差值的绝对值小于直流电机位置容许误差时，停止转动。这样就实现了直流电机位置的闭环控制。3.2.1 双极型 PWM 直流力矩电机的驱动电路的设计双极型 PWM 功放电路如图 3.4 所示。 图 3.4 双极型 PWM 功率放大器原理图N1，P1 为达林顿管，N1 为 NPN 型 TIP31C，最大电流 3A，最大耗散功率为40W，耐反电压 100V， ，P1 与 N1 管参数相同，但为 PNP 型 TIP32B，D1，D2为泄放二极管，用以保护 N1，P1 不被击穿。光电偶合管为 TLP521，将数字电路与模拟电路隔开，7401 为二输入与非门，正逻辑；7414 为六反向器，正逻辑。下面介绍工作原理：光电偶合管前部分的数字电路逻辑功能为 ， 真值表如表格 3.1 直流电机控制信号逻辑电路真值表：表格 3.1 直流电机控制信号逻辑电路真值表A B A B0 0 1 10 1 1 01 0 0 11 1 1 1当输入信号 A，B 为 0，1 时，A =1，B =0，此时 B 路光偶导通 R3 电阻有电流通过，a 点电位升高，达林顿管 N1 饱和导通，P1 截止，+45V 电压几乎全加在直流电机上，使直流电机正转。 当输入信号 A，B 为 1，0 时，A =0，B =1，此时 A 路光偶导通 R4 电阻有电流通过，达林顿管 P1 饱和导通，N1 截止，-45V 电压几乎全加在直流电机上，使直流电机反转。 当输入信号 A，B 为 00 或 11 时，A =1，B =1，即高电平，此时两路全截止，两达林顿管基极军无电流通过而截止，此时电机绕组无电流通过，即停止。 当输入信号为相位相反的脉冲信号时，达林顿管 N1，P1 交替导通，截止，调整脉冲频率可使直流电机处于所定状态，改变输入脉冲的占空比，可改变电机运行方向和速度。3.2.2 光电码盘的选择和辩向电路的设计（1）光电码盘的选择 ：机械臂运动控制系统位置精度要求高，直流电机反馈选用从长春光学仪器厂生产的分辨率 2000 的光电码盘器作为位置反馈元件，其输出为 TTL 电平，5V 方波脉冲信号，所需电源电压+5V 输出波形为：（2）辨向电路的设计 光电码盘直接安装在直流电机的主轴上，在直流电机转动的过程中，即有正转也有反转，这样光电码盘输出的脉冲信号即有正转的也有反转的 。为了准确的检测电机的转动角度，必须辨别光电码盘的转动方向。这种辨别码盘转动方向的电路称为辨向电路，原理如图 3.5 所示。图 3.5 辨向电路原理图从码盘输出的两路信号 Ue,Uf 在相位上互差 90 度。设正向运动时 Uf 超前于 Ue90 度，则此时 Ue 的上升沿 AA 对应于 Uf 的高电平，反向移动时 Ue 超前于 Uf90 度，这时 Ue 的上升沿 BB 对应着 Uf 的低电平。据此可以判别码盘的转动的方向。 我们采用一片单稳态触法器 74LS221 和一片与非门 74LS00 来够成辨向电路如图 3.6 所示： 图 3.6 辨向电路原理图单稳态触法器 74LS221 只有一个稳定状态。当没有外加信号时，输出 Q 为低电平；在出发脉冲的作用下，输出 Q 为高电平，并停留一段时间自动返回低电平。此处“停留”时间在数十毫秒到数十秒范围内变化。它由外加电阻 Rext和外加电容 Cext 决定，可以大致按以下公式计算： Tw=Rext*Cext*Ln2 其中 ： 电容 C 单位为法拉 ， Tw 单位为秒 。将第一路方波信号同时送入 74LS221 的上升沿触发端 A 和下降沿触发端B 可以得到两路窄脉冲（其中脉冲宽度由外接电阻，电容调节）e 上 ，e 下，将e 上、e 下分别与第二路方波信号 Uf 进行与非运算，输出分别送入两个计数器，进行计数，这样当码盘正向运动时，计数器 1 有脉冲，而计数器 2 没有脉冲输入；当反向运动时，计数器 1 无脉冲输入而计数器 2 有脉冲输入，由此达到辨向的目的。四，控制系统模拟信号 A/D 转换的设计2.1 A/D 转换器的选型根据采集的模拟信号种类计算出 A/D 转换时所需要的模拟信号通道满足控制系统要求，以及考虑实际经济情况（ADC0809 较实惠，天猫上的价格一般在5 到 6 元之间） ，因此选择 ADC0809 转换器。ADC0809 的天猫截图如图 4.1 所示： 图 4 .1 ADC0809 的天猫截图ADC0809 引脚结构功能说明图如图 4.2 所示： 图 4.2 ADC0809 引脚结构功能说明图15、2628，IN0IN7 ： 8 路模拟量输入端。1415、8、1721，D0D7：8 位数字量输出端。2325，ADDA、ADDB、 ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路22，ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效，对应 ALE 上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。6，START：AD 转换启动信号，输入高电平有效，START 上升沿时，复位ADC0809；START 下降沿时启动芯片，开始进行 A/D 转换；在 A/D 转换期间，START 应保持 低电平。本信号有时简写为 ST.7，EOC：AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 9，OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。10，CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ，EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。12、16，REF（+）、REF（-）：基准电压。 11，Vcc：电源，单一5V。 13，GND：地。2.2，ADC0809 的工作原理ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。2.2.1 ，ADC0809 的内部逻辑结构 由下图可知，ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809 的内部逻辑结构如图 4.3 所示。图 4.3 ADC0809 的内部逻辑结构 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4 条 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A，B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B 和 C 为地址输入线，用于选通 IN0IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。C B A 选择的通道0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN20 1 1 IN31 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN7数字量输出及控制线：11 条 ST 为转换启动信号。当 ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当 EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D 转换。OE 为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7 D0 为数字量输出线。 CLK 为时钟输入信号线。因 ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为 500KHZ， VREF（）， VREF（）为参考电压输入。2.2.2 ，ADC0809 的应用说明（1） ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与 AT89C51 单片机直接相连。 （2） 初始化时，使 ST 和 OE 信号全为低电平。 （3） 送要转换的哪一通道的地址到 A，B ，C 端口上。 （4） 在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号。 （5） 是否转换完毕，我们根据 EOC 信号来判断。 （6） 当 EOC 变为高电平时，这时给 OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 2.3，ADC0809 的软件编程设计 数据采集系统 A/D 转换器与单片机的连接 P2.7 接启动信号，ADDC 、B 、A接 CPU 的地址 A2、A1、A0 。分别对 x,y,z 三个位置量，a,b,c 三个角度量（a 代表x 轴的夹角，b 代表 y 轴的夹角，c 代表 z 轴的夹角）以及 v 速度量共 7 路模拟量输入信号检测，并将采集的数据存入片内数据存储器 30H36H 单元。模拟信息数据采集采用外部中断 1 中断方式采集，ADC0809 工作在串行从模式下的硬件接线图如图 4.4 所示 ，核心汇编源程序转换结果存在 30H 到 36H 空间里。图 4.4 ADC0809 与单片机的硬件接线图汇编源程序如下 ：ORG 0000HLJMP MAINORG 0013HLJMP INT_R1 ；中断服务程序入口ORG 0030HMAIN：MOV SP， #60H ；设堆栈指针MOV R0， #30H ；设片内 RAM 首地址 MOV R7，#08 ；通道计数器SETB IT1 ；边沿触发SETB EX1 ；开外部中断 1SETB EA ；开 CPU 中断MOV DPTR，#7FF8H ；指向 ADC0809 的 IN0MOVX DPTR，A ；起动 A/DSJMP $INT_R1：MOVX A，DPTR ；读 A/D 转换结果MOV R0，A ；存入片内 RAMINC R0 ；下一单元INC DPTR ；下一通道MOVX DPTR，A ；起动 A/D 转换RETIEND五，机械臂的控制设计控制系统要求机械臂能同步仿形工艺大师的雕刻动作，其控制原理是上位单片机采集和暂存 AD 转换后的数字信号，然后将相应的数字信号传输到各下位单片机里，相应的数字信号在下位单片机经过复杂的算法（即逆运动学）与检测信号的综合处理后控制相应的电机驱动器达到机械臂运动的实时控制。当产生换刀中断时，机械臂停止雕刻转去执行换刀动作。因此机械臂实时控制包含了机械手位置控制的正、逆运动学问题，上、下位单片机通信问题，机械臂换刀问题。5.1 机械手的位置控制5.1.1 机械手几何模型设计一种五自由度机械手模型。该机械手几何模型如图 5.1 所示。其中，l 为肩关节偏航自由度， 2 为肩关节俯仰自由度，3 为肘关节偏航自由度为， 4 为腕关节偏航自由度，5 为腕关节俯仰自由度。L1、l2 分别为机械手上、下臂的长度，l3 为腕关节中心到抓手中心的距离。图 5.1 机械手几何模型及 D-H 坐标5.1.2 机械手运动学模型1 运动学方程假定机械手伸直状态下所处位置为停止位置，根据D-H方法建立各坐标系，如图3-1所示；相应的各连杆及关节的参数如表5.1所示。表5.1连 杆 /（ ）0a d cos sin1 1360 0 0 1 02 2180 l10 -1 03 3180 l20 -1 04 4360 0 0 1 05 5180 l30 -1 0将参数代入D-H齐次变换矩阵得：T = （1）10 10cossininco11T = （2）21 10sincosinsico222lT = （3）32 100sincossinci3233lT = （4）43 100cossinic44T = （5）54 100sincosinsico5355 l式中，T ( i=1，2，5)为机械手两相邻连杆间第i个杆坐标系相对于第i一1i1个杆坐标系的齐次变换矩阵。将式(1)(5)相乘可得末端抓手坐标系O x y z5相对于参考坐标系O x y z 的齐次变换矩阵为:500T = T T T T T = = （6） 501234510zzyyxxpaonR式中： （7）52342115scsnczyx（8）523421115)(csozyx（9）34211saczyx（10）213231slcplllzyx（11）)in()os(4334334 c式(6)即机械手的运动学方程。R= 为旋转变换矩阵,p=(p p p )zzyyxxaoxyz为平移变换矩阵。当已知各关节变量的值时，可根据式(6)求出当前的末端T抓手的位置和姿态。2 逆运动学问题在实际控制中，规定末端抓手的运动轨迹，并从中得到每一时刻末端抓手在基座坐标系中的位置表达式，即已知的是式(6)，要反求出相应时刻各关节变量的表达式。根据式(1)(5)求出相应的逆矩阵T (i=1，2，5)，依次左乘末端抓手i1的位置矩阵T ，得到方程组 (12)：50（12）540121335420311TT联立运动学方程(1)(6)和方程组(12)可以求出各关节变量 i(i=1，2，5)的解析解，这一组解具有不唯一性，根据关节的作业要求、防止碰撞障碍物、防止受到机械约束等实际情况，可以得到各关节变量 (i=1，2，5)的一组范围:i（13）0504302011867在约束(13)的限制下可以得到逆运动学问题的一组唯一解。3 微分关系在机械手的运动控制中，速度控制是必不可少的，所以有必要求出机械手各关节速度与末端抓手速度的关系。通常的方法是先求出机械手的雅可比矩阵J,再求出逆雅可比矩阵J ，即1可解出机械手各关节速度的解析式。设机械手关节速度向量为：（14）T521,.式中 (i：1，2，5)为关节变量 的角速度，同时设末端抓手在基座坐i i标系中的广义速度向量为：= （15） zyxz,式中, ，分别为线速度和角速度分向量，用雅可比矩阵将式(14)，(15)联系起来即为机械手各关节角速度的解析式：（16）J因所讨论的机械手只有5个自由度，对应的雅可比矩阵不是方阵，所以相应的逆雅可比矩阵是一个广义逆矩阵：J （17 ）1)(T式(17)的求取比较繁琐，而且在工作空间的某些位置上，JJ 变为奇异阵，无T法求逆。所以，采用对逆运动学解直接进行微分的方法来得到 关于的解析式。对于三角函数表达式，可以导出：(1)sin 和 cos 的表达式时，有：d=cosd(sin)-sind(cos) (18)(2)当已知 tan= 时，有:cosinNd= (19)22)()i(cosicosdd在求解逆运动学方程解的过程中，不难得到各关节变量的三角函数表达式，再利用式(18)、(19)可以迅速求得 关于的解析式。5.2 上位与下位单片机通信设计5.2.1 通信方式的设计上位单片机要把其 30H 到 36H 空间里的数字信号传输到各下位单片机。通信有并行通信和串行通信两种方式，结合所学通信知识与本控制系统要求选择串行通信方式。由于单片机扫描速度非常快，可以由上位单片机缓存。因此最终选择异步串行通信方式。串行通信如图 5.1 所示。图 5.1 串行通信5.2.1 单片机间的通信编程上位单片机机发送，下位单片机 1 接收，波特率 2400bps，晶振 6MHz，T1作波特率发生器，串行口工作在方式 1。上位单片机送出内部 RAM 30H 开始的7 个字节数据，下位单片机 1 接收数据存放在外部 RAM 3000H3006H 单元中。双机通讯串行口工作在方式 1，定时器 T1 工作在方式 2 作波特率发生器。定时初值：若 SMOD=0 ，则 X=249.49，误差较大若 SMOD=1 ，则 X=242.98=243=F3H ，误差较小 采用查询方式编程，上位单片机发送程序：SEND：MOV TMOD，#20H ；定时器 T1 方式 2，定时MOV TL1，#0F3H ；定时器 T1 初值MOV TH1，#0F3HCLR ET1 ；关中断SETB TR1 ；启动定时器工作MOV SCON，#50H ；串行口方式 1MOV PCON，#80H ；SMOD1MOV R0，#30H ；数据首地址MOV R7，#7H ；7 个数据TRS: MOV A，R0 ；取数据MOV SBUF，A ；发送WAIT：JBC TI，CONT ；发送完，清 TI 为 0AJMP WAIT CONT: INC R0 ；下一个数据DJNZ R7，TRS ；发送 7 个数据RET 下位单片机 1 接收程序：MOV TMOD，#20H ；定时器初始化MOV TL1，#0F3H MOV TH1，#0F3HCLR ET1 ；关中断SETB TR1 ；启动定时器工作MOV SCON，#50H ；串行口方式 1，允许接收MOV PCON，#80H ；SMOD1MOV DPTR，#3000H ；数据存放首地址MOV R7，#10H ；接收 7 个数据WAIT: JBC RI，READ ；接收到一个数据，清 RI 为 0AJMP WAITREAD：MOV A，SBUF ；接收数据MOVX DPTR，A ；存数据 INC DPTR ；下一个单元DJNZ R7，WAIT ；接收 7 个数据RETEND5.3 机械臂换刀中断的设计当上位单片机检测到换刀中断信号时，立即传输到各下位单片机。下位单片机立即中断机械臂当前执行的动作，转去执行换刀动作。机械臂先运动到设定的安全位置然后快速移动到换刀位置准备换刀。设机械臂的手爪合着的时候表示电信号“0” ，张开时表示“1” 。根据手爪电信号 1、0 的变化可以判断机械臂是否执行了换刀动作，也为机械臂换刀检测提供了依据。六，刀库刀盘旋转与自动换刀的设计6.1 刀库刀盘的控制设计根据控制系统要求，工艺雕刻大师换刀要求机械臂也能跟着同步换刀。设计大师更换刀具的刀盘和机械臂的刀库刀盘是一一对应编号的。设计每把刀具存在刀库上时用数字信号“1”表示，刀具不在刀盘上时用数字信号“0”表示。而且结合刀库设计组提供的刀具数量，用上位单片机 40H 和 41H 储存刀具的数字信号。刀库刀盘的随机选刀换刀设计图如图 6.1 所示。 图 6.1 随机选刀换刀如图 6.1a 所示，刀库有 16 个刀座，可存放 16 把刀具。刀座固定位置编号为方框内 116 号，0 为主轴刀位置号，由于刀具本身不附带编码环，所以刀具编号可任意设