机械手的单片机控制设计

摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承当着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本文主要介绍了平面关节型机械手用于给设备运送物料。机械手的大、小手臂分别在互相垂直的两个平面内摆动，结构紧凑，占地面积小。采用机械手后速度提高，减轻了劳动强度，并保证了平安生产。该设计包括各控制系统的组成及结构、伺服运动控制系统的设计及单片机控制电路等内容，最终实现机械手的优势功能。关键词：工业机器人机械手伺服运动控制系统单片机控制电路AbstractIntoday'slarge-scalemanufacturingenterprisestoimproveproductionefficiency,protectthequalityofproducts,thegeneralemphasisonthedegreeofautomationofproductionprocesses,industrialrobots,automatedproductionlineasanimportantmemberofgraduallyrecognizedandadoptedbyenterprises.Industrialrobottechnologyandapplicationstosomeextentreflecttheextentofacountry'slevelofindustrialautomation,atpresent,industrialrobotismainlyresponsibleforthewelding,coating,handling,andstackingandotherrepetitive,andthelabor-intensivework,workapproachgenerallyadoptedwayofteaching-playback.Thispaperdescribestheplanararticulatedrobottothedeviceusedfortransportationofmaterials.Manipulatorlargeandsmallarmsperpendiculartoeachotherrespectivelyinthetwoplaneswing,compactstructure,smallfootprint.Afterthemechanicalhandspeed,reducinglaborintensity,andtoensuresafetyinproduction.Thedesignincludingthecompositionandstructureofcontrolsystem,servomotioncontrolsystemdesignandMCUcontrolcircuitetc.,andultimatelytheadvantagesofrobotcapabilities.Keywords:IndustrialRobotRobotServoMotionControlSystemsMCUcontrolcircuit目录摘要1Abstract………………………….21绪论52机械手的产生与开展62.1机械手的历史62.2应用简况72.3开展趋势72.4机械手的分类82.5机械手的组成和动力源的比拟9机械手的组成9执行机构9驱动机构10控制系统112.6应用机械手的意义11以提高生产过程中的自动化程度11以改善劳动条件，防止人身事故11可以减轻人力，并便于有节奏的生产123机械手的设计123.1机械手的选定123.2动作分析14手部14手臂的前后伸缩局部15手臂的上下升降局部15腰转局部153.3传动部件选定153.4选择臂部回转远动驱动力矩几电动机的选择15臂部驱动力矩的计算16升/下降电动机16部件设计—立柱的设计16丝杠的计算184伺服运动控制系统电路设计194.1系统总体方案194.2各模块工作原理19运动控制芯片19单片机20功率放大芯片20增量式光电编码器20直流伺服电机20通信模块204.3运动模块设计214.4驱动模块设计214.5位置检测模块设计224.6直流电机调速23直流电机工作原理234.6.2PWM调速244.7通信模块设计25显示电路设计26键盘电路设计264.8复位电路设计274.9晶体震荡电路设计275伺服运动控制系统的软件设计285.1软件功能概述285.2主程序设计28主程序流程28初始化程序30任务处理循环315.3控制系统的程序316总结34参考文献35致谢361绪论机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并且成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成局部。机械手是一种能模拟人的手臂的局部动作，按预定的程序轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工作或操纵工具的自动化装置。而可编程逻辑控制器(PLC)由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改、易于扩展和维护、环境要求低、体积小巧、安装测试方便等性能在工业控制中有着广泛的应用。这种新技术开展很快逐渐形成一门新兴的学科——机械手工程。机械手是近几十年开展起来的一种高科技自动化生产设备。机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可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，尤其表达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，在国民经济各领域有着广阔的开展前景。图1.1机械手结构图注：1—机身；2—大臂电机；3—光电编码器；4—大臂；5—小臂电机6—同步带；7—光电编码器；8—小臂；9—手腕升降电机；10—手抓电机；11—手抓。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手的迅速开展是由于它的积极作用正日益为人民所认识：其一、它能局部的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国，近几年来也有较快的开展，并取得一定的效果，受到机械工业部门的重视。2机械手的产生与开展2.1机械手的历史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年美国机械制造公司也制造出一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降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开展的根底。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。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。日本是工业机械手开展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始开展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大局部还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改良的方向主要是降低本钱和提高精度。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，把感觉到的信息反应，是机械手具有感觉机能。第三代机械手那么能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步开展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。2.2应用简况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已根本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手在锻造工业中的应用能进一步开展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位到达镶装的目的。2.3开展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业开展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点开展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的开展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个根本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，开展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的开展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反应外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪〔即距离传感器〕以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反应控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，到达自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的开展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。2.4机械手的分类机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来开展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机效劳的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。2.5机械手的组成和动力源的比拟2.5.1机械手的组成机械手由以下结构：执行机构——驱动-传动机构——控制系统——智能系统四局部组成。其组成及相互关系如下列图：图2.1机械手的组成机械手的设计设想是以人的手为根底，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下四局部来实现：1、自由度的旋转2、肩的前后动作3、肘的上下动作4、腕(手)的动作2.5.2执行机构1手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。2手臂手臂有无关节和有关节手臂之分。手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。由于机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。2.5.3驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂本钱较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的到达8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，本钱低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动那么用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手那么考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比拟大；缺点是控制响应速度比拟慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，本钱低；缺点是不易调整。2.5.4控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。图2.2控制顺序图控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。2.6应用机械手的意义随着科学技术的开展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：2.6.1以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产本钱。2.6.2以改善劳动条件，防止人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可局部或全部代替人平安的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以防止由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。2.6.3可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。由上所述，有效的应用机械手，是开展机械工业的必然趋势。3机械手的设计3.1机械手的选定工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧〔吸附〕专用工具〔如喷枪、扳手、焊具、喷头等〕进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及外表状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：1.式取料手2.式取料手3.操作器及转换器4.多指灵巧手本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如下列图所示图3.1机械手手指形状传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图3.1为初步设计的机械构简图〔只画出了一半，另外一半关于中心线对称〕。图3.2机械构简图在上图中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联，使电机最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运动。图3.2中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。机械手的工艺流程：机械手原位→机械手前伸→机械手上升→机械手抓取并夹紧→机械手后退→机械手前进→小车停止→机械手左转90°→机械手前伸→机械手松开→机械手后退→机械手下降→机械手右转90°→小车后退→退至原位。这几局部中我们靠机械完成机械手的上升下降动作，即本课题所做的机械手。机械手的上升与下降主要是靠滚珠螺旋传动来完成的。滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杆传动是带动滚珠沿螺纹轨道滚动。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运动副相比，有以下特点：1传动效率高一般滚珠丝杠副的传动效率达85%-98%，为滑动丝杠副的3-4倍。2运动平稳滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差异很小。启动时无冲击，低速时无爬行。3能源预紧预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。同时增加的摩擦力矩相对不大。4工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦外表为高硬度、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠副的4-10倍以上。5定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸的补偿的膨胀，因此，可以到达较高的定位精度和重复定位精度。6同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件。可以得到较好的同步运动。7可靠性高润滑密封装置结构简单，维修方便。8不自锁用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。9经济性差，本钱高由于结构工艺复杂，故制造本钱高价格往往以mm计。3.2动作分析工业机械手的机械机构是指它的执行系统，是机械手抓持工件、进行操作及各种运动的机械部件。机械部件主要包括手部，手臂前后伸缩局部，手臂上下升降局部腰转局部以及机座和行走机构。3.2.1手部手部：包括杠杆手指，单向作用式握紧油缸等。其工作原理：物体进入手指后，拉杆手油缸作用，通过拉杆带动杠杆手指回转，实现握紧或松开动作。3.2.2手臂的前后伸缩局部手臂的前后伸缩局部由直线油缸带动实现。当直线油缸工作时通过活塞杆行程的变化，完成手臂的伸缩运动。3.2.3手臂的上下升降局部手臂的上下升降局部是由电动机、丝杆传动副、立柱等局部组成。当电动机工作时，通过联轴器转动丝杆，由于丝杆螺母周受到立柱的径向转动限制，使得螺母及手臂架只能作上下运动。3.2.4腰转局部腰转局部主要由转盘和回转油缸组成。当压力油进入回转油缸时，回转油缸的回转轴回转，通过活塞杆的伸缩带动转的转动，从而实现机械手的左右转动。3.3传动部件选定由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机械手的传动机构的一般要求有：1结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻。2传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动。3回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度。4寿命长、价格低。本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。3.4选择臂部回转远动驱动力矩几电动机的选择3.4.1臂部驱动力矩的计算臂部回转远动驱动力矩公式：M驱=M惯+M摩M惯=〔G/g+J〕W/△tM驱臂部驱动力矩M惯转动惯量其中J=ml/3，把手臂视为均质等截面细直杆对通过杆端与杆垂直轴的转动惯量，M为手臂的自重，L为手臂垂心到轴的距离。G为工件垂量。为工件垂心到轴的距离手臂自重G为200N,为0.6,g为9.8，△t为18M惯=〔200/9.8+200×0.6/3m〕×/18=〔20.4+2.45〕×/18=3.99N·M考虑到驱动电机在驱动时还要克服摩擦阻力，故M惯系以平安系数K=1.2，M驱=1.2M惯=1.2×3.99=4.788初选左转/右转电动机为110BF004，其最大转距为4.9N·M3.4.2升/下降电动机P=arctgP/D(其中P的数值即为L，D为公称直径)=arctg10/39=4.67Fx=F×tg=400×tg4.67=32.68N考虑手臂升降时主要克服摩擦阻力，惯性和远动部件重力。取平安系数K=3Fx=3×32.68=98.04NT=Fxd/2=98.04×20×10=1.96N·M初用上升/下降电机为90BF001，其中最大静转距为3.92N·M3.4.3部件设计—立柱的设计ACBFbACBFbRbGRbGQDQD图3.3AC=1200CD=550立柱主要实现手臂的上升与下降，选用滚珠丝杆的驱动机构，该结构的优点是转动平稳可靠，传动效率高，制造加工复杂，适合于形状规那么的大型工件做升降远动的手臂结构。1.立柱的计算：如图3.3CD为丝杠〔Z轴上下即手臂的上升/下降〕最大行程550mmAC为手臂伸缩〔R轴伸缩〕，最大行程400mm,由于R轴伸缩由液压来控制，AC最小应为800mm，再夹紧缸，手爪等因素，设AC=1200mm其中B点为AC中点，假设手臂自重G为200N，作用在B点。AD===1320mmBD===814mm将作用在A、B两点的力如图分解，求R、R550/1320=200/R解得R=480N550/814=200/R解得R=296N求R、R对D点的翻转变距M=R×〔0〈X〉1320〕=R×1320=480×1320=633600N.mmR与R对点总的翻转变距为M=M+M=633600+240944=874544N.mm2设计立柱的直径：当手臂刚度很大，不发生变形时，可认为两立柱承受大小相等的翻转弯距。立柱的材料选用45钢，其=190MPa〔45钢属于常用材料应首先考虑〕M=1/2M=1/2×874544N.mm=437272N.mm=M/Wz==286mm考虑到手臂在运动中平稳，乘以平安系数K=2d=2×28.6=57.2mm取d=60mm3.4.4丝杠的计算因为手臂的上升/下降〔即Z轴上下〕的最大运动速度为100mm/S丝杠转速n=60V/S=60×100/10=600r/min丝杠导程选P=100mm等效负荷Fm=400×3=1200N其中3为平安系数手臂作垂直升降运动时，除要克服惯性之外，还要克服摩擦力和臂部运动部件的重力，故乘以平安系数3初选丝杠：取Th=15000h根据工作条件查得：ft=1,fa=1,fw=2.5,fh=1Cao=Fmfw/fff(60Lh.nm/100)=1200×2.5/1×1×1〔60×15000×600〕=24429.8N选丝杠为4010-5为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动那么用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手那么考虑采用同一种形式的动力，出力比拟大；缺点是控制响应速度比拟慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，本钱低；缺点是不易调整。4伺服运动控制系统电路设计4.1系统总体方案机械手的总体框图如图4-1所示，运动控制芯片接受来自PC机的命令，经过功率放大芯片驱动直流电机，光电编码器把位置信号反应给运动控制芯片，经过PID控制器的运算，对机械手进行控制。通信模块单片机运动控制芯片通信模块单片机运动控制芯片直流电机功率放大芯片直流电机功率放大芯片位位置反馈增量式增量式光电编码器图4.1机械手的伺服运动控制系统的系统框图4.2各模块工作原理4.2.1运动控制芯片运动控制芯片通过8位数据线和6根控制线与单片机的I/O口相连。运动芯片输出的脉宽调制幅度信号和方向信号直接驱动功率放大芯片,经过功率放大后驱动直流电机。运动芯片在进行位置控制的同时,还对速度进行控制。运动芯片在接受到主机送来的位置信号后,按梯形图生成加速、匀速、减速的速度曲线,曲线与坐标横轴所包围的面积就是指定的位置。PID算法中的比例、积分和微分系数有时需要进行修改,因此将它们存储在单片机的EEPROM中。4.2.2单片机单片机通过数据线向运动芯片发送位置或速度命令、设定PID调节参数,并从运动芯片中读取速度、加速度等数值。同时，单片机为运动控制芯片提供加速度、速度和目标位置量,在每个采样周期用这些值来计算出新的命令和位置给定值,将其作为指令值。4.2.3功率放大芯片功率放大芯片是双极性H桥功率放大电路,与运动控制芯片的输出信号PWMM和PWMS通过一个逻辑门电路相连,控制直流电机的正、反转和停止。4.2.4增量式光电编码器增量式光电编码器提供半闭环控制所需的反应信号(A、B、IN),梯形图发生器计算出位置或速度模式下所需控制的运动轨迹。同时，增量式光电编码器检测电机的实际位置,其输出信号经过运动控制芯片四倍频后进行解码,形成位置反应值。指令值与反应值的差值作为数字PID校正环节的输入。通过数字调节器PID计算,运动控制芯片输出脉宽调制信号PWMM和方向信号PWMS用于控制功率芯片,进而驱动电机运动到指定的位置。4.2.5直流伺服电机伺服电动机又叫控制电动机,在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号〔控制电压或相位〕变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。其容量一般在0.1~100W,常用的是30W以下。4.2.6通信模块通信模块包括显示电路和键盘电路。显示局部采用共阴LED数码管，可对行程开关状态、操作数等进行显示。键盘局部用来向单片机输入运动参数。4.3运动模块设计运动模块主要由运动控制芯片LM629构成，它与单片机PIC16F877的连接如图4-2所示。图4.2运动模块单片机与LM629通过数据总线和控制线相连，LM629的D0~D7分别与单片机的RD0~RD7相连，LM629的、、、、、分别与单片机的、、、、、相连。LM629的时钟信号来自于单片机的时钟信号，其目的是使系统的时钟同步，同时减少元器件的数目，提高系统可靠性。LM629是单片机的外设，当端为低电平时，LM629被选中。为程序/数据选通端，当为高电平时，单片机通过8位数据总线从LM629读数据或向LM629写数据。当为高电平时，LM629向单片机申请中断，LM629有6个中断源，分别是命令错、运动完成、Index脉冲、位置信息错、位置超差和断点到，所有中断源都是通过该引脚申请中断，单片机通过读取状态字来判断具体产生中断的中断源，相应的中断处理程序就对该中断进行处理。LM629的、A、B引脚用来接收增量式光电编码器的输出信号。LM629的PWMMAG和PWMSIGN引脚分别输出PWM幅值和方向信号，用来控制直流电机。4.4驱动模块设计驱动模块主要由L298N芯片和电流泄放回路组成，它与电机的连接电路如图4-3所示。图4.3驱动模块L298N是双极性H桥功率放大电路,与LM629输出信号PWMM和PWMS通过一个逻辑门电路相连,控制直流电机的正、反转和停止。由前文中的图3.2知，当V1、V4导通时，电流从2脚流进，从3脚流出，最后从1脚流出；当V2、V3导通时，电流从3脚流进，从2脚流出，最后也从1脚流出。不管线圈中的电流是正向还是反向，电流都是1脚流出，这就很容易测出通过线圈的电流大小。图3.3中的RS为一小电阻大功率的采样电阻，电阻上端的电压与通过电阻的电流大小成正比，所以如果需要测量线圈的电流只需间接地测量1脚的电压。驱动模块中，7407与电阻串联以增加门电路负载，驱动功率放大模块。在芯片LM629和L298N之间增加光电耦合器4N25,进行电气隔离,保护单片机和运动芯片并减少强电干扰。由于直流电机是感性负载,因此选用功率二极管DIN5391组成电流泄放回路,以保护功率芯片L298N。4.5位置检测模块设计位置检测模块主要通过检测与电机轴相连的增量式光电编码器(此处选用PHB-1传感器),从而实现检测并获取各关节电机轴位置的目的,如图4.4所示。图4.4位置检测模块由光电编码器输出的信号A、B是两路正交的方波，IN为码盘每转一圈产生一个脉冲所形成的脉冲信号。电路将增量式光电编码器输出的差动信号(A+、A-、B+、B-、IN+、IN-)经过BL1502合成单端信号A、B、IN。合成后的单端信号A、B、IN分别与LM629的引脚A、B、IN相连。利用差动信号传输,可以有效地解决干扰和远距离传输问题。为了进一步消除干扰,在输入端每根线上都加上了一个滤波电容，用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑。在两根差动的信号线之间接了一个用于线路阻抗匹配的电阻，负载阻抗与鼓励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。为减少计数误差，LM629对编码器的计数进行了4倍频，提高了分辨率。A和B的逻辑状态每改变一次,LM629的位置存放器就加(减)1。当码盘的A、B、IN都为低电平时,产生一个Index信号送入存放器,记录电机的绝对位置。4.6直流电机调速4.6.1直流电机工作原理直流伺服电动机的结构和一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。也有永磁式的，即磁极是永久磁铁。通常采用电枢控制，就是励磁电压一定，建立的磁通量Φ也是定值，而将控制电压Uc加在电枢上，其接线图如图4-5所示图4.5直流伺服电动机接线图直流伺服电动机的机构特性〔n=f(T)〕和直流鼓励电动机一样，也用下式表示：n=Uc/KE·Φ-Ra/KE·KT·Φ·T图4-6是直流伺服电动机在不同控制电压下〔Uc为额定控制电压〕的机械特性曲线。由图可见：在一定负载转矩下，当磁通不变时，如果升高电枢电压，电机的转速就升高；反之，降低电枢电压，转速就下降；当Uc＝0时，电动机立即停转。要电动机反转，可改变电枢电压的极性。图4.6直流伺服电动机的n=f(T)曲线PWM调速由LM629输出的信号PWMM、PWMS经电气隔离后输出A、B信号，其经过与非门构成的逻辑门电路后，输出信号C、D，信号C、D经过功率放大芯片输出E、F信号，作用于直流电机，如图4-7所示。图4.7PWM调速原理图由图4-7知:E=C=,F=D=,在每个PWM周期里，当有L298N的OUT1端口输出的控制信号E为高电平，OUT2输出F为低电平时，二极管D10与D11导通，D9与D12截止，电枢绕组承受从E到F的正向电压；当有OUT1输出的控制信号E为低电平，OUT2输出F为高电平时，D9与D12导通，D10和D11截止，电枢绕组承受从F到E的反向电压。当E、F都为高电平时，电机停止运转。4.7通信模块设计单片机的许多应用都需要进行人机对话，键盘是解决计算机输入的简单手段；借此可以向计算机输入程序、置数、送操作命令、控制程序的执行等等，人机交互接口采用键盘和LED显示器方式,本系统中采用SPI串行通信接口分时复用方式扩展键盘电路和显示电路，如图4-8所示。图4.8通信模块4.7.1显示电路设计显示局部采用共阴LED数码管，可对行程开关状态、操作数等进行显示。显示时采用串行口输出段码，用4片74LS164来驱动4个数码管。74LSl46为TTL单向8位移位存放器，可实现串行输入，并行输出。其中A、B为串行数据输入端，CLK为时钟输入端，分别连接到SPI串行口的SDO、SCK端。RCO与RC3相与为高电平时，移位存放器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74LS164中，在给出了8个脉冲后，最先进入74LS164的第1个字节数据到达了最高位。再来一个脉冲，第1个脉冲就会从最高位移出，进入下一片74LS164的第1位。4片74LS164首尾相串，而时钟端那么接在一起。这样，当第4个8个脉冲到来后，第1个字节数据就进入了第4片了4LS164。其它数据依次出现在第3至第1片74LS164中，实现了数据在74LS164中的串行输入，并行输出。4.7.2键盘电路设计根据机械手的功能要求，将键盘的按键规划为以下几个局部:功能键:功能键3个:Fl、F2和F3，功能键主要用于菜单功能选择；操作键:操作键包括确定键、复位键、返回键和翻屏键，其中确定键用于对所设置的参数进行确定操作，复位键用于控制系统软件复位，返回键用于菜单返回，翻屏键用于在动作示教、参数设置时，一屏无法显示全部内容，采用翻屏的方式显示下面的内容；动作键:10个动作键对应于机械手的10个根本动作，在有些情况下，这10个键还对应于0~9的10个数字按键；方向键:4个方向键用于控制光标移动，完成相关设置和选择功能。综上所述，系统共使用了21个按键，完成控制系统中所有的设置和选择。由于按键数量较多，选择了3行8列的行列式键盘。本系统采用RB端口高4位电平变化中断功能实现对键盘的实时监控。减少了CPU对键盘不断扫描的实时监控过程，提高了对CPU资源的利用。RB4、RB5、RB6和74LS164的8位输出线构成3*8键盘，其中只用到21位键，其它空接。设置74LS164的8位输出线为行扫描线，RB4、RB5、RB6为输入列扫描线。74LS164初始化输出全为低电平，RB4、RB5、RB6、RB7初始化输入高电平，当有键按下时，对应的列输入线变为低电平，由于RB4~RB7具有电平变化中断功能，发生中断。故可准确的判断功能键，以做出正确处理。4.8复位电路设计复位电路如图4-9所示，复位状态可以由系统上电时，把输入拉为低电平。振荡启动定时器OST作用或输入为低时，单片机将保持复位状态。复位时，单片机状态被设定如下：振荡器工作或启动，包括电源上升启动或睡眠启动；I/O控制存放器设定为全“1”，使所有的I/O引脚处于高阻状态〔即输入态〕；程序计数器PC设为全“1”；状态存放器F3的程序页面选择位〔最高2位〕清零。图4.9复位电路4.9晶体震荡电路设计石英晶体震荡电路如图4-10，它的三个端口分别与PIC单片机的引脚OSC1/CLKIN、OSC2/CLKOUT以及运动控制芯片LM629N的CLK引脚相接。图4.10晶体震荡电路在单片机采用石英晶体振荡器时，所采用的电容器和产生的频率有所不同。电容值取大有利于震荡的稳定，但却会延长起振时间。本论文选用高速〔HS〕振荡器，频率为8MHZ，故PIC的指令周期为0.5，相应电容选择30PF。OSC1为单片机的振荡信号输入端，这个端用于外部震荡信号输入。OSC2为振荡信号输出端，在RC振荡器中当作CLKOUT〔CLKOUT=/4〕输出。5伺服运动控制系统的软件设计5.1软件功能概述控制系统的软件局部主要包括初始化模块、运动控制模块、位置检测模块和通信模块。单片机根据位置检测模块获取的信息,确定机械手各关节的速度、加速度和位置,将这些信息传入LM629,由速度梯形图生成速度曲线,进行位置控制。PID调节器根据输入指令和反应信息来补偿闭环系统。在程序编制过程中,通常采用增量式PID算法。通信模块建立单片机和PC机之间的通信。在PC机端,利用VisualC++编写串行通信程序和参数输入界面。在PIC16F877端,用汇编语言编写通信程序,实现PC机和单片机之间的双向通信。5.2主程序设计5.2.1主程序流程主程序的根本任务就是在对单片机和各外设进行初始化后，接收上位机输入命令，完成一定的电机控制任务。另外在机械手臂上电后和工作过程中定期进行关节归零工作，保证手臂的关节处于正确的初始位置。手臂部的任何动作都可以分解成假设干个臂部关节的定位过程，关节定位过程要控制两个量:速度和位置。在主程序的前面，必须要设置中断向量表。控制系统用到的中断有外部中断、串口中断和软件中断。中断效劳程序可以放在地址空间的任意位置(除系统保存的空间外)，但每一种中断效劳程序的起始地址需要放在相应的中断向量单元中。在程序的最前端，将系统使用的专用存放器定义为符号表示，同时将程序中需要使用的变量和常量也采用符号表示，以便使程序更具有可读性。图5-1是主程序流程图，主程序分为初始化模块和任务处理循环模块，下面分别加以介绍。开始开始设置堆栈存放器清零初始化I/O口子程序初始化电机控制输出口设置中断和波特率关节归零子程序任务处理循环图5.1主程序流程图5.2.2初始化程序初始化程序主要完成堆栈指针设置、通用存放器清零、初始化I/0,A/D转换设置、中断设置以及串口通讯设置等。因堆栈向下增长，故将堆栈指针值设置为通用存放器顶端附近的地址，尽可能扩大堆栈可使用空间，这样可以防止在多级调用子程序后堆栈进入已定义变量使用的存放器空间，以免造成错误。在将通用存放器清零时，例外的是映射电机控制输出端口的存放器(用来保存端口输出状态)需重新设置，与端口的输出状态保持一致。5.2.3任务处理循环在上位机输入命令引起中断而调用的外部中断效劳程序里，获得任务代码，新任务标志位被设置为1。将任务代码与事先定义好的任务常数逐一进行比拟，相符的话就调用相应的任务子程序。执行完任务子程序后返回检查新任务处，从而形成一个大循环。5.3控制系统的程序程序的主要过程是想让机械手由原位→机械手前伸→机械手上升→机械手抓取并夹紧→机械手后退→机械手前进→小车停止→机械手左转90°→机械手前伸→机械手松开→机械手后退→机械手下降→机械手右转90°→小车后退→退至原位。程序开始首先将工序控制存放器R2清零，将工序模拟显示灯清零即将P1口清零。然后在程序段STA检测P2口的输入情况，如果某一位假设P2.2为高电平，就转到该位对应的按键所控制的下一段程序NEXT2处执行，先调用一延时10ms子程序，然后重新判断该位是否还为高电平，否，就返回STA重新检测，是，就继续执行下一步，判断该为是否变为低电平，否，就在此等待松键，是，就将该加工方法的工序模拟信号所在的表格标号TAB2送查表基址DPTR，然后转到主程序端LOOP执行。主程序清单如下：ORG0000HLJMPMAINORG0030HMAIN:MOVR2,#00H；将工序控制存放器零MOVP1,#00H；将P1口清零MOVR0,#00H；将存放器R0清零STA:JBP2.0,NEXT1；判断哪个按键被按下就JBP2.1,NEXT2转到应程序段处执行JBP2.2,NEXT3JBP2.3,NEXT4JBP2.4,NEXT5LJMPSTANEXT1:LCALLDLS10MS；调用延时10ms子程序JNBP2.0,STA；P2.0=0就返回重新判断JBP2.0,$；P2.0=1等待松键MOVDPTR,#TAB1；将表首址给查表基址DPTRLJMPLOOP；转到LOOP程序段NEXT2:LCALLDLS10MSJNBP2.1,STAJBP2.1,$MOVDPTR,#TAB2LJMPLOOPNEXT3:LCAL