__工藝雕刻同步仿形控制系統(tǒng)設計的控制系統(tǒng)

1、一：工藝雕刻同步仿形控制系統(tǒng)的總體設計1.1，對同步仿形控制系統(tǒng)的分析課題設計任務：根據工藝雕刻大師雕刻動作和工藝雕刻流程，要求能同步把工藝雕刻師的動作和工藝雕刻流程同步到多臺同步仿形工藝雕刻機上， 在工藝雕刻師完成一件作品同時， 在同步工作臺上同時完成或同步完成多個一模一樣工藝產品的自動化同步雕刻產品。 根據工藝雕刻大師雕刻動作和工藝雕刻工藝流程和過程，根據機械系統(tǒng)運動原理，分析和設計能滿足同步雕刻機電控制系統(tǒng)。課題要求根據工藝雕刻大師雕刻動作和雕刻工藝流程，能把工藝雕刻師的動作和工藝雕刻流程同步到多臺同步仿形工藝雕刻機上， 并把所檢測信號轉換和處理系統(tǒng)， 傳遞給同步仿形雕刻工作臺接收信號處

2、理系統(tǒng)， 轉換成同步仿形機構、刀庫和換刀機械手同步信號。根據課題要求， 控制系統(tǒng)要對機械臂多自由度的實時控制， 同步仿形的控制，以及對刀庫與自動換刀的控制。具體的說，根據機械臂模塊的要求，機械臂是采用 5 自由度的關節(jié)式機器人的結構。因此，多自由度的控制即對機械臂 5 自由度運動的控制。同步控制是要求把雕刻大師的動作，力度，速度等同步到機械臂上去，其實就是刀具位置路徑的同步。 仿形控制是把雕刻大師雕刻作品時的走刀形狀仿形到機械生產的毛坯上去，也是刀具位置路徑的控制。刀庫和換刀自動控制是當雕刻大師更換刀具時，要求系統(tǒng)能采集實時信號控制刀庫旋轉到換刀位置同時機械臂也到達換刀位置進行自動換刀。1.2

3、 ，控制方法的選擇1.2.1，兩種控制器件的比較在雕刻機電控制系統(tǒng)中，工程上主要應用 PLC、單片機等作為主控器件來搭建動力系統(tǒng)的控制電路和其它輔助電路。 下面對幾種控制器的性能特點和應用范圍作一下比較。PLC 控制： 可編程控制器是在繼電器接觸器控制技術和計算機技術的基礎上發(fā)展起來的。目前隨著 PLC 在處理速度、控制功能、通訊能力及控制領域諸方面的不斷拓展，它已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置。PLC 的基本功能包括：條件控制、步進控制、定時，計數控制、數據處理、AD 與 DA 轉換、運動控制、過程控制、通訊聯網、遠程 IO 和狀態(tài)臟控等。PLC 是面向用戶的專用工業(yè)控制計算機，其控制功能是通過存

4、放在存儲器內的程序來實現的。它的特點是可靠性高、抗干擾能力強，軟件簡單易學，擴展方便、組合靈活，使用維護方便，體積小、質量輕、功耗低。PLC 已廣泛應用于冶金、采礦、建材、石油、化工、電力、機械制造、輕工、紡織等行業(yè)中。其應用大致可分為以下幾種類型。(1)用于開關邏輯控制：這是 PLC 最基本的應用場合，用 PLC 可取代傳統(tǒng)的繼電器控制，也可取代順序控制?？傊琍LC 可用于單機、多機群以及生產線的自動控制。(2)用于機械加工的數字控制：PLC 和計算機數控裝置組合成一體，可實現數字控制，組成數控機床。(3)用于機器人或機械手控制。(4)用于閉環(huán)過程控制。(5)PLC 可與集散控制系統(tǒng)進行通

5、訊連接組成多級控制系統(tǒng)，實現工廠自動化網絡。單片機控制:單片機以其卓越的性能，得到了廣泛的應用，已深入到各個領域。它的特點如下：(1)小巧靈活、成本低、易于產品化。它能方便組裝成各種智能式測、控設備及各種智能儀器儀表。(2)處理能力較強。MCS-51 單片機指令系統(tǒng)中有加、減、乘、除及各種邏輯運算和轉移指令，還具有位操作功能，這在檢測、控制中特別有用。(3)易擴展，很容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)，控制功能強。單片機的邏輯控制功能很強，指令系統(tǒng)有各種控制功能用指令。(4)可以很方便地實現多機和分布式控制。單片機的應用范圍很廣，從家用電器、智能儀器儀表、通訊、計算機外部設備、多機分布系統(tǒng)、工業(yè)控制直

6、到火箭導航尖端技術領域，單片機都發(fā)揮著十分重要的作用。1.2.2 控制系統(tǒng)控制器的確定結合課題要求和前面對兩種控制器件的比較，從經濟和控制要求方面考慮，擬選用單片機作為主控芯片。單片機的體積小、價格低、可擴展余地較大。由于本例中的演示型機器人對運行的要求并不高，使用單片機擴展一些常用的芯片，可使機械臂完成相應動作和系統(tǒng)的自動換刀。 并且與單片機配用的芯片一般都比較便宜，體積也較小，能夠滿足安裝空間的要求。1.3， 控制系統(tǒng)方案的確定1.3.1 控制方案的確定機械手的控制方式有很多，就位置控制而言，有點位控制，連續(xù)軌跡控制。本控制系統(tǒng)的機械手臂控制要求同步仿形雕刻大師的動作， 要完成各種復雜的動

7、作任務，對手爪的運動軌跡也有嚴格的要求，因此采用連續(xù)軌跡控制方式。1.3.2 驅動方式的確定機械臂的驅動方式主要有液壓、氣動和電動三種，前兩種所需輔助器件多，不易實現。而電機便于控制，能實現較復雜的運動，很適合在程序控制下做驅動部件，所以選擇電機驅動方式。為滿足雕刻系統(tǒng)控制要求，我們選用步進電機和直流電機兩種步進電機在臂部旋轉、臂部伸縮、腕部 升降、手爪開合 以及刀庫刀盤的旋轉，而腕部旋轉采用直流電機，利用光電碼盤做反饋元件，實現閉環(huán)控制、手部回轉采用直流電機。1.3.3 步進電機控制方式的確定在控制精度要求較高的情況下，步進電機也可采用閉環(huán)控制，但由于步進電機有步距，難以實現很精確的閉環(huán)控制

8、。在步進電機能自動調節(jié)步距誤差而且步進電機在控制精度不太高的情況下，完全可以采用開環(huán)控制，本系統(tǒng)電機控制的速度、位置等要求精度高，而為降低成本，采用開環(huán)控制方式。1.3.4直流電機控制方式的確定直流電機的控制方式很多如：數字控制、軟件控制等，前者硬件結構復雜、成本高，后者硬件結構簡單，成本低，控制靈活，改變軟件程序，就可以使電機實現多種運動，所以我們采用軟件伺服方式。增量式光電編碼盤，可以實現直接輸出數字脈沖信號，在軟件伺服系統(tǒng)中，適合做反饋元件。本系統(tǒng)采用增量式光電碼盤做直流電機的反饋元件。1.4，控制系統(tǒng)總的方案設計由同步仿形控制系統(tǒng)的分析結合所學知識設計出控制系統(tǒng)總的設計方案框圖如圖 1

9、.1 所示。圖 1.1控制系統(tǒng)總的設計方案框圖反饋檢測反饋檢測反饋檢測采集的模擬信號A/D轉換上位單片機換刀中斷1 號刀庫與換刀自動下位單片機 1機械臂 12 號刀庫與換刀自動下位單片機 3機械臂 33 號刀庫與換刀自動機械臂 2下位單片機 21.5，控制系統(tǒng)總設計方案的論證控制系統(tǒng)把采集到的模擬信號經過 A/D 轉換變成相應的數字信號輸送到上位單片機中進行復雜算法的信號處理。 通過上位單片機的處理后把數字信號傳輸到各下位單片機上對機械臂進行動作控制。 這說明機械臂的控制是由具體的空間位置量決定的，理論上和實際上都是可行的。由于機械手臂的獨立變量是關節(jié)變量， 而刀具位置軌跡通常是在參考坐標系中

10、說明的，因此要較頻繁地用到運動學正問題和運動學逆問題。表示兩種問題關系地簡單方框圖如圖 1.2 所示。圖 1.2運動學正問題和逆問題刀庫和換刀的自動通過上位單片機外部中斷的形式實現。 已經編碼的刀具上裝有相應的傳感器，當工藝雕刻大師需要更換刀具接觸到另外的刀具時，刀具傳感器發(fā)出中斷信號。 上位單片機得到換刀中斷信號后立即中斷同步仿形的雕刻轉去判斷刀庫需要旋轉的度數和下降量以及機械臂需要的動作并調用相關的中斷處理子程序完成自動換刀和刀庫自動運動。刀庫和換刀自動控制框圖如圖 1.3 所示。圖 1.3刀庫和換刀自動控制框圖運 動 學逆問題單片機處理x,y,z 位 置數字量x,y,z 位置模擬量運 動

11、學正問題換刀中斷信號單片機處理刀庫運動和機械臂換刀同步仿形雕刻暫停二，控制系統(tǒng)的硬件設計本控制系統(tǒng)主要由單片機本體部分、輸出口擴展部分、驅動部分、檢測部分組成?？刂葡到y(tǒng)的總的硬件組成如圖 2.1 所示。圖 2.1控制系統(tǒng)的總的硬件組成機 械臂步進電機驅動器步進電機直流電機驅動器直流電機檢測電路信息輸入89C51 單片 機 為核心，8255為擴 展 口的控制光電耦合刀盤旋轉檢測電路2.1 單片機的選擇選擇 AT89C51 單片機為核心的控制器，AT89C51 單片機引腳圖如圖 2.2 所示。89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 8位微處理器，俗稱單片機。89

12、C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。圖 2.2AT89C51 單片機引腳圖AT89C51 單片機管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH

13、進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。P1 口：P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。P2 口：P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故

14、。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口， 可接收輸出 4 個 TTL門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選

15、功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（記時器 0 外部輸入） P3.5 T1（記時器 1外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的

16、頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置0。此時，ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號將不出現。/EA/VPP ： 當 /EA 保 持 低 電 平 時 ， 則 在

17、 此 期 間 外 部 程 序 存 儲 器（0000H-FFFFH） ，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1 時，/EA 將內部鎖定為 RESET；當/EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP） 。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.2擴展口的選擇擴展輸出芯片選擇所學的 8255 芯片就能滿足系統(tǒng)要求，8255 簡介如下：8255 是 Intel 公司生產的可編程并行 I/O 接口芯片，有 3 個 8 位并行 I/O 口。具有 3 個通道 3 種工作方式的可編程

18、并行接口芯片（40 引腳） 。 其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強。8255 可作為單片機與多種外設連接時的中間接口電路。8255 作為主機與外設的連接芯片，必須提供與主機相連的 3 個總線接口，即數據線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設連接的接口 A、B、C 口。由于 8255 可編程,所以必須具有邏輯控制部分，因而 8255 內部結構分為 3 個部分：與 CPU 連接部分、與外設連接部分、控制部分。8255 的天貓截圖如圖 2.3 所示：圖 2.38255 的天貓截圖8255 的引腳圖如圖 2.4 所示：圖 2.48255 的引腳圖RESET:復位輸入線，當該輸入端處于高電平

19、時，所有內部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有 I/O 口均被置成輸入方式。CS:芯片選擇信號線， 當這個輸入引腳為低電平時,即/CS=0 時,表示芯片被選中，允許 8255 與 CPU 進行通訊;/CS=1 時,8255 無法與 CPU 做數據傳輸.RD:讀信號線，當這個輸入引腳為低跳變沿時,即/RD 產生一個低脈沖且/CS=0 時,允許 8255 通過數據總線向 CPU 發(fā)送數據或狀態(tài)信息，即 CPU 從 8255讀取信息或數據。WR:寫入信號，當這個輸入引腳為低跳變沿時,即/WR 產生一個低脈沖且/CS=0 時,允許 CPU 將數據或控制字寫入 8255。D0D7:三態(tài)雙向數據總線，

20、8255 與 CPU 數據傳送的通道，當 CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現 8 位數據的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數據總線傳送。8255 具有 3 個相互獨立的輸入/輸出通道端口，用+5V 單電源供電，能在以下三種方式下工作。方式 0基本輸入輸出方式；方式 1選通輸入/出方式；方式2雙向選通輸入/輸出方式；PA0PA7:端口 A 輸入輸出線，一個 8 位的數據輸出鎖存器/緩沖器， 一個8 位的數據輸入鎖存器。 工作于三種方式中的任何一種；PB0PB7:端口 B 輸入輸出線，一個 8 位的 I/O 鎖存器， 一個 8 位的輸入輸出緩沖器。 不能工作于方式二；PC0PC7:端口 C

21、輸入輸出線，一個 8 位的數據輸出鎖存器/緩沖器， 一個8 位的數據輸入緩沖器。端口 C 可以通過工作方式設定而分成 2 個 4 位的端口，每個 4 位的端口包含一個 4 位的鎖存器，分別與端口 A 和端口 B 配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。不能工作于方式一或二。A1,A0:地址選擇線,用來選擇 8255 的 PA 口,PB 口,PC 口和控制寄存器.當 A1=0,A0=0 時,PA 口被選擇;當 A1=0,A0=1 時,PB 口被選擇;當 A1=1,A0=0 時,PC 口被選擇;當 A1=1.A0=1 時,控制寄存器被選擇.2.3單片機控制口的分配本系統(tǒng)有七個電機需要控制，

22、其中步進電機五個，直流電機一個。步進電機需要的環(huán)行脈沖由單片機系統(tǒng)直接發(fā)出，五個步進電機工 15 條控制線，直流電機的 PWM 功放電路驅動控制信號也由單片機直接發(fā)出， 光電碼盤反饋回的兩路信號輸入給單片機系統(tǒng)。其具體的分配如下：1.腰部回轉： 8255APA0PA22.大臂俯仰： 8255APA3PA53.腕部俯仰: 8255APB2PB44 .小臂回轉: 8255APB5PB75.腕部回轉：8255APA6PA76.刀具的松夾：8255APB0PB17.刀庫刀盤回轉：8255APC0PC28.碼盤反饋信號線:外部計數器 T0,T12.4機械臂與刀盤控制的硬件設計根據控制系統(tǒng)總的設計方案和控

23、制系統(tǒng)硬件總圖， 設計單個機械臂和刀盤控制的硬件框圖如圖 2.5 所示。單片機發(fā)送指令控制電機驅動器，驅動器獲取信息后驅動相應的電機正傳，反轉，停止等，以實現機械手臂各部位的相應運動。需要反饋檢測的位置設計反饋電路讓控制更加精確。圖 2.5機械臂和刀盤控制的硬件框圖其中各部分驅動電機的性能參數1、臂部旋轉： 機械傳動機構為蝸輪蝸桿， 傳動比為 1： 62， 選用電機 90BF003性能參數 ：（1） 相數：3（2） 分配方式 3 向 6 拍步距角 1。5 度（3） 相電流：5 安（4） 電壓：60V（5） 最大靜轉距：15Kg.cm2、臂部伸縮: 其結構采用絲杠（T264）螺母結構，選用電機

24、75BFOO3其性能參數（1）相數：3（2）分配方式 3 向 6 拍 （3）步距角 1.5 度直 流電機腕 部回轉步 進電機步 進電機步 進電機步 進電機直 流電機步 進電機腰 部回轉大臂俯仰腕 部俯仰小 臂回轉刀 具的 松夾刀 庫刀 盤旋轉步進電機驅動器步進電機驅動器步進電機驅動器步進電機驅動器直流電機驅動器步進電機驅動器碼盤反饋直 流電 機驅 動器單片機核心控制以及8255 的擴展控制檢測反饋（4）相電流：4 安 （5）電壓：30V（6）最大靜轉距：10Kg.cm3、腕部升降：其傳動副采用絲杠螺母傳動（T18*4）電機選用 55BF003 參數 ：（1）相數：3（2）分配方式 3 向 6

25、拍（3）步距角 1.5 度（4）相電流：3 安（5）電壓：27V（6）最大靜轉距：7Kg.cm4、腕部旋轉此部分需電機長工作在堵轉狀態(tài)，選用直流力矩電機 60LY003參數：（1）連續(xù)堵轉電壓：30V（2）連續(xù)堵轉電流 1.5 安（3）連續(xù)堵轉轉距：2kg.cm（4）峰值電壓：45V（5）峰值堵轉電流 1.5 安 （6）空載轉速：1200/min 5 、部回轉同上6、手爪：傳動機構采用絲杠螺母結構，選用電機 45BF003 性能參數（1）相數：3（2）分配方式 3 向 6 拍（3）步距角 1.5 度（4）相電流 2.5 安（5）電壓：27V（6）最大靜轉距 2Kg.cm三，控制系統(tǒng)驅動電路的設

26、計3.1 步進電機開環(huán)控制的設計機器人三個自由度和手爪開合以及刀庫刀盤的旋轉驅動采用了步進電機開環(huán)控制， 其核心采用 80C51 單片機， 步進電機驅動所需的環(huán)形脈沖直接由 80C51輸出口輸出，省掉環(huán)形分配器，控制框圖如圖 3.1 所示。圖 3.1步進電機開環(huán)控制框圖3.1.1 驅動電路的選擇步進電機驅動電路，有的結構簡單但性能較差，如基本型，有的性能好，但結構復雜、造價高，且難以調試，如晶閘管型、斬波型等。機械臂控制精度要求高，工作頻率在幾百赫茲左右，工作電流在 1-5A，為簡化電路，降低成本，我們選定單電壓、恒流源功放電路，用晶體管及相關電路構成的恒流源代替基本型中的 Rc，組成恒流源型

27、步進電機驅動電路。這種電路不太復雜，安裝、調試簡單，改變電阻 Re，增減串聯二極管個數，可以很方便的改變工作電流，以適用不同步進電機。恒流源型功率放大電路原理圖如圖 3.2 所示。單片機步進電機驅動電路步進電機機器人相應自由度刀庫刀盤的旋轉圖 3.2恒流源型功率放大電路原理圖3.2 直流電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計由直流電機的驅動電路和辨向電路，以及控制核心器單片機，形成直流電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)。直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖 3.3 所示。圖 3.3直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖單片機電機 PWN 功放電路直流電機機械臂手腕光電碼盤辨向電路在本系統(tǒng)中，直流電機用在機械臂的腕部回轉和手爪回轉上。考慮到結構特

28、點，減少手部、腕部的質量，直流電機與其直接相連，直流電機采用直接驅動方式。在這種方式下，要求電機輸出較高的轉距，較低的轉速，因此我們選用直流力矩電機。我們用軟件實現電機閉環(huán)伺服控制，由單片機輸出脈沖信號，啟動PWM 功率放大電路，驅動直流電機轉動。光電碼盤將轉動的角位移轉化成脈沖信號，經辨向電路輸入給單片機的兩個計數器，單片機讀取計數器的值，并轉化成角位移，然后與直流電機的預期位置進行比較，利用其差值的正負和大小來補償直流電機的正反轉的位置。當差值的絕對值小于直流電機位置容許誤差時，停止轉動。這樣就實現了直流電機位置的閉環(huán)控制。3.2.1雙極型 PWM 直流力矩電機的驅動電路的設計雙極型 PW

29、M 功放電路如圖 3.4 所示。圖 3.4雙極型 PWM 功率放大器原理圖N1， P1 為達林頓管， N1 為 NPN 型 TIP31C， 最大電流 3A， 最大耗散功率為 40W，耐反電壓 100V， ，P1 與 N1 管參數相同，但為 PNP 型 TIP32B，D1，D2 為泄放二極管，用以保護 N1，P1 不被擊穿。光電偶合管為 TLP521，將數字電路與模擬電路隔開，7401 為二輸入與非門，正邏輯；7414 為六反向器，正邏輯。下面介紹工作原理：光電偶合管前部分的數字電路邏輯功能為， 真值表如表格 3.1 直流電機控制信號邏輯電路真值表：表格 3.1 直流電機控制信號邏輯電路真值表A

30、BAB0011011010011111當輸入信號 A，B 為 0，1 時，A=1，B=0，此時 B路光偶導通 R3 電阻有電流通過，a 點電位升高，達林頓管 N1 飽和導通，P1 截止，+45V 電壓幾乎全加在直流電機上，使直流電機正轉。當輸入信號 A，B 為 1，0 時，A=0，B=1，此時 A路光偶導通 R4 電阻有電流通過，達林頓管 P1 飽和導通，N1 截止，-45V 電壓幾乎全加在直流電機上，使直流電機反轉。當輸入信號 A，B 為 00 或 11 時，A=1，B=1，即高電平，此時兩路全截止，兩達林頓管基極軍無電流通過而截止，此時電機繞組無電流通過，即停止。當輸入信號為相位相反的脈沖

31、信號時，達林頓管 N1，P1 交替導通，截止，調整脈沖頻率可使直流電機處于所定狀態(tài)，改變輸入脈沖的占空比，可改變電機運行方向和速度。3.2.2 光電碼盤的選擇和辯向電路的設計（1）光電碼盤的選擇 ：機械臂運動控制系統(tǒng)位置精度要求高，直流電機反饋選用從長春光學儀器廠生產的分辨率 2000 的光電碼盤器作為位置反饋元件， 其輸出為 TTL 電平， 5V方波脈沖信號，所需電源電壓+5V 輸出波形為：（2）辨向電路的設計光電碼盤直接安裝在直流電機的主軸上，在直流電機轉動的過程中，即有正轉也有反轉，這樣光電碼盤輸出的脈沖信號即有正轉的也有反轉的 。為了準確的檢測電機的轉動角度，必須辨別光電碼盤的轉動方向

32、。這種辨別碼盤轉動方向的電路稱為辨向電路，原理如圖 3.5 所示。圖 3.5辨向電路原理圖從碼盤輸出的兩路信號 Ue,Uf 在相位上互差 90 度。設正向運動時 Uf 超前于 Ue90 度，則此時 Ue 的上升沿 AA對應于 Uf 的高電平，反向移動時 Ue 超前于 Uf90 度，這時 Ue 的上升沿 BB對應著 Uf 的低電平。據此可以判別碼盤的轉動的方向。我們采用一片單穩(wěn)態(tài)觸法器74LS221和一片與非門74LS00 來夠成辨向電路如圖 3.6 所示：圖 3.6辨向電路原理圖單穩(wěn)態(tài)觸法器 74LS221 只有一個穩(wěn)定狀態(tài)。當沒有外加信號時，輸出 Q 為低電平；在出發(fā)脈沖的作用下，輸出 Q

33、為高電平，并停留一段時間自動返回低電平。此處“停留”時間在數十毫秒到數十秒范圍內變化。它由外加電阻 Rext和外加電容 Cext 決定，可以大致按以下公式計算： Tw=Rext*Cext*Ln2其中 ： 電容 C 單位為法拉 ， Tw 單位為秒 。將第一路方波信號同時送入 74LS221 的上升沿觸發(fā)端 A 和下降沿觸發(fā)端 B可以得到兩路窄脈沖（其中脈沖寬度由外接電阻，電容調節(jié)）e 上 ，e 下，將 e上、e 下分別與第二路方波信號 Uf 進行與非運算，輸出分別送入兩個計數器，進行計數， 這樣當碼盤正向運動時， 計數器 1 有脈沖， 而計數器 2 沒有脈沖輸入；當反向運動時，計數器 1 無脈沖

34、輸入而計數器 2 有脈沖輸入，由此達到辨向的目的。四，控制系統(tǒng)模擬信號 A/D 轉換的設計2.1 A/D 轉換器的選型根據采集的模擬信號種類計算出 A/D 轉換時所需要的模擬信號通道滿足控制系統(tǒng)要求，以及考慮實際經濟情況（ADC0809 較實惠，天貓上的價格一般在5 到 6 元之間） ，因此選擇 ADC0809 轉換器。ADC0809 的天貓截圖如圖 4.1 所示：圖 4 .1ADC0809 的天貓截圖ADC0809 引腳結構功能說明圖如圖 4.2 所示：圖 4.2ADC0809 引腳結構功能說明圖15、2628，IN0IN7：8 路模擬量輸入端。1415、8、1721，D0D7：8 位數字量

35、輸出端。2325，ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路22，ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效，對應 ALE 上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。6， START： AD 轉換啟動信號， 輸入高電平有效， START 上升沿時， 復位 ADC0809；START 下降沿時啟動芯片，開始進行 A/D 轉換；在 A/D 轉換期間，START 應保持低電平。本信號有時簡寫為 ST.7，EOC：AD 轉換結束信號，輸出，當 AD 轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）。9，OE：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當 AD 轉

36、換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數字量，用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=0，輸出數據線呈高阻；OE=1，輸出轉換得到的數據。10，CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于 640KHZ，EOC=0,正在進行轉換；EOC=1,轉換結束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。12、16，REF（+）、REF（-）：基準電壓。11，Vcc：電源，單一5V。13，GND：地。2.2，ADC0809 的工作原理的工作原理ADC0809 是帶有 8 位 A/D 轉換器、 8 路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的 CMOS 組件。

37、它是逐次逼近式 A/D 轉換器，可以和單片機直接接口。2.2.1 ，ADC0809 的內部邏輯結構由下圖可知，ADC0809 由一個 8 路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個 A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉換完的數字量，當 OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。ADC0809的內部邏輯結構如圖 4.3 所示。圖 4.3ADC0809 的內部邏輯結構ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是 05V，若信號太小，必須進行放大；輸入

38、的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4 條ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當 ALE 線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將 A，B，C 三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進入轉換器進行轉換。A，B 和 C 為地址輸入線，用于選通 IN0IN7 上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7數字量輸出及控制線：11 條ST 為轉換啟動信號。當 ST 上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進

39、行 A/D 轉換；在轉換期間，ST 應保持低電平。EOC 為轉換結束信號。當 EOC 為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行 A/D 轉換。OE 為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE1，輸出轉換得到的數據；OE0，輸出數據線呈高阻狀態(tài)。D7D0 為數字量輸出線。CLK 為時鐘輸入信號線。因 ADC0809 的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為 500KHZ，VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。2.2.2 ，ADC0809 的應用說明（1） ADC0809 內部帶有輸出鎖存器，可以與 AT89C51 單片機直接相連。（2）

40、初始化時，使 ST 和 OE 信號全為低電平。（3） 送要轉換的哪一通道的地址到 A，B，C 端口上。（4） 在 ST 端給出一個至少有 100ns 寬的正脈沖信號。（5） 是否轉換完畢，我們根據 EOC 信號來判斷。（6） 當 EOC 變?yōu)楦唠娖綍r，這時給 OE 為高電平，轉換的數據就輸出給單片機了。2.3，ADC0809 的軟件編程設計的軟件編程設計數據采集系統(tǒng) A/D 轉換器與單片機的連接 P2.7 接啟動信號，ADDC、B、A 接CPU 的地址 A2、A1、A0。分別對 x,y,z 三個位置量，a,b,c 三個角度量（a 代表 x 軸的夾角，b 代表 y 軸的夾角，c 代表 z 軸的夾

41、角）以及 v 速度量共 7 路模擬量輸入信號檢測，并將采集的數據存入片內數據存儲器 30H36H 單元。模擬信息數據采集采用外部中斷 1 中斷方式采集， ADC0809 工作在串行從模式下的硬件接線圖如圖 4.4 所示 ， 核心匯編源程序轉換結果存在 30H 到 36H 空間里。圖 4.4ADC0809 與單片機的硬件接線圖匯編源程序如下 ：ORG0000HLJMPMAINORG0013HLJMPINT_R1；中斷服務程序入口ORG0030HMAIN：MOVSP， #60H；設堆棧指針MOVR0， #30H；設片內 RAM 首地址MOVR7，#08；通道計數器SETBIT1；邊沿觸發(fā)SETBE

42、X1；開外部中斷 1SETBEA；開 CPU 中斷MOVDPTR，#7FF8H；指向 ADC0809 的 IN0MOVXDPTR，A；起動 A/DSJMP$INT_R1：MOVXA，DPTR；讀 A/D 轉換結果MOVR0，A；存入片內 RAMINCR0；下一單元INCDPTR；下一通道MOVXDPTR，A；起動 A/D 轉換RETIEND五，機械臂的控制設計控制系統(tǒng)要求機械臂能同步仿形工藝大師的雕刻動作， 其控制原理是上位單片機采集和暫存 AD 轉換后的數字信號，然后將相應的數字信號傳輸到各下位單片機里，相應的數字信號在下位單片機經過復雜的算法（即逆運動學）與檢測信號的綜合處理后控制相應的電

43、機驅動器達到機械臂運動的實時控制。 當產生換刀中斷時，機械臂停止雕刻轉去執(zhí)行換刀動作。因此機械臂實時控制包含了機械手位置控制的正、逆運動學問題，上、下位單片機通信問題，機械臂換刀問題。5.1機械手的位置控制5.1.1 機械手幾何模型設計一種五自由度機械手模型。該機械手幾何模型如圖 5.1 所示。其中，l 為肩關節(jié)偏航自由度，2 為肩關節(jié)俯仰自由度， 3 為肘關節(jié)偏航自由度為，4 為腕關節(jié)偏航自由度，5 為腕關節(jié)俯仰自由度。L1、l2 分別為機械手上、下臂的長度，l3 為腕關節(jié)中心到抓手中心的距離。圖 5.1機械手幾何模型及 D-H 坐標5.1.2 機械手運動學模型1 運動學方程假定機械手伸直狀

44、態(tài)下所處位置為停止位置，根據D-H方法建立各坐標系，如圖3-1所示；相應的各連桿及關節(jié)的參數如表5.1所示。表5.1連桿/（0）adcossin11360001022180l10-1033180l20-1044360001055180l30-10將參數代入D-H齊次變換矩陣得：T10=10000010cos0sin0sin0cos1111（1）T21=10000010sincos0sincossin0cos21222122ll（2）T32=10000100sin0cossincos0sincos32333233ll（3）T43=100000100cos0sin0sin0cos4444（4）T5

45、4=10000100sincos0sincossin0cos53555355ll（5）式中，Tii 1( i=1，2，5)為機械手兩相鄰連桿間第i個桿坐標系相對于第i一1個桿坐標系的齊次變換矩陣。將式(1)(5)相乘可得末端抓手坐標系O5x5y5z5相對于參考坐標系O0 x0y0z0的齊次變換矩陣為:T50= T10T21T32T43T54=1000zzzzyyyyxxxxpaonpaonpaon=10pR（6）式中：5253425213413421552134134215scccsnsssscccscnsscssccccnzyx（7）5253425213413421552134134215)

46、()(ccscsocssscccssocscsscccsozyx（8）34234134213413421ssaccscsacssccazyx（9）2132232121132213212113221slclspslcclsclcspslsclcclccpzyx（10）)sin()cos(sincos43344334scsc（11）式(6)即機械手的運動學方程。R=zzzyyyxxxaonaonaon為旋轉變換矩陣,p=(pxpypz)T為平移變換矩陣。當已知各關節(jié)變量的值時，可根據式(6)求出當前的末端抓手的位置和姿態(tài)。2 逆運動學問題在實際控制中，規(guī)定末端抓手的運動軌跡，并從中得到每一時刻末端

47、抓手在基座坐標系中的位置表達式，即已知的是式(6)，要反求出相應時刻各關節(jié)變量的表達式。根據式(1)(5)求出相應的逆矩陣Tii 1(i=1，2，5)，依次左乘末端抓手的位置矩陣T50，得到方程組(12)：540510111213544305101112544332051011544332215010TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT（12）聯立運動學方程(1)(6)和方程組(12)可以求出各關節(jié)變量 i(i=1，2，5)的解析解，這一組解具有不唯一性，根據關節(jié)的作業(yè)要求、防止碰撞障礙物、防止受到機械約束等實際情況，可以得到各關節(jié)變量i(i=1，2，5)的一組范圍:0500403

48、0020010151580801363715156210（13）在約束(13)的限制下可以得到逆運動學問題的一組唯一解。3 微分關系在機械手的運動控制中，速度控制是必不可少的，所以有必要求出機械手各關節(jié)速度與末端抓手速度的關系。通常的方法是先求出機械手的雅可比矩陣J,再求出逆雅可比矩陣J1， 即可解出機械手各關節(jié)速度的解析式。設機械手關節(jié)速度向量為：T521,.,（14）式中i(i：1，2，5)為關節(jié)變量i的角速度，同時設末端抓手在基座坐標系中的廣義速度向量為：=zyxzyx,（15）式中, ，分別為線速度和角速度分向量，用雅可比矩陣將式(14)，(15)聯系起來即為機械手各關節(jié)角速度的解析式

49、：J（16）因所討論的機械手只有5個自由度，對應的雅可比矩陣不是方陣，所以相應的逆雅可比矩陣是一個廣義逆矩陣：J1)(TTJJJ（17）式(17)的求取比較繁瑣，而且在工作空間的某些位置上，JJT變?yōu)槠娈愱嚕瑹o法求逆。所以，采用對逆運動學解直接進行微分的方法來得到關于的解析式。對于三角函數表達式，可以導出：(1)sin和 cos的表達式時，有：d=cosd(sin)-sind(cos)(18)(2)當已知 tan=cossinNN時，有:d=22)cos()sin()cos(sin)sin(cosNNNdNNdN(19)在求解逆運動學方程解的過程中， 不難得到各關節(jié)變量的三角函數表達式，再利用

50、式(18)、(19)可以迅速求得關于的解析式。5.2 上位與下位單片機通信設計5.2.1 通信方式的設計上位單片機要把其 30H 到 36H 空間里的數字信號傳輸到各下位單片機。通信有并行通信和串行通信兩種方式， 結合所學通信知識與本控制系統(tǒng)要求選擇串行通信方式。由于單片機掃描速度非?？?，可以由上位單片機緩存。因此最終選擇異步串行通信方式。串行通信如圖 5.1 所示。圖 5.1串行通信5.2.1單片機間的通信編程上位單片機機發(fā)送，下位單片機 1 接收，波特率 2400bps，晶振 6MHz，T1作波特率發(fā)生器，串行口工作在方式 1。上位單片機送出內部 RAM 30H 開始的 7個字節(jié)數據，下位

51、單片機 1 接收數據存放在外部 RAM 3000H3006H 單元中。雙機通訊串行口工作在方式 1，定時器 T1 工作在方式 2 作波特率發(fā)生器。定時初值：若 SMOD=0 ，則 X=249.49，誤差較大若 SMOD=1 ，則 X=242.98=243=F3H ，誤差較小采用查詢方式編程，上位單片機發(fā)送程序：SEND：MOVTMOD，#20H；定時器 T1 方式 2，定時MOVTL1，#0F3H；定時器 T1 初值MOVTH1，#0F3HCLRET1；關中斷SETBTR1；啟動定時器工作MOVSCON，#50H；串行口方式 1MOVPCON，#80H；SMOD1MOVR0，#30H；數據首地

52、址MOVR7，#7H；7 個數據TRS: MOVA，R0；取數據MOV SBUF，A；發(fā)送WAIT：JBC TI，CONT；發(fā)送完，清 TI 為 0AJMP WAITCONT:INC R0；下一個數據DJNZ R7，TRS；發(fā)送 7 個數據RET下位單片機 1 接收程序：MOVTMOD，#20H；定時器初始化MOVTL1，#0F3HMOVTH1，#0F3HCLRET1；關中斷SETBTR1；啟動定時器工作MOVSCON，#50H；串行口方式 1，允許接收MOVPCON，#80H；SMOD1MOVDPTR，#3000H；數據存放首地址MOVR7，#10H；接收 7 個數據WAIT: JBCRI，

53、READ；接收到一個數據，清 RI 為 0AJMPWAITREAD：MOVA，SBUF；接收數據MOVXDPTR，A；存數據INC DPTR；下一個單元DJNZR7，WAIT；接收 7 個數據RETEND5.3機械臂換刀中斷的設計當上位單片機檢測到換刀中斷信號時，立即傳輸到各下位單片機。下位單片機立即中斷機械臂當前執(zhí)行的動作，轉去執(zhí)行換刀動作。機械臂先運動到設定的安全位置然后快速移動到換刀位置準備換刀。 設機械臂的手爪合著的時候表示電信號“0” ，張開時表示“1” 。根據手爪電信號 1、0 的變化可以判斷機械臂是否執(zhí)行了換刀動作，也為機械臂換刀檢測提供了依據。六，刀庫刀盤旋轉與自動換刀的設計6.1 刀庫刀盤的控制設計根據控制系統(tǒng)要求，工藝雕刻大師換刀要求機械臂也能跟著同步換刀。設計大師更換刀具的刀盤和機械臂的刀庫刀盤是一一對應編號的。 設計每把刀具存在刀庫上時用數字信號“1”表示，刀具不在刀盤上時用數字信號“0”表示。而且結合刀庫設計組提供的刀具數量，用上位單片機 40H 和 41H 儲存刀具的數字信號。刀庫刀盤的隨機選刀換刀設計圖如圖 6.1 所示。圖 6.1隨機選刀換刀如圖 6.1a 所示，刀庫有 16 個刀座，可存放 16 把刀具。刀座固定位置編號為方框內 116 號，0 為主軸刀位置號，由于刀具本身不