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1、机电一体化本科毕业设计摘 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，工业机器人主要承担着焊接、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，并保证了安全生产。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
2、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AbstractIn todays large-scale manufacturing enterprises to improve production efficiency, protect the quality of products, the general emphasis on the degree of automation of production processes, industrial robots, automated production line as
3、an important member of gradually recognized and adopted by enterprises. Industrial robot technology and applications to some extent reflect the extent of a countrys level of industrial automation, at present, industrial robot is mainly responsible for the welding, coating, handling, and stacking and
4、 other repetitive, and the labor-intensive work, work approach generally adopted way of teaching-playback. This paper describes the planar articulated robot to the device used for transportation of materials. Manipulator large and small arms perpendicular to each other respectively in the two plane
5、swing, compact structure, small footprint. After the mechanical hand speed, reducing labor intensity, and to ensure safety in production. The design including the composition and structure of control system, servo motion control system design and MCU control circuit etc., and ultimately the advantag
6、es of robot capabilities.Key words: Industrial Robot Robot Servo Motion Control Systems MCU control circuit目 录摘 要1Abstract.21 绪论52机械手的产生与发展62.1机械手的历史62.2 应用简况72.3 发展趋势72.4机械手的分类82.5机械手的组成和动力源的比较92.5.1机械手的组成92.5.2执行机构92.5.3驱动机构102.5.4控制系统112.6应用机械手的意义112.6.1以提高生产过程中的自动化程度112.6.2以改善劳动条件，避免人身事故112.6.3可
7、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143.2.1手部143.2.2手臂的前后伸缩部分153.2.3手臂的上下升降部分153.2.4腰转部分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153.4.1臂部驱动力矩的计算163.4.2升/下降电动机163.4.3部件设计立柱的设计163.4.4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194.2.1运动控制芯片194.2.2单片机204.2.3功率放大芯片204.2.4增量式光电编码器204.2.5直流伺服电机204.2.6通信
8、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234.6.1直流电机工作原理234.6.2 PWM调速244.7通信模块设计254.7.1显示电路设计264.7.2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285.2.1主程序流程285.2.2初始化程序305.2.3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部分。机械手是一种能模拟
9、人的手臂的部分动作，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。这种新技术发展很快逐渐形成一门新兴的学科机械手工程。机械手是近几十年发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，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。图1.1 机械手结
10、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。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人民所认识：其一、它能部分的代替人工操作；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
11、，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发展，并取得一定的效果，受到机械工业部门的重视。2机械手的产生与发展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
12、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。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。日本是工业机械手发展最快、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发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大
13、部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；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，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则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，并逐步发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基本得到解决。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
14、自动化而产生的。机械手在锻造工业中的应用能进一步发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，能确定零件的方位达到镶装的目的。2.3 发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发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改
15、善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，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基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要
16、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，国外机械手的发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，能反馈外界条件的变化，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馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装
17、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，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发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
18、特定的作业，后来发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“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，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较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部分组成。其组成及相互关系如下图：图2.1机械手的组成机械手的设计构想是以人的手为基础
19、，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下四部分来实现：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。
20、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
21、、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，系统复杂成本较高。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，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。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；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电
22、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，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。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，成本低；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发展，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、
23、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成本。2.6.2以改善劳动条件，避免人身事故在高温、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，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，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
24、工作，可以避免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，是发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
25、的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，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为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另外一半关于中心线对称）。 图3
26、.2机械手机构简图在上图中，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。这几部分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
27、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别很小。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表面为高硬度、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。
28、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，可以达到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，成本高 由于结构工艺复杂，故制造成本高价格往往以 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，手臂前后伸缩部分，手臂上下升降部分腰转部分以及机座和行走机构。
29、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手臂的前后伸缩部分手臂的前后伸缩部分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手臂的上下升降部分手臂的上下升降部分是由电动机、丝杆传动副、立柱等部分组成。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腰转部分腰转部分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
30、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
31、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+2000.6/3m）/18=（20.4+2.45）/
32、18=3.99NM考虑到驱动电机在驱动时还要克服摩擦阻力，故M惯系以安全系数K=1.2，M驱=1.2 M惯=1.23.99=4.788初选左转/右转电动机为110BF004，其最大转距为4.9NM3.4.2升/下降电动机P=arctg P/D(其中P的数值即为L，D为公称直径) =arctg 10/39=4.67Fx=Ftg=400tg4.67=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。取安全系数K=3Fx=332.68=98.04NT=Fxd/2=98.042010=1.96NM初用上升/下降电机为90BF001，其中最大静转距为3.92NM3.4.3部件设计立柱的设计
33、 ACBFbRb GQD图3.3AC=1200 CD=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，适合于形状规则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、R550/132
34、0=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） = R1320 =4801320 =633600N.mm R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=1/2874544N.mm=437272N.mm= M/Wz=286mm考虑到手臂在运动中平稳，乘以安全系数K=2d=228.6=57.2mm 取d=60m
35、m3.4.4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=60100/10=600r/min丝杠导程选P=100mm等效负荷Fm=4003=1200N 其中3为安全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，故乘以安全系数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/f f f (60Lh.nm/100) =12002.5/111（6015000600） =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
36、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；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑采用同一种形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。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，成本低；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馈给运动控制芯片，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直流电机
37、功率放大芯片位置反馈增量式光电编码器 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
38、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馈信号(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,形成位置反馈值。指令值与反馈值的差值作
39、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0.1100W,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。显示部分采用共阴LED数码管，可对行程开关状态、操作数等进行显示。键盘部分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
40、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D0D7分别与单片机的RD0RD7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
41、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PWM MAG和PWM SIGN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
42、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
43、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
44、号线之间接了一个用于线路阻抗匹配的电阻，负载阻抗与激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的位置寄存器就加(减)1。当码盘的A、B、IN都为低电平时,产生一个Index信号送入寄存器,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，建立的磁通量也是定值，而将控制电压Uc加在
45、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)）和直流激励电动机一样，也用下式表示：n=Uc/KE-Ra/KEKTT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Uc0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4.6.2 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
46、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 显示部分采用共阴