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1、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
2、，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.
3、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、AD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
4、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:
5、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.
6、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。
7、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，
8、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
9、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
10、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 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。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
11、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。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 图2.1 控制系统的总的硬件组成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
12、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
13、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
14、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P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（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。
