二自由度機械臂驅動控制系統(tǒng)設計

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1、目錄 第一章 緒論 1.1 設計目的與意義……………………………………………………1 1.2 工業(yè)機器人機械臂的概述…………………………………………1 1.3 系統(tǒng)描述……………………………………………………………1 第二章 步進電機驅動器設計 2.1 步進電機概述………………………………………………………2 2.2 步進電機的轉動控制………………………………………………2 2.2.1 基于控制電路的控制……………………………………………2 2.2.2 基于單片機的控制………………………………………………6 2.2.3 方案選擇…………………………………………………………1

2、1 第三章 PLC控制系統(tǒng)設計 3.1 任務描述…………………………………………………………11 3.2 控制任務和要求…………………………………………………11 3.3 PLC的選型…………………………………………………………12 3.4 I/O地址編號和接線圖……………………………………………12 3.5 PLC控制系統(tǒng)程序設計……………………………………………12 結論……………………………………………………………………13 附錄一 PLC源程序……………………………………………………14 附錄二 步進電機C語言源程序………………………………………19 附錄三 電鍍生

3、產線的自動工作狀態(tài)流程……………………………21 附錄四 I/O接線圖……………………………………………………22 第一章 緒論 1.1 設計目的與意義 隨著工業(yè)化生產的不斷細分，新工藝新材料的不斷涌現(xiàn)，在實際產品中得到應用的設計效果也日新月異，電鍍是我們在設計中經常要涉及到的一種工藝，而電鍍效果是我們使用時間較長，工藝也較為成熟的一種效果，對于這種工藝的應用在產品上已經非常多。電鍍能增強金屬的抗腐蝕性(鍍層金屬多采用耐腐蝕的金屬)、增加硬度、防止磨耗、提高導電性、潤滑性、耐熱性、和表面美觀。如何更好地實現(xiàn)電鍍工藝的自動化，是目前很多研究者在研究的問題。本次設計采用了自動控制

4、與點動控制相結合的方式，滿足了電鍍過程的需求，對實現(xiàn)電鍍過程的自動化做了一次意義的嘗試。同時，通過本次設計，進一步提升了自己在PLC編程方面的能力，加深了對PLC的認識以及對步進電機的驅動和工作方式有了更深的體會。 1.2工業(yè)機器人機械臂的概述 工業(yè)機器人作為最典型的機電控制系統(tǒng)實例之一，幾乎具有機電一體化系統(tǒng)的所有特點。既具有操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置，又具有速度快、精度高、柔性好的特點。 工業(yè)機器人系統(tǒng)由三大部分六個子系統(tǒng)組成。三大部分是：機械部分、傳感部分、控制部分。六個子系統(tǒng)是：驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人—環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)

5、、控制系統(tǒng)。 機械臂作為工業(yè)機器人的一種形式，是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械臂可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。近年來，為實現(xiàn)工業(yè)過程自動化，已有不少操作機械臂廣泛應用于工廠的各個生產過程，尤其是那些人力所限和 人所不及的外部環(huán)境或危險場所，將是機械臂進一步發(fā)展的應用領域。 1.3系統(tǒng)描述 自動化電鍍生產線上的機械臂為二自由度機械臂，由兩個步進電機控制。其中一個步進電機控制吊鉤的上下運動；另一個步進電機控制行車的左行與右行。該機械臂的模型如下圖1.1所示： 圖1.1

6、 電鍍工藝機械臂模型 該機械臂由羅克韋爾公司的Micrologix 1000控制，控制的流程主要有電鍍槽、鍍液回收槽、清洗槽三大部分組成，并設置了原位指示燈、點動指示燈和自動指示燈，具體情況見第三章，此處指給出系統(tǒng)整體結構圖： 圖2.2 系統(tǒng)整體結構圖 第二章 步進電機驅動器設計 2.1 步進電機概述 步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 該

7、設計采用電機為四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機轉動。當某一相繞組通電時，對應的磁極產生磁場，并與轉子形成磁路，這時，如果定子和轉子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻小路徑的特點，則轉子將轉動一定的角度，使轉子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉的原因。 目前，對步進電機的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設計利用單片機進行控制，主要是利用軟件進行環(huán)形脈沖分配。四相步進電機的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通

8、電時的時序 與波形分別如圖a、b、c 所示。本設計的電機工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進電機的工作的時序和波形圖，總結出其工作方式為四相單四拍時的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進電機跟不上頻率的變化后電機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內。 圖2.1 步進電機工作時序波形圖 2.2 步進電機的轉動控制 目前，步進電機的轉動控制主要有三大類： 一、 基于控制電路的控制 這種控制方式的核心是555定時器芯片，它產生步進電機轉動所需的脈沖，并通過分頻器分配給步進電機的各相，

9、最后通過一個功率放大電路就實現(xiàn)了對步進電機的轉動控制。這種控制方式的優(yōu)點是簡單、可靠，缺點是不適用與控制精度要求很高的場合。 二、基于微控制器的控制 這種控制方式的核心是各種類型的單片機以及各種各類的PLC。它的優(yōu)點在于設計者根據(jù)實際的需求靈活的設計控制電路，因而這種控制方式的靈活性很大，功能豐富。 三、基于專用控制芯片的控制 這種控制方式一般適用在控制精度要求高的場合，它是由專門的設計公司開發(fā)的，因而它的功能很強大。 2.2.1基于控制電路的控制 主要由三部分組成：脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、功率放大電路組成，其結構形式如下圖2.2所示： 圖2.2 步進電機的控制電路 ①

10、 脈沖發(fā)生電路 脈沖發(fā)生電路就是產生方波的電路，可以考慮由晶體管或IC芯片構成的多諧振蕩電路或專用定時器芯片電路等。在需要產生特別精確脈沖的場合可以使用石英振蕩電路。如圖2.3電路采用了NE555定時器芯片。 圖2.3 脈沖放生電路 ② 脈沖分配電路 脈沖分配電路的任務是從脈沖發(fā)生電路產生的方波中分解出對應的四相脈，74HC74為單輸入端的雙D觸發(fā)器。一個片子里封裝著兩個相同的D觸發(fā)器，每個觸發(fā)器只有一個D端，它們都帶有直接置0端RD和直接置1端SD，為低電平有效。CP上升沿觸發(fā)。D型觸發(fā)器的特點是：僅僅在時鐘脈沖到來的觸發(fā)時刻，輸入數(shù)據(jù)才從D端傳輸至Q端；D型觸發(fā)器具有鎖存數(shù)據(jù)的

11、功能，當CP=“0”電平時，D型觸發(fā)器 輸出狀態(tài)不再隨輸入狀態(tài)而變化，即鎖存了前一次的數(shù)據(jù)。如圖2.4是采用74HC74的二相勵磁脈沖分配電路。 圖2.4 脈沖分配電路 ③ 功率放大電路 步進電機中，各相中約有幾百毫安的勵磁電流通過，需要借助功率三極管或IC芯片驅動勵磁電流。如圖2.5是三極管電機驅動電路的實例。圖中與步進電機連接的二極管的作用是用來吸收定子線圈產生的反電動勢。 圖2.5 功率放大電路 ③ 總體電路圖 圖2.6 總體電路圖 2.2.2 基于單片機的控制 步進電機的四相繞組用 P1 口的 P1.0~P1.3 控制，由于

12、P1 口驅動能力不夠，因而用一片 2803 增加驅動能力。用 P0 口控制第一數(shù)碼管用于顯示正反轉，用 P2 口控制第二個數(shù)碼管用于顯示轉速等級。數(shù)碼管采用共陽的。 一、硬件設計 本設計的硬件電路包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅動電路、顯示電路四大部分。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機正常工作?？刂齐娐分灰砷_關和按鍵組成，顯示電路主要是為了顯示電機的工作狀態(tài)和轉速。驅動電路主要是對單片機輸出的脈沖進行功率放大，從而驅動電機轉動。 ①控制電路 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設置了啟動控制，換向控制，加速控制和減速控制按鈕，分別是K1、K2、S2、S3，控制電路如圖7所示。通過K1、K2

13、狀態(tài)變化來實現(xiàn)電機的啟動和換向功能。當K1、K2的狀態(tài)變化時，內部程序檢測P1.0和P1.1的狀態(tài)來調用相應的啟動和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機的啟動和正反轉控制。 根據(jù)步進電機的工作原理可以知道，步進電機轉速的控制主要是通過控制通入電機的脈沖頻率，從而控制電機的轉速。對于單片機而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷在此電路中電機的轉速控制主要是通過定時器的中斷來實現(xiàn)的，該電路控制電機加速度主要是通過S2、S3的斷開和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，從而改變了電機的轉速。 圖2.7 控制電路原理

14、圖 ② 最小系統(tǒng) 對 51 系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應該包括：單片機、復位電路、晶振電路。 復位電路：晶振電路用 30PF 的電容和一 個12M 晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率。 晶振電路：8051單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構成了內部晶振方式。 圖2.8 最小系統(tǒng)電路圖 ③ 驅動電路 通過ULN2803構成比較多的驅動電路，電路圖如圖9所示。通過單片機的P1.0~P1.3輸出脈沖到ULN2803的1B~4B口，經信號放大后從1C~4C口分別輸出

15、到電機的A、B、C、D相。 圖2.9 驅動電路 ④ 顯示電路 在該步進電機的控制器中，電機可以正反轉，可以加速、減速，其中電機轉速的等級分為七級，為了方便知道電機的運行狀態(tài)和電機的轉速的等級，這里設計了電機轉速和電機的工作狀態(tài)的顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機的P0口和P2口。采用兩個共陽數(shù)碼管作顯示。第一個數(shù)碼管接的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P0.0~P0.7口，用于顯示電機正反轉狀態(tài)，正轉時顯示“1”，反轉時顯示“一”，不轉時顯示“0”。第二個數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P2.0~P2.7口，用于顯示電機的轉速級別，共七級，即從1~7轉速依次

16、遞增，“0”表示轉速為零。電路如圖所示。 圖2.10 顯示電路 ⑤ 總體電路圖 把各個部分的電路圖組合成總電路圖，如圖2.11所示。 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6

17、P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 C3 22u C1 33p C2 33p X2 CRYSTAL R6 1k R

18、5 1k S1 SW-SPST 1B 1 2B 2 3B 3 4B 4 5B 5 6B 6 7B 7 8B 8 1C 18 2C 17 3C 16 4C 15 5C 14 6C 13 7C 12 8C 11 COM 10 U2 ULN2803 +88.8 M1 MOTOR-BLDCM S2 S3 K1 SW-SPDT K2 SW-SPDT R1 1k R2 1k R4 10k R3 10k Vcc GND GND Vcc Vcc GND 圖2.11 整體電路圖 二

19、、軟件設計 ① 主程序設計 主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開關狀態(tài)的檢測判斷等。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設置內容較多，該系統(tǒng)中，需要初始化定時器、外部中斷；對P1口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲區(qū)送初值決定步進電機的啟動速度，對方向值存儲區(qū)送初值決定步進電機旋轉方向等內容。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均設為0，就意味著步進電機按四相單四拍運行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進電機不旋轉，方向值顯示“0”，速度值顯示“0”，主程序流程圖如圖2.12所示。 ② 定時中斷設計 步進電機的轉動主要是給電機各繞組按一定的時間間隔連續(xù)不斷

20、地按規(guī)律通入電流，步進電機才會旋轉，時間間隔越短，速度就越快。在這個系統(tǒng)中，這個時間間隔是用定時器重復中斷一定次數(shù)產生的，即調節(jié)時間間隔就是調節(jié)定時器的中斷次數(shù)，因而在定時器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機的運行方向、發(fā)下一個脈沖，以及保存當前的各種狀態(tài)。程序流程圖如圖2.13所示。 ③外部中斷設計 外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機的轉速。速度增加按鈕S2為INT0中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當值等于7時，不改變原數(shù)值返回，小于7時，數(shù)據(jù)加1后返回；速度減少按鈕S3，當原

21、數(shù)據(jù)不為0，減1保存數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)為0則保持不變。程序流程圖如圖2.14所示。 23 / 24文檔可自由編輯打印 圖2.12 主程序流程圖 圖2.14 外部中斷程序流程圖 圖2.13 定時中斷程序流程圖 2.2.3 方案選擇 以上詳細介紹了步進電機轉動控制的兩種控制方案。在電鍍生產工藝中，對電鍍時間的把握要求非常高。而上述基于單片機的步進電機轉動控制設置了速度等級，利于步進電機的精確啟?？刂??；谏鲜隹紤]，最終我們選擇了方案二。 第三章 PLC控制系統(tǒng)設計 3.1任務描述 電鍍生產線上有三個

22、槽，工件可由升降吊鉤的行車移走，經過電鍍、鍍液回收、清洗工件，實現(xiàn)對工件的電鍍。工藝要求是：工件放入電鍍槽中，電鍍280s后提起，停放28s，讓鍍液從工件上流回鍍槽，然后放入回收槽中浸30s，提起挺15s,在放入清水槽中清洗30s，最后提起挺15s，行車返回原位，電鍍一個工件的全程結束。電鍍生產線的工藝流程如圖3.1所示： 圖3.1 工藝流程 3.2控制任務和要求 電鍍生產線除裝卸工件外，要求整個生產線能自動運行。同時吊鉤和行車的正反轉均能點動控制，以便對設備進行調整和檢修。 行車自動運行的控制過程是：行車在原位，吊鉤下降在最下方時，行車左限位開關SQ4、吊車下限為開關SQ6被

23、下壓動作，操作人員將電鍍工件放在掛件上，即準備開始進行電鍍。 吊鉤上升：按下啟動按鈕SB1，是輔助繼電器M1接通，吊鉤提升電機正傳，吊鉤上升，碰到上限位開關SQ5后，吊鉤停止上升。 行車前進：在吊鉤上升停止的同時，輔助繼電器M2接通，行車電機正傳前進。 吊鉤下降：行車前進碰到有限位開關SQ1，行車停止前進，同時輔助繼電器M3接通，吊鉤電機反轉，吊鉤下降。 定時電鍍：吊鉤下降碰到下限為開關SQ6時，同時輔助繼電器M4接通，使定時器T0定時280s電鍍。 吊鉤上升：T0定時時間到，輔助繼電器M5接通，吊鉤電機正傳，吊鉤上升。 定時滴液：吊鉤上升碰到上限位開關SQ5的同時，吊鉤停止上升，

24、同時輔助繼電器M6接通，定時器T1定時28s，工件滴液。 行車后退：T1定時時間到，輔助繼電器M7接通，行車電機反轉，行車后退，轉入下到鍍液回收工序。 后面各道工序的順序動作過程，以此類推。1最后行車退回到原位上方，吊鉤下放到原位。若再次按下啟動按鈕SB1，則下一個工作循環(huán)。電鍍生產線的自動工作狀態(tài)流程，見附錄三。 3.3 PLC的選型 根據(jù)自動工作狀態(tài)流程圖，PLC控制系統(tǒng)的輸入信號有14個，均為開關量。其中，各種但操作按鈕開關6個；行程開關6個；自動、手動選擇開關2個（占2個輸入接點） PLC控制系統(tǒng)的輸入信號有5個。其中，2個用于驅動電機正反轉驅動器一、二

25、；2個用于驅動行車電機正反轉驅動器三、四；1個用于原位指示。 控制系統(tǒng)選用A-B公司的MicroLogix1000,可以滿足控制要求，且留有一定的裕量。 3.4 I/0地址編號及接線圖 將14個輸入信號、6個輸出信號按各自的功能分類，并與PLC的I/O點一一對應，分配地址。表3.2 是外部I/O信號與PLC的I/0接點地址號對應表。根據(jù)表 ，可得到附錄四所示的I/O接線圖。 表3.2 外部I/O信號與PLC的I/0接點地址號對應表 3.5 PLC控制系統(tǒng)程序設計 電鍍生產線的PLC控制包括點點動操作和自動操作兩部分。整個PLC控制程序如附錄一所示。為了增強程

26、序的可讀性和易操作性，本PLC的程序采用了采用了子程序的設計方法，將點動和自動子程序分別放在不同的子程序中，利用主程序觀點來實現(xiàn)點動、自動操作區(qū)分。 結論 在此次課程設計中，我們組共有五名成員組成。我們分工明確，其中三名女生負責步進電機驅動電路的設計，而我和另外一名男生負責機械臂PLC驅動程序的設計。雖然在設計的過程中遇到了不少問題，但最終都被我們客服了?？粗罱K的勞動成果，心中還是有一絲喜悅。對于我來說，在此次設計的過程中，進一步加深了對羅克韋爾Micrologix 1000控制器的認識以及在編程方面也有了一定的提高。原本計劃是用西門子S7 200設計，但最終發(fā)現(xiàn)它的仿真軟件不能

27、仿真諸如順序控制指令等高級指令，于是就放棄了。但在這過程中也發(fā)現(xiàn)了西門子編程指令與羅克韋爾編程指令的差異。 參考文獻 [1]張家生. 電機原理與拖動基礎【M】. 北京：北京郵電大學出版社，2006. [2]馬淑華，王鳳文，張美金. 單片機原理與接口技術【M】.北京：北京郵電大學出版社，2007. [3]顧德英，張健，馬淑華.計算機控制技術【M】. 北京：北京郵電大學出版社，2006. [4]華成英，童詩白. 模擬電子技術基礎【M】. 北京：高等教育出版社，2008 . [5]張靖武，周靈彬. 單片機系統(tǒng)的PROTEUS設計與仿真【M】. 北京：電子工業(yè)出版

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29、 sbit k1=P3^4; //啟動開關 sbit k2=P3^5; //換向開關 sbit s2=P3^2; //加速按鈕 sbit s3=P3^3; //減速按鈕 void isr_int0(void);//外部中斷0中斷服務函數(shù)聲明 void isr_int1(void); void zd_t0ist(void); uint speed,count,r1,i,t,k; main() {k=0; t=0; r1=0x11 ; speed=0; count=1; TMOD=0x01; ET0=1; EA=1; EX0=1

30、; EX1=1; TH0=0xcf; TL0=0x2c; for(;;) {if(k1==0) {P0=0xff; P2=0xff; speed=0; TR0=0; } else { if(k2==0) P0=0xbf; else P0=0xf9; if(speed==0) {P2=0xc0; TR0=0; } else TR0=1; } } } void isr_int0(void) interrupt 0 { if(speed<7) speed=speed+1; while(s2

31、==0) {for(i=0;i<10;i++);} } void isr_int1(void) interrupt 2 { if(speed>0) speed=speed-1; while(s3==0) {for(i=0;i<10;i++);} } void zd_t0ist(void) interrupt 1 { TH0=0xd8; TL0=0xf0; switch(speed) { case 0:P2=0xc0;count=0;break; case 1:P2=0xf9;count=60;break; case 2:P2=

32、0xa4;count=40;break; case 3:P2=0xb0;count=35;break; case 4:P2=0x99;count=30;break; case 5:P2=0x92;count=28;break; case 6:P2=0x82;count=25;break; case 7:P2=0xf8;count=21;break; default :break; } if(t==0) t=count; if(t>0) t=t-1; if(k2==0) { if(t==0) { switch(k) { ca

33、se 0:P1=0x01;break; case 1:P1=0x02;break; case 2:P1=0x04;break; case 3:P1=0x08;break; default :break; } k=k+1; if(k==4) k=0; } } else { if(t==0) { switch(k) { case 0:P1=0x08;break; case 1:P1=0x04;break; case 2:P1=0x02;break; case 3:P1=0x01;break; default :brea

34、k; } k=k+1; if(k==4) k=0; 附錄三 電鍍生產線的自動工作狀態(tài)流程 T2定時 T3定時 下限位SQ6 原始限位SQ4 下限位SQ6 清洗槽SQ3 T2定時 回收槽SQ2 上限位SQ5 T0定時 下限位SQ6 上限位SQ5 右限位SQ1 左限位SQ4 T3定時 上限位SQ5 下限位SQ6 上限位SQ5 下限位SQ6 T1定時 啟動SB1 M19 浸回收液 M18 吊鉤下降 M17 行車后退 M16 工件滴液 M15 吊鉤上升 M14 水槽清洗 M13 吊鉤下降 M12 行車后退 M11 工件滴液 M10 吊鉤上升 M9 浸回收液 M8 吊鉤下降 M7 行車后退 M6 工件滴液 M5 吊鉤上升 工件電鍍 吊鉤下降 行車前進 吊鉤上升 原位指示 M0 M4 M3 M2 M1 附錄四 I/O接線圖