二自由度机械臂驱动控制系统设计.docx

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1、目录第一章绪论1.1 设计目的与意义11.2 工业机器人机械臂的概述11.3 系统描述1第二章步进电机驱动器设计2.1 步进电机概述22.2 步进电机的转动控制22.2.1 基于控制电路的控制22.2.2 基于单片机的控制62.2.3 方案选择11第三章PLC控制系统设计3.1 任务描述113.2 控制任务和要求113.3 PLC的选型123.4 I/O地址编号和接线图123.5 PLC控制系统程序设计12结论13附录一PLC源程序14附录二步进电机C语言源程序19附录三电镀生产线的自动工作状态流程21附录四I/O接线图22第一章绪论1.1 设计目的与意义随着工业化生产的不断细分，新工艺新材料

2、的不断涌现，在实际产品中得到应用的设计效果也日新月异，电镀是我们在设计中经常要涉及到的一种工艺，而电镀效果是我们使用时间较长，工艺也较为成熟的一种效果，对于这种工艺的应用在产品上已经非常多。电镀能增强金属的抗腐蚀性（镀层金属多采用耐腐蚀的金属）、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和表面美观。如何更好地实现电镀工艺的自动化，是目前很多研究者在研究的问题。本次设计采用了自动控制与点动控制相结合的方式，满足了电镀过程的需求，对实现电镀过程的自动化做了一次意义的尝试。同时，通过本次设计，进一步提升了自己在PLC编程方面的能力，加深了对PLC的认识以及对步进电机的驱动和工作方式有了更深的体

3、会。1.2 工业机器人机械臂的概述工业机器人作为最典型的机电控制系统实例之一，几乎具有机电一体化系统的所有特点。既具有操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，又具有速度快、精度高、柔性好的特点。工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统。机械臂作为工业机器人的一种形式，是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械臂可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。近年来，为实现工业过程自动化，已有不少操作机械臂广泛应用于工厂的各个生

4、产过程，尤其是那些人力所限和人所不及的外部环境或危险场所，将是机械臂进一步发展的应用领域。1.3 系统描述自动化电镀生产线上的机械臂为二自由度机械臂，由两个步进电机控制。其中一个步进电机控制吊钩的上下运动；另一个步进电机控制行车的左行与右行。该机械臂的模型如下图1.1所示：图1.1电镀工艺机械臂模型该机械臂由罗克韦尔公司的MiCrOIOgiXlOOO控制，控制的流程主要有电镀槽、镀液回收槽、清洗槽三大部分组成,并设置了原位指示灯、点动指示灯和自动指示灯,具体情况见第三章，此处指给出系统整体结构图：图2.2系统整体结构图第二章步进电机驱动器设计2.1 步进电机概述步进电机是数字控制电机，它将脉冲

5、信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。该设计采用电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。目前,对步进电机的控制主

6、要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。图2.1步进电机工作时序波形

7、图2.2 步进电机的转动控制目前，步进电机的转动控制主要有三大类：一、基于控制电路的控制这种控制方式的核心是555定时器芯片，它产生步进电机转动所需的脉冲，并通过分频器分配给步进电机的各相，最后通过一个功率放大电路就实现了对步进电机的转动控制。这种控制方式的优点是简单、可靠，缺点是不适用与控制精度要求很高的场合。二、基于微控制器的控制这种控制方式的核心是各种类型的单片机以及各种各类的PLCo它的优点在于设计者根据实际的需求灵活的设计控制电路，因而这种控制方式的灵活性很大，功能丰富。三、基于专用控制芯片的控制这种控制方式一般适用在控制精度要求高的场合，它是由专门的设计公司开发的，因而它的功能很强

8、大。主要由三部分组成：脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大电路组成，其结构形式如下图2.2所示：图2.2步进电机的控制电路脉冲发生电路脉冲发生电路就是产生方波的电路，可以考虑由晶体管或IC芯片构成的多谐振荡电路或专用定时器芯片电路等。在需要产生特别精确脉冲的场合可以使用石英振荡电路。如图2.3电路采用了NE555定时器芯片。图2.3脉冲放生电路脉冲分配电路脉冲分配电路的任务是从脉冲发生电路产生的方波中分解出对应的四相脉，74HC74为单输入端的双D触发器。一个片子里封装着两个相同的D触发器，每个触发器只有一个D端,它们都带有直接置。端RD和直接置1端SD,为低电平有效。CP上升沿触发。D型触发器的

9、特点是：仅仅在时钟脉冲到来的触发时刻，输入数据才从D端传输至Q端；D型触发器具有锁存数据的功能，当CP=0”电平时，D型触发器输出状态不再随输入状态而变化，即锁存了前一次的数据。如图2.4是采用74HC74的二相励磁脉冲分配电路。图2.4脉冲分配电路功率放大电路步进电机中，各相中约有几百亳安的励磁电流通过，需要借助功率三极管或IC芯片驱动励磁电流。如图2.5是三极管电机驱动电路的实例。图中与步进电机连接的二极管的作用是用来吸收定子线圈产生的反电动势。图2.5功率放大电路总体电路图图2.6总体电路图2.2.2基于单片机的控制步进电机的四相绕组用Pl口的PL0P1.3控制，由于Pl口驱动能力不够，

10、因而用一片2803增加驱动能力。用PO口控制第一数码管用于显示正反转，用P2口控制第二个数码管用于显示转速等级。数码管采用共阳的。一、硬件设计本设计的硬件电路包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。最小系统只要是为了使单片机正常工作。控制电路只要由开关和按键组成，显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。控制电路根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，分别是Kl、K2、S2、S3,控制电路如图7所示。通过KI、K2状态变化来实现电机的启动和换向功能。当KI、K2的状态变化时，

11、内部程序检测PLO和PLl的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。图2.7控制电路原理图最小系统对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。

12、复位电路：晶振电路用30PF的电容和一个12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。晶振电路：8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚XTALl和XTAL2外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。图2.8最小系统电路图驱动电路通过ULN2803构成比较多的驱动电路，电路图如图9所示。通过单片机的P1QP1.3输出脉冲到ULN2803的1B4B口，经信号放大后从1C4C口分别输出到电机的A、B、C、D相。图2.9驱动电路显示电路在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机

13、的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中，主要是利用了单片机的PO口和P2口。采用两个共阳数码管作显示。第一个数码管接的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P0.0P0.7口，用于显示电机正反转状态，正转时显示“1”，反转时显示“一”，不转时显示“0”。第二个数码管的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P2.0P2.7口，用于显示电机的转速级别，共七级，即从17转速依次递增，“0”表示转速为零。电路如图所示。图2.10显示电路总体电路图把各个部分的电路图组合成总电路图，如图2.11所示。图2.11整体电路图二、软件设计主程序设计主程序中要完成的工

14、作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对PI口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。若初始化Pl=IlH,速度和方向初始值均设为0,就意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“0”,速度值显示“0”，主程序流程图如图2.12所示。定时中断设计步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中

15、，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图2.13所示。外部中断设计外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮S2为INTO中断，其程序流程为原数据，当值等于7时，不改变原数值返回，小于7时，数据加1后返回；速度减少按钮S3,当原数据不为0,减1保存数据，原数据为。则保持不变。程序流程图如图2.14所示。图2.12主程序流程图图2.13定时中断程序流程图图2.14外部中断程序流程图2.2.3方案选择以上详细介绍了步进电机转动控制的两种控制方案。在电镀生产工艺中，对电镀时间的把握要求非常高。而上述基于单片机的步进电机转动控制设置了速度等级，利于步进电机的精确启停控制。基于上述考虑，最终我们选择了方案二。第三章PLC控制系统设计3.1 任务描述电镀生产线上有三个槽，工件可由升降吊钩的行车移走，经过电镀、镀液回收、清洗工件，实现对工件的电镀。工艺要求是：工件放入电镀槽中，电镀280s后提起，停放28s,让镀液从工件上流回镀槽，然后放入回收槽中浸30