1、摘 要I毕 业 设 计 说 明 书GRADUATE DESIGN 设计题目：单片机机器人控制系统设计学生姓名： 专业班级：学 院：机械工程学院指导教师： 摘 要II摘 要施釉是卫生陶瓷生产过程中的一个重要工序，它利用压缩空气将釉浆雾化喷涂于坯体表面。长期以来，我国施釉工序主要靠手工完成，其作业环境恶劣，劳动强度大，质量差，生产效率低。随这人们物质文化生活需求的日益增长，对卫生陶瓷生产提出了更高要求。用机器人代替人工施釉已成为卫生陶瓷生产的发展方向。介绍了卫生陶瓷施釉工艺和装备、运动控制的研究现状以及单片机的发展。在所给条件下对机器人的运动控制系统进行分析。根据要求提出了一种基于 PIC 单片机
2、与 MCX314As 运动控制芯片的一种机械手运动控制系统。本设计选用了 PIC16F877 单片机，进行了控制系统外部接口电路设计和软件设计采用 CPU 对喷枪轨迹的线性插补和运动控制模块的位模式插补的并行处理方法，满足了工作需求。对 MCX314As 运动控制芯片的各种寄存器等进行了说明和设置。选用了光电耦合器和 RC 滤波器，并采用了接地线的措施，对硬件系统作了抗干扰设计,软件系统作了稳定性设计，提高了系统的稳定性和准确性。关键词：PIC 单片机；MCX314As 运动控制芯片；位模式插补AbstractIIIAbstractGlazing is an important working
3、 procedure in the manufacture of sanitary ware, which atomizes and sprinkle glair on ware surface by the compressed air. In our country, glazing by the hands has been the main form for a long term, but its environment is bad, work intensity is great, quality is poor and producing efficiency is low.
4、With the improvement of peoples lives, it brings higher requirement to the sanitary ware. So glazing by robot instead of handwork becomes the fashion to the sanitary ware industry.On the sanitary ceramics glazing techniques and equipment, movement control of the status quo and the development of SCM
5、. To the conditions in which the robots movement control system for analysis. According to a request based on PIC and motion control chip MCX314As a manipulator motion control system.The design selected PIC16F877 microcontroller, the external control system interface circuit design and software desi
6、gn using the CPU Lance linear interpolation of the trajectory and movement control module of the model interpolation of parallel processing methods to meet the demand for work. MCX314As motion control chips for the various registers and other settings and a note. Selection of the opt coupler and RC
7、filters, and adopt measures to the grounding line, made anti-jamming system hardware design, software systems were designed stability, improve the systems stability and accuracy.全套设计联系小企鹅：229780692KeyWords： PIC mcu,MCX314As chip,bit pattern interpolation目 录IV目 录1 绪论 .11.1 卫生陶瓷施釉机器人国内外研究综述 .11.2 运动控制
8、系统的概述 21.2.1 运动控制器的研究现状 212.2 运动控制器的种类 .31.3 PIC 单片机的特点与应用 31.3.1 PIC 单片机的特点 41.3.2 PIC 单片机的应用 42 主要研究内容及总体方案设计 62.1 主要研究内容 .62.2 喷釉机械手控制系统功能分析与方案设计 .72.3 机械手的软件总体设计 .82.4 本章小结 103 喷釉机械手控制系统硬件设计 113.1 微处理器的选型 .113.1.1 微机选用考虑的问题 .113.1.2 PIC 系列微控制器特点 113.1.3 系统电路设计原则 .133.2 运动控制模块 .143.2.1 芯片 MCX314A
9、s 的功能 .143.2.2 芯片 MCX314As 与多轴联动控制实现 .173.3 控制系统的接口设计 .193.4 本章小结 .244 喷釉控制系统软件设计 254.1 操作空间与关节空间插补实现 .254.2 管脚定义及寄存器设置 .304.2.1 管脚定义 30目 录V4.2.2 寄存器设置 324.3 本章小结 .365 系统的抗干扰设计 375.1 系统抗干扰分析 .375.2 运动控制系统的抗干扰设计 .375.2.1 印刷电路板及电路的抗干扰设计 .375.2.2 信号传输的抗干扰设计 .385.3 软件可靠性措施 .39结 论 40参考文献 41致 谢 43附录 A BP
10、插补轨迹程序 44附录 B 机械手系统的程序 45附 录11 绪论1.1 卫生陶瓷施釉机器人国内外研究综述在国外，机器人施釉是一项比较成熟的技术。自二十世纪九十年代初，一些发达国家就开始研究开发施釉机器人。到 1998 年底，世界上用于喷涂的机器人共有25122 台，占工业机器人总数的 3.6%1。早期的施釉机器人大多采用液压驱动方式，这种机器人示教周期长，泄漏的液压油会污染作业环境。目前，大都采用交流伺服电机驱动机器人，如德国 Lippert 公司采用 ABB 公司生产的 5 自由度关节机器人与转台结合构成喷釉工作站 2，美国 Nutro 机械公司将直角坐标喷漆机器人改造后用于喷釉生产线。目
11、前，意大利、德国、日本等国的卫生洁具生产已经普遍使用机器人进行喷釉。据报道，意大利制造的喷釉机器人对卫生洁具进行喷釉时，每小时可喷65 件左右；对洗面器喷釉，每件需要 4550s；坐便器每件需要 6570s；水箱或立柱每件需要 15s。利用手工喷釉每件标准坐便器消耗釉浆 2025cm3，坯体实际附着釉浆为 900cm3；而采用机器人时，消耗釉浆量 1250cm3，坯体附着釉浆 1100cm3。可见在生产的效率和釉料的节约上均有很大的提高。目前，我国有 200 多家卫生洁具生产企业，其施釉作业普遍采用人工方式，劳动强度大，工效低，产品质量不稳定。有的卫生陶瓷生产企业引进国外液压喷涂机器人，用于卫
12、生洁具施釉，但其售价高，一套引进的机器人施釉生产线价格达 300万500 万元人民币，大大增加了产品成本；二是厂家难以维护，更新产品时示教过程复杂。在国家“863”计划的支持下，美林公司于 1997 年 9 月研制了卫生陶瓷机器人喷釉自动化系统，其控制系统采用单片机作为控制器进行协调控制 3。2000 年8 月，广东佛陶集团塞纳陶瓷有限公司应用佛山本地生产的 FS601A 型机器人进行卫生陶瓷洁具的施釉，它属于 6 自由度，全电动连续轨迹示教空间关节型喷涂机器人，该机器人可以满足形状复杂的工作表面喷涂。但是它采用手把手示教方式进行示教，示教非常不方便且示教周期长。2002 年，唐山市科技局提出
13、了“施釉机器人系统及其配套装置研制”课题，由清华大学与唐山陶瓷集团的卫陶有限公司共同研究开发。该系统采用引进的通用 6 自由度关节机器人本体，主控系统采用工控计算机，再配套周边设备，并在系统中加入了视觉传感器进行位置定位。2006 年，在卫生陶瓷施釉工艺和运动分析的基础上，河北理工大学研制了卫生陶瓷专用施釉机器人，该机器人由 5 自由度关节机器人本体与工件转台共同构成，本体与转台间可实现插补联附 录2动，实现了坐便器复杂表面的匀速连续喷涂，明显提高了釉层均匀性，保证了产品质量。在施釉作业环境中，机器人控制系统稳定性至关重要。其中，机器人控制器是机器人的心脏，它是根据指令以及传感信息控制机器人完
14、成一定动作或作业任务的装置，决定了机器人性能的优劣。应用单片机与运动控制芯片结合可以解决现场的功能需求问题，并且成本低，周期短，本文就采用它为控制器。1.2 运动控制系统的概述运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动，其主要研究内容是机械运动过程中涉及到的机械学、动力驱动、运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题 4。运动控制不但在传统的机械数控行业有着广泛的应用，而且在新兴的电子制造和信息产品的制造业中起着不可替代的作用。通用运动控制技术已逐步发展成为一种高度集成化的技术，不但包含通用的多轴速度、位置控制技术，而且与应用系统的
15、工艺条件和技术要求紧密相关。事实上，应用系统的技术要求，特别是一个行业的工艺技术要求也促进了运动控制器的功能的发展。通用运动控制器的许多功能都是同工艺技术要求密切相关的，通用运动控制器的应用不但简化了机械结构甚至简化了生产工艺。一个典型的运动控制系统主要由运动部件、传动机构、执行机构、驱动器和运动控制器构成，整个系统的运动指令有运动控制器给出，因此运动控制器是整个运动控制系统的灵魂。1.2.1 运动控制器的研究现状运动控制器是以中央逻辑单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机、动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置，它在开放式数控系统中占有十分重要的地位。它不仅具有信息处理能力强、开放程
16、度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。同传统的数控装置相比，运动控制器具有以下特点：1.技术更新颖，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制和插补算法控制，是传统数控装置的换代产品;附 录32.结构形式模块化，可以方便地相互进行组合，以建立适用于不同场合、不同功能需求的控制系统;3.操作方便，在不使用专用的数控软件情况下，在通用的 PC 机上经简单编程即可实现运动控制功能。1.2.2 运动控制器的种类运动控制器种类很多，大体分为三类：1.基于在板微处理器的运动伺服控制器这类控制卡选用微处理器为核心构成运动伺服系统。利用微处
17、理器的强大功能，系统可进行插补运算，位置控制，速度控制等，插补的算法与速度控制可编程实现，增强了开发的灵活性，易于控制多轴联动，可以实现复杂的插补算法。2.SOFT 型运动伺服控制器此种控制器 CNC 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 I/O 之间的标准化通用接口。用户可以在计算机平台上开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统。与前几种数控系统相比，SOFT 型开放式数控系统完全开放，所有的控制方法和插补算法都由开发者实现。其典型产品有美国 Mnsl公司的 openeNC、德国 PowerAutomation 公司的 PA8000NT 等。3.专用运动控制芯片
18、伺服控制器这类控制卡以运动控制芯片为核心构成运动伺服系统。此类芯片有日本NOVA5公司产的 Mcx 系列，美国 TI 公司生产的 LM629 等。其插补的算法与速度控制一般集成于芯片内，且可以同时控制多轴。芯片控制方便，对开发者来讲，不需要考虑具体的插补，只要正确引入位置速度反馈信号和输入正确的位置指令即可。其缺点是受限于芯片的功能，开发者无法引入复杂的控制和插补算法，而且运动芯片的价格很高，此类控制卡应用面较窄，多用于直线运动和圆弧运动。1.3 PIC 单片机的特点与应用Microchip 公司的 PIC 系列单片机具有实用、低价、易学、省电、高速和体积小等特点。该系列单片机不是单纯的功能堆积，而是以多型号来满足不同层次的需要，并可提供低价的 OTP 芯片。另外，该系列单片机还具有低功耗睡眠功能、掉电复位锁定、上电复位电路、看门狗电路等功能，而且外围器件少、占用空间小；成本低，附 录IV保密技术也十分可靠，可最大限度地保护开发者的利益，因此，在工业、仪器仪表、计算机、家电等诸多领域具有极其广阔的发展前景 19。
