六軸工業(yè)機(jī)械手電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪植，張興華，劉卓霖，黃玥，莊國(guó)銳

（廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510450）

六軸工業(yè)機(jī)械手電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪植，張興華，劉卓霖，黃玥，莊國(guó)銳

（廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510450）

控制電路由6個(gè)STC12C5A60S2單片機(jī)及其他外圍電路組成，每個(gè)單片機(jī)通過(guò)編碼器反饋控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角，通過(guò)PID算法可以準(zhǔn)確的控制關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度及位置。該設(shè)計(jì)能有效地降低工業(yè)機(jī)械手的成本，取代人力進(jìn)行物料搬運(yùn)與放置。

六軸；機(jī)械手；電機(jī)；控制

0 引言

在需要做重復(fù)搬運(yùn)或者給機(jī)床做上下料的場(chǎng)合，可以用工業(yè)機(jī)械手來(lái)取代人工勞動(dòng)。但是工業(yè)機(jī)械手的成本普遍比較高。本設(shè)計(jì)采用無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。可以抓取800mm范圍內(nèi)的2kg物體，取代人工進(jìn)行物料搬運(yùn),是一種工業(yè)機(jī)械手低成本的解決方案。

1 六軸機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖（圖1、2）

圖1 六軸機(jī)械手設(shè)計(jì)圖

圖2 六軸機(jī)械手實(shí)物圖

2 單片機(jī)選擇與控制架構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2型號(hào)貼片封裝的單片機(jī)作為控制芯片。

STC12C5A60S2是一款具有A/D轉(zhuǎn)換功能的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。具有8路高速10位輸入型A/D轉(zhuǎn)換（250k/s），可做溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。用戶可將任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。

為了減輕單片機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，每個(gè)單片機(jī)控制一個(gè)關(guān)節(jié)上的電機(jī)，并由一個(gè)主單片機(jī)控制，即一個(gè)單片機(jī)主機(jī)控制各關(guān)節(jié)的單片機(jī)從機(jī)，各單片機(jī)從機(jī)再控制各關(guān)節(jié)電機(jī)。

單片機(jī)從機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)給直流電機(jī)伺服器，直流電機(jī)伺服器驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)，電機(jī)上面的增量式編碼器反饋信號(hào)給單片機(jī)從機(jī)，從機(jī)再把位置信號(hào)經(jīng)過(guò)處理反饋給主機(jī)。

3 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2最小系統(tǒng)主要有上電復(fù)位電路，晶振時(shí)鐘電路組成。晶振時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能模塊的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，按照時(shí)鐘周期一步一步的工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 5V穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中5V穩(wěn)壓電源電路采用LM7805三端穩(wěn)壓電源模塊，LM7805額定輸出電流1.5A，最大輸入電壓35V，適合本設(shè)計(jì)的要求。而且LM7805的外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性高。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖4 D/A轉(zhuǎn)換電路

5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)為了提高PWM信號(hào)的負(fù)載能力，采用了74HC244三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器作為直流伺服驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)芯片，提高單片機(jī)工作的穩(wěn)定性（圖3）。

6 D/A轉(zhuǎn)換電路

由于本設(shè)計(jì)所使用的直流無(wú)刷伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)是模擬信號(hào)，所以單片機(jī)輸入的PWM需要轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。D/A轉(zhuǎn)換電路是通過(guò)二階RC低通濾波電路將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。如圖4。

7 六軸機(jī)械手控制系統(tǒng)電路PCB設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中首先應(yīng)考慮的是與機(jī)械尺寸有關(guān)、體積大的元器件和核心IC的布局，然后考慮的才是外圍元器件的布局與調(diào)整。PCB元器件布局結(jié)束后，就對(duì)電路板進(jìn)行布線工作。PCB的布線方式有兩種：自動(dòng)布線和手工布線。

對(duì)于不同的電路，布線要求一般是不同的，就算是同一塊電路板，不同的網(wǎng)絡(luò)其布線大小和方向也不同。

比如，電源線和電源接地線通過(guò)的電流較大，要求布線的線寬要大點(diǎn)、回路要短；耦合或邏輯電路只用于傳輸信號(hào)，因此布線相對(duì)可以細(xì)些。 所以為了減少PCB過(guò)孔的數(shù)量，在對(duì)電路影響不大的情況下整體線寬設(shè)置相對(duì)較小。

在本設(shè)計(jì)中，優(yōu)先對(duì)電源線和電源接地線進(jìn)行手工布線，線寬設(shè)置為15mil；然后鎖定已經(jīng)手工布線的走線，再進(jìn)行自動(dòng)布線，線寬設(shè)置為8mil。對(duì)制作好的PCB進(jìn)行元器件焊接、測(cè)試。上電后對(duì)電源電路、單片機(jī)串口燒錄和D/A轉(zhuǎn)換電路的測(cè)試，各模塊電路工作正常。

8 機(jī)械手控制程序編程算法

光電編碼器是高精度控制系統(tǒng)常用的位移檢測(cè)傳感器。當(dāng)控制對(duì)象發(fā)生位置變化時(shí)，光電編碼器便會(huì)發(fā)出A、B兩路相位差90b的數(shù)字脈沖信號(hào)。正轉(zhuǎn)的時(shí)候A超前B為90°，反轉(zhuǎn)的時(shí)候B超前A為90°。

脈沖的個(gè)數(shù)與位移量成比例關(guān)系，因此，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)就能計(jì)算出相應(yīng)的位移。編碼器的A相輸出端接到單片機(jī)的外部中斷INT0，B相輸出端接到I/O端口P0.7。

當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，首先要把中斷0初始化成下降沿觸發(fā)，并開相應(yīng)中斷。當(dāng)有效脈沖觸發(fā)中斷時(shí)，執(zhí)行中斷處理程序，判別B相輸出端是高電平還是低電平。若是高電平，則編碼器正轉(zhuǎn)，加1計(jì)數(shù)；若是低電平，則編碼器反轉(zhuǎn)，減1計(jì)數(shù)。

電機(jī)的速度由PWM信號(hào)控制。速度控制程序主要控制電機(jī)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)和動(dòng)作時(shí)的速度，位置控制程序主要控制回機(jī)械原點(diǎn)、執(zhí)行關(guān)節(jié)動(dòng)作到設(shè)定的位置。其中為了速度控制中速度能平滑的過(guò)渡和快速響應(yīng)，在控制程序使用了增量式PID算法，經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)試，速度控制達(dá)到了非常好的效果。經(jīng)過(guò)各關(guān)節(jié)大量調(diào)試，已對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的PID參數(shù)有對(duì)應(yīng)合理設(shè)定值，如大臂關(guān)節(jié)控制程序中的PID參數(shù)分別為：Kp=0.4；Ki=0.1；Kd=0。程序就可以精準(zhǔn)控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)到設(shè)定的位置。

9 結(jié)語(yǔ)

控制電路由6個(gè)STC12C5A60S2單片機(jī)及其他外圍電路組成，每個(gè)單片機(jī)通過(guò)編碼器反饋控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角，通過(guò)PID算法可以準(zhǔn)確的控制關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度及位置。

該設(shè)計(jì)能有效地降低工業(yè)機(jī)械手的成本，實(shí)現(xiàn)取代人工進(jìn)行物料搬運(yùn)與放置。

TP241.2

A

1671-0711（2016）11（下）-0097-02

廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目，編號(hào)pdjh2016b0816。