基于DSP寶石加工機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

熊 毅，玉振明，陳炳忠

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.梧州學(xué)院 電子信息工程系，廣西 梧州 541002)

0 引言

以立方氧化鋯為原料的人造寶石產(chǎn)業(yè)多年來一直主要停留在手工加工為主階段，自動(dòng)化程度低，加工精度受限。以加工中心居多的廣西梧州市為例，近兩年出現(xiàn)了以普通單片機(jī)為代表的自動(dòng)化加工設(shè)備，但多為控制5個(gè)以下自由度，缺少控制界面，加工品種單一，性能不夠穩(wěn)定。而且精密寶石設(shè)計(jì)需要輸入和處理參數(shù)量較大，受普通單片機(jī)硬件資源的限制，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制算法，很難滿足精密寶石的加工設(shè)計(jì)需求。另一類是基于微機(jī)PCI總線多軸運(yùn)動(dòng)控制的高端自動(dòng)加工機(jī)器，技術(shù)含量高，大多為開放式的多軸控制系統(tǒng)，系統(tǒng)成本高，不太適合以小型加工作坊為主的人工寶石加工產(chǎn)業(yè)。

本文所述的寶石加工機(jī)械手是一種基于DSP處理器模仿人工進(jìn)行寶石研磨和拋光動(dòng)作的機(jī)電系統(tǒng)，系統(tǒng)可用遙控器輸入調(diào)整寶石研磨的設(shè)計(jì)參數(shù)，存儲(chǔ)和調(diào)用設(shè)計(jì)好的參數(shù)，是為人工寶石產(chǎn)業(yè)研發(fā)的新一代智能加工產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)距控制，界面清晰，操作方便，效率高等特點(diǎn)。對(duì)推動(dòng)人工寶石加工產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，具有積極的意義［1-2］。

1 寶石機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式

寶石機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共有5個(gè)自由度，由5個(gè)不同力矩步進(jìn)電機(jī)和對(duì)應(yīng)的5個(gè)限位開關(guān)組成。如圖1，寶石粘在寶石桿最頂端與磨盤靠近。M1、M4、M5為帶絲桿的直線步進(jìn)電機(jī)可做伸縮動(dòng)作，M2、M3為普通的兩相步進(jìn)電機(jī)。J1～J5分別對(duì)應(yīng)M1～M5帶動(dòng)機(jī)械手的5個(gè)自由度動(dòng)作。例如M3帶動(dòng)上轉(zhuǎn)盤做J3方向旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)雙工位寶石桿進(jìn)行研磨動(dòng)作(J3)。每研磨一次，由M2帶動(dòng)寶石換一個(gè)圓周角度切面(J2)。與此同步進(jìn)行的是M4進(jìn)行伸縮動(dòng)作，保持換圓周角度切面時(shí)寶石離開盤面，研磨時(shí)寶石接觸盤面(J4)。當(dāng)研磨完成規(guī)定次數(shù)時(shí)，M1升降(J1)和M4伸縮(J4)組合運(yùn)動(dòng)用于轉(zhuǎn)換下一個(gè)研磨水平角度，即寶石研磨與水平臺(tái)面的角度。完成規(guī)定所有水平角度的研磨后，由M5通過連桿帶動(dòng)下轉(zhuǎn)盤做轉(zhuǎn)動(dòng)(J5)，此時(shí)下盤面從研磨盤轉(zhuǎn)換到拋光盤，最后做一整套類似的拋光動(dòng)作。每次動(dòng)作各個(gè)部位步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)先設(shè)置，實(shí)現(xiàn)靈活多樣化寶石加工動(dòng)作。如圖1所示。

圖1 寶石機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

2 電控系統(tǒng)硬件組成

2.1 控制板硬件組成

圖2為DSP控制板硬件資源分配。主控芯片采用DSP系列中的TMS320LF2407A，芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)，最高倍頻40MHZ。片內(nèi)有32k字FLASH程序存儲(chǔ)器，并帶有片內(nèi)DRAM和SARAM。擁有40個(gè)可編程復(fù)用I/O引腳，硬件資源十分豐富。DSP芯片完成對(duì)遙控器輸入?yún)?shù)采集，并通過LCD對(duì)參數(shù)顯示后，按控制算法輸出各個(gè)電機(jī)的控制命令，同時(shí)對(duì)機(jī)械手各個(gè)限位開關(guān)復(fù)位點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控［3］。限位開關(guān)采用霍爾傳感器3144A0芯片，通過自由移動(dòng)直徑僅2mm微小磁片，對(duì)電機(jī)的復(fù)位點(diǎn)手動(dòng)粗調(diào)，再用遙控器修改參數(shù)細(xì)調(diào)，設(shè)計(jì)出滿意寶石后，EEPROM存入寶石機(jī)復(fù)位點(diǎn)參數(shù)。寶石機(jī)是在脫P(yáng)C機(jī)下獨(dú)立運(yùn)行的，遙控器輸入的參數(shù)可以補(bǔ)償機(jī)械誤差，EEPROM存儲(chǔ)補(bǔ)償后的參數(shù)。不同型號(hào)的寶石設(shè)計(jì)參數(shù)完全不同且數(shù)據(jù)并不通過LCD顯示，不在用戶可讀可調(diào)層，采用兼容性良好的U盤驅(qū)動(dòng)接口芯片CH375，不同型號(hào)的寶石底層參數(shù)，只需正確連接U盤，通過DSP讀取U盤對(duì)應(yīng)扇區(qū)的數(shù)據(jù)，然后映射到對(duì)應(yīng)控制算法的變量中，其中U盤對(duì)應(yīng)扇區(qū)的數(shù)據(jù)是由程序員預(yù)先在CCS平臺(tái)下通過DSP調(diào)用CH375庫文件進(jìn)行寫入的。U盤接口提供了批量寶石機(jī)售后便攜式升級(jí)的服務(wù)。

圖2 DSP控制板資源分配框圖

2.2 驅(qū)動(dòng)部分硬件組成

步進(jìn)電機(jī)種類較多，為了配合驅(qū)動(dòng)板的使用，統(tǒng)一選擇兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)角度為1.8°。根據(jù)不同部位步進(jìn)電機(jī)力矩需求，M2，M3，M4選擇額定電流為1A的42mm口徑步進(jìn)電機(jī)，其中雙工位的另一伸縮臂電機(jī)與M4并聯(lián)在同一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片端;M1，M5額定電流為3A的57mm口徑步進(jìn)電機(jī)。

TB6560為兩相混口式步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，采用雙全橋MOSFET結(jié)構(gòu)，具有過熱和過流保護(hù)。通過TB6560，步進(jìn)電機(jī)只需3個(gè)控制信號(hào)(CLK，CW，ENABLE)，CLK可控制步進(jìn)轉(zhuǎn)角(脈沖數(shù))和速度，CW為正反向，ENABLE為使能。5軸電機(jī)需共用一個(gè)外部中斷I/O口作為總使能端XINT1/IOPA2，電機(jī)使能但又沒有脈沖輸入時(shí)，電機(jī)即進(jìn)入鎖死的狀態(tài)，鎖死是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子禁止自由走步的狀態(tài)，可以免去外界振動(dòng)和研磨時(shí)摩擦力導(dǎo)致的電機(jī)無脈沖輸入時(shí)自由走步現(xiàn)象。在電機(jī)運(yùn)動(dòng)靜止脈沖停止輸入時(shí)，相應(yīng)的電機(jī)都必須進(jìn)入鎖死狀態(tài)來保障無走步誤差。由于兩種力矩步進(jìn)電機(jī)的正常工作電流輸出分別為1A和3A，對(duì)1A的軸(M2，M3)驅(qū)動(dòng)芯片上的采樣電阻選R2=R3=0.5/1A=0.5歐;對(duì)3A的軸(M1，M5)采樣電阻選R2=R3=0.5/3歐，兩臺(tái)M4電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出電流為2A。TQ2，TQ1可以通過2位撥碼開關(guān)調(diào)節(jié)電流衰減(如圖3所示芯片1，2腳)。M2電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)改變寶石圓周角，每改變一次，寶石換一個(gè)切面打磨。有的寶石某一層圓周要形成32個(gè)切面，1.8°步進(jìn)電機(jī)200個(gè)脈沖一周無法均勻等份，TB6560具有整步，1/2，1/8，1/16四檔位細(xì)分功能(如圖3芯片 22，23 腳)［7］，當(dāng)設(shè)置第 2 軸步進(jìn)電機(jī)M2為16細(xì)分時(shí)，3200個(gè)脈沖M2轉(zhuǎn)一周，給予100個(gè)脈沖M2，就是轉(zhuǎn)動(dòng)寶石一個(gè)圓周的1/32切面。

圖3 單軸的TB6560驅(qū)動(dòng)電路

3 電控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)主要包括紅外遙控的解碼、LCD串行顯示實(shí)現(xiàn)、傳感器信號(hào)反饋、步進(jìn)電機(jī)控制、EEPROM存儲(chǔ)。核心控制芯片2407A DSP綜合處理6個(gè)部分控制信號(hào)。主要程序流程如圖4所示。

3.2 遙控器與步進(jìn)電機(jī)控制的DSP實(shí)現(xiàn)

遙控器解碼程序利用事件管理器B中的捕獲單元CAP4作為紅外信號(hào)的輸入。每按一次按鍵，發(fā)送一串碼元信號(hào)，按鍵不同，發(fā)送的一串碼元中每個(gè)碼元分布位置不同。由于接收端紅外中的單個(gè)碼元信號(hào)都是以下降沿開始和終結(jié)，即當(dāng)捕獲輸入引腳上檢測(cè)下降沿跳變時(shí)進(jìn)入捕捉中斷，所選的定時(shí)器3的計(jì)數(shù)值被捕獲并存入到一個(gè)2級(jí)深的FIFO堆棧中，下一個(gè)碼元到來時(shí)再次進(jìn)入捕捉中斷，同理順次捕捉所有碼元的延時(shí)信息，即記錄每個(gè)按鍵完整的一串碼元信息。通過統(tǒng)計(jì)分析每個(gè)按鍵的碼元分布規(guī)律，可以解譯并提取每個(gè)按鍵的信息，利用DSP轉(zhuǎn)換的遙控器底層驅(qū)動(dòng)程序，每個(gè)按鍵按下的次數(shù)和順序直接對(duì)應(yīng)LCD界面層寶石設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

寶石機(jī)研磨參數(shù)復(fù)雜，以研磨2mm樣品圓鉆琢型的冠面為例。需輸入冠面上中下3層每一層的參數(shù)，如上層的水平角度，研磨次數(shù)，研磨速度，研磨圓周切面角分度，離磨盤高度等［4］。步進(jìn)電機(jī)控制算法的4個(gè)因素是:電機(jī)選擇、方向、速度和步進(jìn)脈沖步數(shù)，所有的輸入?yún)?shù)本質(zhì)都是單個(gè)步進(jìn)電機(jī)或多個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制因素的組合。如研磨水平角度參數(shù)調(diào)整通過電機(jī)J1升降脈沖數(shù)與J4伸縮脈沖數(shù)的組合來實(shí)現(xiàn)。

DSP電機(jī)專用模塊EVB中的比較單元，有分別控制輸出PWM7～PWM11的5路脈沖，實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度步進(jìn)電機(jī)控制。通過修改比較方式控制寄存器ACTRB中相應(yīng)位的高電平有效位，輸出PWM脈沖，然后定時(shí)器記數(shù)，記數(shù)到一定值強(qiáng)制變低電平，停止輸出脈沖，由此控制脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)精密定位。步進(jìn)電機(jī)每個(gè)PWM脈沖產(chǎn)生1個(gè)步進(jìn)角θa，當(dāng)產(chǎn)生k個(gè)步進(jìn)脈沖時(shí)，步進(jìn)轉(zhuǎn)角為:

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為:

式中:Δk/Δt為單位時(shí)間脈沖個(gè)數(shù)，即脈沖頻率［6］。

對(duì)于J3是左右高速擺動(dòng)的拋光動(dòng)作，由于單一給定很高的脈沖頻率會(huì)引起過沖現(xiàn)象，過沖使得下盤面輕微晃動(dòng)，影響了寶石機(jī)加工的臺(tái)面穩(wěn)定度。還需要對(duì)M3步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行梯形升降頻調(diào)速處理。利用DSP較高的運(yùn)算速率，對(duì)起始點(diǎn)到終點(diǎn)脈沖數(shù)N之間設(shè)置分段區(qū)間，在啟動(dòng)和終止的N/5的區(qū)間進(jìn)行緩慢減增周期寄存器T3PR，頻率隨脈沖數(shù)變化的關(guān)系為:

圖4 軟件程序流程圖

其中固定權(quán)值C為M3最優(yōu)穩(wěn)定脈沖頻率，啟動(dòng)和終止頻率設(shè)置為C/3，k為脈沖數(shù)變量，N為J3擺一次終點(diǎn)角度脈沖數(shù)，脈沖頻率由系統(tǒng)定時(shí)器分頻和周期寄存器T3PR共同調(diào)節(jié)。通過計(jì)算可以得出每一轉(zhuǎn)動(dòng)角度調(diào)速區(qū)間的T3PR值，為了靈活修正T3PR，利用DSP較高的處理速度，采用浮點(diǎn)參數(shù)乘以固定權(quán)值的設(shè)置。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)主要設(shè)置如下:

表1為單片機(jī)寶石機(jī)與DSP寶石機(jī)加工性能比較，由此可見DSP寶石機(jī)加工精度效果均占優(yōu)勢(shì)。

表1 單片機(jī)寶石機(jī)與DSP寶石機(jī)加工性能比較

4 結(jié)束語

本文報(bào)告了一種為人造寶石加工而研發(fā)的自動(dòng)化加工機(jī)械手系統(tǒng)，系統(tǒng)采用先進(jìn)的DSP芯片和專用的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片為核心實(shí)現(xiàn)了適用于中高檔次寶石加工的機(jī)械手精密控制。經(jīng)調(diào)試，各個(gè)自由度可以依照預(yù)先設(shè)定參數(shù)精確完成規(guī)定的寶石加工動(dòng)作，寶石設(shè)計(jì)參數(shù)靈活可調(diào)。采用DSP2407A的可編程普通IO口資源只占60%，在滿足圓仿鉆加工算法的基礎(chǔ)上，剩余程序空間可以繼續(xù)升級(jí)橢圓，梨型等寶石的加工程序。產(chǎn)品樣機(jī)比目前市場(chǎng)出現(xiàn)的基于單片機(jī)控制的簡(jiǎn)單自動(dòng)打磨設(shè)備在加工精度、效率、穩(wěn)定性等方面都占有優(yōu)勢(shì)。因此，有著較好的推廣應(yīng)用前景。

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