电路板雕刻机的运动控制系统设计

第26卷 第1期 吉 林 化 工 学 院 学 报Vo.l 26N o .1 2009年2月J OURNAL OF JI L I N I NSTI TUTE OF CHEM ICAL TECHNOLOGYFeb. 2009收稿日期:2008-12-04作者简介:王华盛(1982-),男,吉林省吉林市人,青岛科技大学在读研究生,北华大学助教,主要从事控制理论与控制工程方面的研究.文章编号:1007 2853(2009)01 0079 03电路板雕刻机的运动控制系统设计王华盛1,2(1.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061;2.北华大学工程训练中心,吉林吉林132021)摘要:介绍了电路板雕刻机的运动控制系统的特点和规律,系统以3关节直角坐标型机器人为外部结构,基于V isva l C++的操做环境,控制核心采用DSP,同时与上位PC 机通讯进行控制,对电路板雕刻机中的步进电机实现电气控制,以完成电路板的雕刻过程.关键词:直角坐标型机器人;数据通讯;控制中图分类号:TP 391 文献标识码:A电路板雕刻机是一种集先进机械加工技术、强大的程序软件、高品质刀具和其它附件于一身的高科技雕刻机,它成为实验室快速制作样品电路板和小批量制作电路板的首选.该系统不仅具有功能配置齐全,而且柔性好,还能够胜任各种纷繁复杂的加工需要.从一般技术要求的电路板到适合S MT 技术要求的电路板,双层板,孔金属化等,均可从容应对.1 电路板雕刻机的结构方案如图1所示,这是一个简单的直角坐标型机器人,它的结构主要是指由3个关节皆为主动式的垂直移动的关节.图1 直角坐标型机器人因此它具有3个自由度,通过3个互相垂直的轴线位移来改变钻头的空间位置.直角坐标型机器人比较容易实现高定位精度,空间移动轨迹也易于求解[1],因此电路板雕刻机采用的机械结构就是直角坐标型机器人的结构.而在电路板雕刻机的内部采用的是螺旋传动,因为螺旋传动是具有内外螺纹的两构件直接接触并保持相对运动,使螺旋传动工作稳定、连续、承载能力大和自锁性好,这样可以使电路板雕刻机更精确地完成雕刻任务.2 电路板雕刻机的控制设计电路板雕刻机的控制器是电路板雕刻机的核心部分,电路板雕刻机性能的优劣、功能的强弱都与控制器有着紧密的关系.如图2所示,电路板雕刻机采用的是三级结构的多控制器的并行工作方式.图2 电路板雕刻机的控制设计电路板雕刻机中的第一级采用的是计算机,它主要是基于V isval C ++环境编写的转换、控制及监控软件,这一级是利用友好的人机界面进行倒入各种操作指令、参数设置、工具管理、图像编辑、实时监控与控制、轨迹算法运算和控制量的给定等操作.并然后计算出每个轴向位置的电机控制参数,最后通过计算机把信息数据由串行口输送给下一级.第二级是采用电路板雕刻机的核心控制器,它起到接收上一级所下发的驱动信息数据的命令,并将驱动信息数据转发给下一级控制器当中,并且还起到与上一级进行信息交流的作用.第三级是采用DSP 控制器,完成沿着X 、Y 、Z 三个轴向方向位置运动控制算法和控制量的给定工作,并传输给驱动控制电路.并由驱动电路控制驱动轴向的步进电机,使电路板雕刻机的工作刀头到达指定位置上.另外在刀头处还设置了一个传感器,进行实时监控刀头的走向,并将信息反馈回电路板雕刻机的核心控制器,最后送回第一级计算机当中.使我们能够更好的进行人机沟通.(1)上位机电路板雕刻机是通过计算机对下位机进行控制的,一种以主从结构分布式处理方式进行工作.它主要是利用VC ++编写出计算机内置的专用雕刻程序,通过专用软件对电路图进行设计和排版,并将计算机设计、排版的信息自动传送至雕刻机的控制器中.并且还利用设置在雕刻机当中的传感电路,进行监控操作,并将传感器的监控数据信息传输送回上位机.(2)驱动系统的设计1)串行通讯接口设计它采用的是SC I 串行通信总线接口电路,如图3所示SC I 串行通信总线接口电路主要由芯片MAX232A 和少量的外围元件构成.SC I RXD 、SC I T XD 接DSP 控制器SC I 串行通信模块的输入输出,RXD 、TXD 接外部RS 232接口.利用串口通讯总线可以进行数据通讯,从而实现上位计算机对工作现场的监视和控制.图3 SC I 串行通信总线接口电路2)PC104总线和DSP 数据通讯设计根据图4所示PC104总线的I /O 访问时序,为以下的总线信号,即可完成16位总线的通信设计:SD[15..0] PC104数据总线;SA [19..0] PC104地址总线;I O W PC104端口写控制,低电平有效,表示对I/0口写操作,由OUT 指令执行;I O R PC104端口读控制,低电平有效,表示对I/O 口读操作,由I N 指令执行;SYSCLK PC104总线时钟;ALE 地址锁存信号,在此不用作地址锁存,而是用作总线周期的开始同步,它的下降沿表示总线周期开始;I OC HRDY I /0设备就绪信号,当将该电平为低(无效状态)时,表示I /0设备要延长总线周期,信号由三态门或集电极开路门驱动;I RQ 中断请求信号,当I /O 设备需要向PC 机通信或是采集的信号已经准备好后,向PC 发起中断,申请通信,PC 将数据读走[2].图4 PC104总线和DSP 数据通讯3)驱动电路设计L298采用的是双H 桥式驱动器.L298内含的功率输出器件设计制作在一块石英基片上.L297是步进电机控制集成芯片(包括环形分配器),可产生四相驱动信号,应用于微处理机控制两相双极性和四相单极性步进电机[4].而按图5所采用L297与L298组成的集成块式电路分别驱动步进电机的两绕组,它是专为步进电机驱动而设计的.在通过两个D /A 转换器改变每相绕组的V ref 时,即组成了步进电机驱动电路.图5 L297与L298组成的驱动电路80吉 林 化 工 学 院 学 报 2009年3 软件程序流程及算法设计在电路板雕刻机当中以三轴联动的方式进行操作,各轴控制电机从动作开始到停止为止的时间必须相等,并根据这个时间来确定输出脉冲的周期.三轴的时间参数按一下式子决定:T xo =A P m ax /P x T yo =A P m ax /P y T zo =A P max /Pz其中P m ax =m ax(P x ,P y ,P z ).用时间参数来调整脉冲的周期.常数A 是步进电机不发生振动的最快回转速度[5].电路板雕刻机的控制系统的主程序的流程,如图6所示:根据以下流程可以达成电路板雕刻的操作图6 控制系统主程序流程4 结 论根据以上的介绍,本次设计主要是基于VC++环境下的利用DSP 与PC 数据通讯技术进行的一项运动控制系统的设计,它还采用了L297与L298组成的集成块式步进电机驱动电路来驱动电机;采用了串口芯片MAX232A 与上位机进行串口通讯技术来进行研究.由于电路板雕刻机在小产品制作、科研开发和产品调试上的应用.为他提供了一个特殊的市场环境.参考文献:[1] 孙迪生,王 炎.机器人控制技术[M ].北京:机械工业出版社,1997.[2] 刘和平,严利平,张学峰.TM S320LF240xDSP 结构、原理及应用[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2002.[3] 韩安太,刘峙飞,黄 海.DSP 控制原理及其在运动控制系统中的应用[M ].北京:清华大学出版社,2003.[4] 杨渝钦.控制电机[M ].北京:机械工业出版社,1999.[5] 张旭辉.基于PC 的步进电机多抽运动控制策略研究[J].机床与液压,2004,(8):55-56.[6] 熊远生,钱苏翔,高金凤.基于D SP 的步进电机控制系统与上位机的串行通信设计[J].机电工程,2004,2(9):17-21.Desi gn of the motion control syste m for circuit board carvi ng machi neWANG H ua sheng1,2(1.Co lleg e of M echanical &E lectr ica l Eng i neering ,Q i ndao U niversity o f Sc ience and T echno logy ,Q i ngdao 266061,Ch i na ;2.Cen ter o f Eng i neer i ng T raini ng ,Be i hua U niversity ,J ilin C ity 132021,Ch i na)Abst ract :The characteristics and la w s of the m otion contro l syste m for c ircu it carv i n g board m ach i n e are intro duced i n this paper .This syste m uses the three joint coord i n ates robot as the ex ter na l str ucture ,under the V isu al C ++env ironm en,t the con tro llable core uses the DSP .M eanwh ile ,it co mm un icates w ith the top PC to con tro l the stepper m otor o f the c ircu it carv i n g board m ach i n e then co m pletes the pr ocess o f c ircu it board carv i n g .K ey w ords :rectangu lar coord i n ates r obo;t data co mm unication ;contro l81 第1期王华盛:电路板雕刻机的运动控制系统设计。