雙步進(jìn)尋跡跟蹤示教裝置的控制系統(tǒng)設(shè)
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作者：李永梅，遲英姿，張衛(wèi)芬
（東南大學(xué)成賢學(xué)院機(jī)械工程系，江蘇 南京 210088）
摘要：設(shè)計(jì)出操作方便快捷的尋跡跟蹤示教裝置的控制系統(tǒng)，完成了硬件電路設(shè)計(jì)及軟件程序設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊和鍵盤輸入模塊構(gòu)成。當(dāng)人手按下按鍵時，就會向單片機(jī)發(fā)出脈沖信號，再由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)對激光頭X方向和Z方向上的位置控制，使激光頭沿著黑帶的軌跡完成跟蹤掃描任務(wù)。該示教裝置結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低，具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。
關(guān)鍵詞：示教裝置；尋跡跟蹤；鍵盤輸入模塊；控制系統(tǒng)
中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
0 引言
利用伺服系統(tǒng)完成跟蹤掃描任務(wù)的示教裝置是一種特殊裝置。該裝置需要在兩個方向上實(shí)現(xiàn)位置控制，即雙坐標(biāo)控制。在目前的制造業(yè)、科研和軍事等各領(lǐng)域內(nèi)大量應(yīng)用到雙坐標(biāo)或多坐標(biāo)位置控制系統(tǒng)的聯(lián)動，目標(biāo)是掃描或者是對動態(tài)運(yùn)動點(diǎn)的跟蹤。因此，掌握這種裝置的設(shè)計(jì)特別是如何通過軟件算法形成給定掃描軌跡或配合傳感的快速跟蹤，對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工系統(tǒng)、立體倉庫中堆垛機(jī)的平面移動系統(tǒng)、平面繪圖儀的繪圖系統(tǒng)、機(jī)械手、搬運(yùn)檢測裝置以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)等領(lǐng)域都有深遠(yuǎn)的意義。
1 示教裝置的功能
圖1為雙步進(jìn)尋跡跟蹤應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖，該運(yùn)動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要完成兩個任務(wù)：一個是在屏幕上實(shí)現(xiàn)給定曲線或圖形的掃描與顯示；另一個則是對屏幕上動點(diǎn)“靶”的快速跟蹤。前者是針對激光束（輕負(fù)載）加工或者繪圖機(jī)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)裝置，后者則是針對掃描搜索特別是雷達(dá)攝像頭之類的設(shè)備。兩種功能具有不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c技術(shù)要求，但其主要任務(wù)都是實(shí)現(xiàn)給定曲線的運(yùn)動生成。
2控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
為了使雙步進(jìn)掃描實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能在屏幕上形成給定曲線的軌跡，采用一種“模板”示教裝置。在屏幕上用黑紙帶貼出給定曲線，通過示教裝置，手動控制激光頭光點(diǎn)的運(yùn)動，用目測判斷激光點(diǎn)的位置是否貼合曲線，然后手動操縱輸入裝置，使其向微控制器發(fā)出脈沖信號；微控制器將接收到的信號處理后，經(jīng)L297+L298向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)出指令，從而實(shí)現(xiàn)對激光頭的位置控制，使其打在屏幕上的光點(diǎn)緊貼黑帶軌跡移動。該裝置在跟蹤移動過程中，通過單片機(jī)對X軸和Z軸的坐標(biāo)進(jìn)行記憶和存貯，除此還需要對兩軸的坐標(biāo)能夠進(jìn)行編輯，一旦跟蹤移動發(fā)生錯誤可以刪除前一次操作，當(dāng)跟蹤結(jié)束后，撤掉黑帶，可以進(jìn)行復(fù)現(xiàn)掃描。因此，該示教裝置有3項(xiàng)技術(shù)要點(diǎn)：①在外部專門做成步進(jìn)電機(jī)的接口電路，可簡化設(shè)計(jì)電路和減輕主控制器的負(fù)擔(dān)；②時間響應(yīng)的適配很重要，通過直線步進(jìn)電，機(jī)可以實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，防止人手操縱時激光束跑得過快或過慢；③整個示教操作要簡便，通過軟件可以實(shí)現(xiàn)在輸入模塊中自動修正錯誤的功能。
3 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
根據(jù)示教裝置的功能要求，設(shè)計(jì)出了一種基于串行口在線下載的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)。采用帶有ISP功能的AT89S52單片機(jī)作為主控制器進(jìn)行主要的信息處理，接收外部鍵盤發(fā)出的指令，形成各種控制信號，用于控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。
3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的開環(huán)控制系統(tǒng)。該示教裝置采用螺桿作為電機(jī)輸出軸，在電機(jī)外部通過一個外部驅(qū)動螺母和螺桿相嚙合，從而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。這樣做可以大大簡化設(shè)計(jì)，能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動裝置的情況下，直接使用直線步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精密的線性運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)螺距為4 mm，螺桿為4頭，步距角為1.8°，按此計(jì)算，每個步距角螺桿上的螺母走0. 04 mm，工作方式為雙極性兩相四拍，最高頻率取1 200 Hz，則每秒跟蹤頭可達(dá)48 mm，如果沿斜直線走則速度可達(dá)到68 mm/s。
L297單片步進(jìn)電機(jī)控制集成電路適用于雙極性兩相步進(jìn)電機(jī)或四相單極性步進(jìn)電機(jī)的控制，與兩片H橋式驅(qū)動芯片L298組合，組成完整的步進(jìn)電機(jī)固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅(qū)動器。
L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。采用L297和L298實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路原理見圖2，該電路為固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅(qū)動方式，適用于兩相雙極性步進(jìn)電機(jī)，最高電壓46 V，每相電流可達(dá)2A。用兩片L298和一片297配合使用，可驅(qū)動更大功率的兩相步進(jìn)電機(jī)。該模塊只要求微控制器提供兩個輸入，一個是高低電平，表明電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；另一個則是脈沖輸入，輸入一個脈沖，坐標(biāo)軸將走0. 04 mm。
3.2鍵盤輸入模塊設(shè)計(jì)
該裝置需要通過鍵盤來操控激光頭。一次正常的按鍵動作大概需要0.4 s，如果脈沖頻率為500 Hz，則按一次就發(fā)出200個脈沖，激光束在屏幕上移動200×0.04=8 mm，這樣目測與手感比較適應(yīng)，分別按下X軸鍵和Z軸鍵就能較方便地跟蹤屏幕曲線。如果實(shí)際操作不適應(yīng)，則可以調(diào)整脈沖頻率，即通過程序控制能調(diào)出目測與手感的最佳協(xié)調(diào)方案。在這種情況下，如果微控制器電路采用分列式鍵盤，顯然浪費(fèi)硬件資源。本示教裝置采用ZLG7290B作為接口芯片的鍵盤方案。ZLG7290B是由廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司自行設(shè)計(jì)的數(shù)碼管顯示驅(qū)動及鍵盤掃描管理芯片，能夠直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管，同時還可以掃描管理多達(dá)64只按鍵。示教裝置需要的按鍵有：X+，X-，Z+，Z-，刪除按鈕，記憶按鈕，自動掃描按鈕，復(fù)位按鈕。
3.3 顯示連接模塊
ZLG7290B除了接按鍵，還能夠自動消除抖動，因此用ZLG7290B連接顯示屏。ZLG7290B通過I2C接口與MCU進(jìn)行串口通信，I2C總線接口傳輸速率可達(dá)32 kb/s。ZLG7290B應(yīng)用中應(yīng)注意：①ZLG7290B一定要放在控制面板上，否則容易造成顯示混亂、按鍵失靈等故障；②復(fù)位引腳由主控制器直接控制，每隔幾分鐘強(qiáng)制復(fù)位一次，可有效防止偶爾由于電磁干擾而產(chǎn)生的顯示不正常和按鍵失靈的現(xiàn)象；③降低晶振頻率，I2C總線的通信速率也應(yīng)適當(dāng)降低。
4 示教裝置系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
跟蹤示教裝置軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，分為主控模塊、鍵盤輸入模塊及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊。根據(jù)示教裝置的要求采用C語言編寫鍵功能板的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)X方向和Z方向的單步跟蹤，跟蹤結(jié)束后根據(jù)掃描軌跡快速聯(lián)動。另外，鍵功能板還應(yīng)當(dāng)具有編輯功能，如刪除、記憶、復(fù)位、快速掃描等。由于單片機(jī)的引腳P3.2和ZLG7290B芯片相連接，因此一旦有按鍵按下，程序便轉(zhuǎn)入鍵功能子程序，從而完成判斷鍵值并驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的工作。編寫鍵功能子程序是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，定義按鍵1、2、3、4、5、6、7、0分別為步進(jìn)電機(jī)1正反、步進(jìn)電機(jī)2正反轉(zhuǎn)、存儲本次操作、刪除前次操作、復(fù)位以及快速掃描按鍵。使用硬件I2C對ZLG7290B進(jìn)行讀鍵值的操作，利用中斷方式進(jìn)行鍵功能的編程。鍵功能子程序流程圖如圖3所示。
5 總結(jié)
本文主要完成對雙坐標(biāo)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，隨著電子技術(shù)、自動控制和傳感器技術(shù)的發(fā)展，這一領(lǐng)域?qū)玫礁蟮陌l(fā)展空間。將一條幾乎不可能用算法函數(shù)表達(dá)的復(fù)雜曲線，通過“靠模”的方法存儲下來。只要用手動和人眼觀察跟蹤一次，就可以將程序固定下來。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低，具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。
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Design of Control System of A Dual Stepping Tracing Experiment Device
LI Yong-mei, CHI Ying-zi, ZHANG Wei-fen
(Mechanical Engineering Department, Chengxian College, Southeast University, Nanjing 210088, China)
Abstract: The paper introduces a kind of control system which can realize convenient and fast trace tracking of a teaching device, and mainly completes the design of hardware circuit and software program. The control system is mainly composed of a stepping motor drive module and keyboard module. When the button is pressed, the device will send a pulse signal to the microcontroller, then the MCU controls stepping motor drive circuit to realize the positon control of the laser head in X direction and Z direction. It makes the laser head along the black belt track to complete tracking scan task. The demonstration device has the advantages of simple struc~ture, high reliability, low cost. It has a strong practical value.
Key words: teaching device; trace tracking; keyboard input module; control system
