基于运动控制卡的两关节机械手臂控制系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于运动控制卡的两关节机械手臂控制系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

运动控制系统就有开环和闭环之分。 图 21 运动控制系统的组成 如上图 21 所示，运动控制系统中就有若干个不同的组成部 分，这当中最重要部件当属运动控制卡。 除此之外，还有其他部件。 比如 :用来接线的端子板、驱动器等。 除了运动和控制部件，比如接线、机械传动部件等。 运动控制卡在运动控制系统中的作用就相当于人脑在人体中的作用，它控制着其他部件的运动。 通过发出指令使其他部件发生响应，它是一种控制装置。 4 在运动控制系统中还需要计算机的配合，通过编程软件在计算机中编制运动控制系统的控制界面及调用程序添加到界面中每个命令控件，与此同时运动控制卡的不能单独使用，控制卡安装在计算机主机内，具体的安装步骤可以查看相关说明书。 在运动控制 系统中还有一种装置，它就是分线板，连接导线用途的，在这运动控制系统中所有的信号都是通过之间的接线来实现的，要确保路线的正确安装，使线路看起来清晰明了、不缠绕、不混乱。 如果接线端口弄错会导致运动控制系统无法正确安装，甚至有可能会烧毁部件。 运动控制系统中有开环和闭环两种控制方式，如图 22 所示的是开环控制系统，通过这个图，我们可以清晰的看到整个运动控制系统是单向的运动。 在这个过程当中没有任何的反馈。 在这种情况下，说明不需要对输出量进行检测，在我们日常的生活中，步进电机就是这种典型的开环控制系统的代表。 这种开环 控制系统价钱不高、但是精度不怎么高，维修费用比较低。 图 22 开环运动控制系统的组成 如下图 23 就是闭环控制系统，通过这个图，我们可以清楚的看到整个运动控系统并不是单向的运动，在输出端有部分输出信号返回与输入值进行比较，这就是闭环控制系统。 部分或者全部的输出信号通过返回到输入端信号处，与之进行比较，找出它们之间的信号误差，然后输出值逐渐向预定值靠近，缩小过程中的误差，得到更加的准确值。 相比于开环，闭环就多了个反馈环节，使系统的输出值更加准确，减 少外界干扰和系统内部误差，在我们日常生活中，伺服电机就是常用的闭环运动控制系统的代表。 5 图 23 闭环运动控制系统的组成 GT 系列运动控制器 本次控制系统设计，就是在 GT 控制卡的基础上进行的，它最多同时控制 4根轴的运动。 对于这次设计的两关节机械手，这个控制卡完全胜任。 与此同时，控制卡给编程的人提供了一个动态链接库，里面有很多实用的函数。 这大大的减少了我们的工作量，只需要熟悉并正确调用相关函数即可完成任务。 图 24 控制器中器件位置图 本次设计使用控制卡是 GT400SVPCI，这种运动控制卡包括四种运动模式 :S曲线模式、 T曲线模式、 V速度模式、电子齿轮模式。 两 轴协调直线和 曲线运动。 最值得一提是本次使用的 GT400SVPCI 运动控制卡是一种开放式数字控制方式，用户可以根据自己实际需要进行扩充，实现新的功能，控制卡外形如下图 25 所示。 6 图 25 GT400PCI 运动控制卡 伺服电机驱动器 伺服电机驱动 器简单的说就是一种信号放大器，把放大后的各种信号用来控制伺服电机，它的作用相当于我们日常生活中变频器作用于马达一样。 属于整个伺服系统的一部分，一般情况下是经过三种方式达到控制伺服电机的目的：对位置、速度和力矩。 伺服电机 一般伺服驱动系统主要由以下几个部分组成： ， ， 3.传动机构， 4 检测元件及反馈电路 【 1】。 伺服电机就是这个系统中的第二个部分，充当执行元件。 它不仅可以控制速度，与此同时，还可以控制位置，精度十分准确，它在某种意义上就是一种信号转换元件。 伺服电机把电压信号转化为电机输出轴所需的角位移和角速度。 与此同时，通过齿轮齿条机构把轴本来的转动变成机械手关节的直线移动。 至于移动多少距离，主要根据这个传动比来确定，伺服电机的后部有一个部件，那就是编码器，它的主要作用就是反馈。 7 两关节机械手 两关节机械手是运动控制系统中的最后一环，它是使预先设置的轨迹产生的部件，但要实现正确的轨迹，是需要步骤的，首先我们要运用微软公司开发的 在计算机上编制运动控制系统的控制界面，并调用固高科技的动态链接库里的函数把它们添加到控制界面的命令控 件中，然后导入到运动控制卡里，从而通过它向驱动器发出一系列的运动指令，接着就是用驱动器放大后的信号来控制伺服电机，从而控制机械手运动。 两关节机械手就是说这个机械手臂有 2 个自由度，可以在两个方向运动，至于手爪的夹紧和松开只是两个状态。 在这其中，我们要把两关节和相应的二维坐标一一对应，形成一个正确的映射，使运动轨迹正确表达。 安装步骤 图 26 板卡与端子板之间连接图 将我们所用的控制卡导入程序后，再插入计算机的主机内。 按照说明书所写步骤一 步步正确 的安装，一定要仔仔细细的检查，然后在连好线后 注意关掉电源，控 制卡要轻拿轻放，在安装之前使用者要认真的检查 设备是否接 地，就要看看接地的金属，防止有 静电损 坏这 类的问题影 响我们所 用的 GT系列运动控制卡，否则就有可能弄坏计算机和 我们用的运动控制卡，在安装的过 程中要用到的工具 要提前 准备好，待安装好运动控 制卡后，装好计算机的 主机箱，重新启动电脑，查看板卡是否能无问题的来工作。 8 安装控制器的驱动通 讯。 按照说明 书上的步骤仔仔细细的完成，要弄清计算机上安装的 位置，不要安装在其他不对的地方，否则就弄 不好安装 安装好之后不能 无问题运行程序。 该部分会有一些光盘指导，按照上面的指导完成安装过程。 建立计算机的主机与板卡之间的联系。 运行 附带的 程序，如果能无问题运行的话，就说明我们的安装不存在毛病；如果有问题的话，那就需要多次检查和重新安装。 连接本次设计所用电机和相应的驱动器。 连接驱动器和伺服电机这一步骤一定要在驱动器和运动控制卡之前，查看伺服电机目的是看看有没有负载，保证这一安装过程中的安全。 按照所给的说明书 指示的要求进行安装，在安装好了后一定不能忘的工作，那就是要测试伺服电机和它的驱动器。 连接我们用的控制卡和端子板。 在安装它们之前，别忘了关闭电脑的电源，防止发生不测。 仔细了解 各个端口的作用，千万不能在带电的情况下随意的插拔接口。 将两条电缆按照所给的要求连在相应的地方，不要弄错。 接线。 ⑴ 连接端子板电源 图 27 端子板的电源连接示意图 ⑵ 专用输入、输出连接方法 9 图 28 专用输入，输出连接图 ⑶ 编码器输入连接方法 图 29 编码器输入连接示意图 10 ⑷ 模拟输入连接方法，如下图 图 210 模拟的输入连接示意图 第三章 系统控制界面的制作及程序的编写 VC++编程 介绍 Visual C++中的有相当多的功能，经过多年的变化和发展， VC++也发生了许多改变，当然它所具备的能力是越来越多了，值得一提的是，在 VC++中增加了一个新的作用： MFC 可视化的编程，它就是我们这 次设计所用到的功能。 由它的名字我们就可以知道，也就是说使用它就可以非常清晰明了看到的编写界面，不用再花时间去想象它应该有的种种情况。 下面我们来动手看看 VC++的 MFC 可视化编程，它所具备的一些基本的部分。 首先我们就从一开始的地方说起，要实现一个某种功能的话，首先就要构建一个工程。 VC＋＋在建立好界面时，它会自动生成许许多多的东西，这些东西给编程序的人带来了福利，节省了我们的编程时间和精力。 它的结构很清晰，能帮助我们理清一些头绪，带着我们慢慢的去了解这个编程软件，如下图 所示，在这个编程序的界面中又分 为 3 个部分，第一部分是项目工作区，它有三个视图：类、资源、文件 【 2】 ；第二个部分，就是 11 编程序的人写代码的地方了，我们在这里面，不仅可以写新的我们所需要的代码，与此同时，我们也可以修改以前的代码；第三个部分，这个地方是用作显示的，显示我们调试、运行之后的结果。 如果出现一些什么错误和一些警告，都会出现在这里面了，当我们双击这个地方的错误提示之后，在我们编写代码的地方的左侧就会出现一个黑色的类似标签的东西，用来显示错误在哪一行。 当然，这仅仅是最基本的一些东西，这里面还有许许多多的要去琢磨。 图 31 V C++窗口界面 我们本次设计仅仅是大体的学习一下 VC++的建立过程和包含的最基本的内容。 VC++这个软件中， MFC 是一个极其有用的工具，由于其能够自动生成一些部分代码，所以降低了编写代码的复杂性和难度，而且能够与微软公司的一些应用程序相关联。 用 VC++来编写代码，如果有一定的 C 语言功底，因为这 毕竟是在 C语言上发展而来的，会更加轻松。 但是它们中间也有着相当大的不同，包括编写用的语言的思路，函定义的方法，编写代码的不同等等。 由于 VC++的可移植性，它的适用性就很广，更重要的是 VC++中的功能也变的很多了，比如加图片、滚动条之类的，还可以进行自己个性设置，比如改变字体和字型等，改变字的颜色与对话框中控件的颜色，相比 C 语言有很大的优势，深入使用后会发现更多的且有实际作用的功能。 12 控制界面的编制 当我们要编制控制界面时，我们第一步就是要建立这个编制的环境。 第一步，我 们就需要打开 VC 这个软件，点击新建，就会出现下图 所示的那样，接着我们再点击 projects 这个选项，就会出现好多个类型项目，我们需要的是点击 MFC AppWizard[exe]这个项目，接下来我们在对话框的左边填上我们所需创建工程的名字和保存的地方。 写好这些之后，我们所要做的就是点击 OK，那么接下来有会出现许多询问框，我们只需默认就行了，只有在一个地方，我们要注意一下，那就是我们要创建的是一个对话框而不是文档类型的。 图 32 新建工程窗口 第二步，我们就要添加控制界面中的控 件，首先我们就要了解这个控制界。