基于DSP宝石加工机械手控制系统设计与实现*

熊 毅，玉振明，陈炳忠

(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004;2.梧州学院 电子信息工程系，广西 梧州 541002)

0 引言

以立方氧化锆为原料的人造宝石产业多年来一直主要停留在手工加工为主阶段，自动化程度低，加工精度受限。以加工中心居多的广西梧州市为例，近两年出现了以普通单片机为代表的自动化加工设备，但多为控制5个以下自由度，缺少控制界面，加工品种单一，性能不够稳定。而且精密宝石设计需要输入和处理参数量较大，受普通单片机硬件资源的限制，只能实现简单控制算法，很难满足精密宝石的加工设计需求。另一类是基于微机PCI总线多轴运动控制的高端自动加工机器，技术含量高，大多为开放式的多轴控制系统，系统成本高，不太适合以小型加工作坊为主的人工宝石加工产业。

本文所述的宝石加工机械手是一种基于DSP处理器模仿人工进行宝石研磨和抛光动作的机电系统，系统可用遥控器输入调整宝石研磨的设计参数，存储和调用设计好的参数，是为人工宝石产业研发的新一代智能加工产品，具有远距控制，界面清晰，操作方便，效率高等特点。对推动人工宝石加工产业的升级，具有积极的意义［1-2］。

1 宝石机械手的系统结构和运动方式

宝石机械手系统结构共有5个自由度，由5个不同力矩步进电机和对应的5个限位开关组成。如图1，宝石粘在宝石杆最顶端与磨盘靠近。M1、M4、M5为带丝杆的直线步进电机可做伸缩动作，M2、M3为普通的两相步进电机。J1～J5分别对应M1～M5带动机械手的5个自由度动作。例如M3带动上转盘做J3方向旋转，从而带动双工位宝石杆进行研磨动作(J3)。每研磨一次，由M2带动宝石换一个圆周角度切面(J2)。与此同步进行的是M4进行伸缩动作，保持换圆周角度切面时宝石离开盘面，研磨时宝石接触盘面(J4)。当研磨完成规定次数时，M1升降(J1)和M4伸缩(J4)组合运动用于转换下一个研磨水平角度，即宝石研磨与水平台面的角度。完成规定所有水平角度的研磨后，由M5通过连杆带动下转盘做转动(J5)，此时下盘面从研磨盘转换到抛光盘，最后做一整套类似的抛光动作。每次动作各个部位步进电机运动参数预先设置，实现灵活多样化宝石加工动作。如图1所示。

图1 宝石机械手结构示意图

2 电控系统硬件组成

2.1 控制板硬件组成

图2为DSP控制板硬件资源分配。主控芯片采用DSP系列中的TMS320LF2407A，芯片采用哈佛结构，最高倍频40MHZ。片内有32k字FLASH程序存储器，并带有片内DRAM和SARAM。拥有40个可编程复用I/O引脚，硬件资源十分丰富。DSP芯片完成对遥控器输入参数采集，并通过LCD对参数显示后，按控制算法输出各个电机的控制命令，同时对机械手各个限位开关复位点信号进行监控［3］。限位开关采用霍尔传感器3144A0芯片，通过自由移动直径仅2mm微小磁片，对电机的复位点手动粗调，再用遥控器修改参数细调，设计出满意宝石后，EEPROM存入宝石机复位点参数。宝石机是在脱PC机下独立运行的，遥控器输入的参数可以补偿机械误差，EEPROM存储补偿后的参数。不同型号的宝石设计参数完全不同且数据并不通过LCD显示，不在用户可读可调层，采用兼容性良好的U盘驱动接口芯片CH375，不同型号的宝石底层参数，只需正确连接U盘，通过DSP读取U盘对应扇区的数据，然后映射到对应控制算法的变量中，其中U盘对应扇区的数据是由程序员预先在CCS平台下通过DSP调用CH375库文件进行写入的。U盘接口提供了批量宝石机售后便携式升级的服务。

图2 DSP控制板资源分配框图

2.2 驱动部分硬件组成

步进电机种类较多，为了配合驱动板的使用，统一选择两相混合式步进电机，步进角度为1.8°。根据不同部位步进电机力矩需求，M2，M3，M4选择额定电流为1A的42mm口径步进电机，其中双工位的另一伸缩臂电机与M4并联在同一个驱动芯片端;M1，M5额定电流为3A的57mm口径步进电机。

TB6560为两相混口式步进电机专用驱动芯片，采用双全桥MOSFET结构，具有过热和过流保护。通过TB6560，步进电机只需3个控制信号(CLK，CW，ENABLE)，CLK可控制步进转角(脉冲数)和速度，CW为正反向，ENABLE为使能。5轴电机需共用一个外部中断I/O口作为总使能端XINT1/IOPA2，电机使能但又没有脉冲输入时，电机即进入锁死的状态，锁死是步进电机转子禁止自由走步的状态，可以免去外界振动和研磨时摩擦力导致的电机无脉冲输入时自由走步现象。在电机运动静止脉冲停止输入时，相应的电机都必须进入锁死状态来保障无走步误差。由于两种力矩步进电机的正常工作电流输出分别为1A和3A，对1A的轴(M2，M3)驱动芯片上的采样电阻选R2=R3=0.5/1A=0.5欧;对3A的轴(M1，M5)采样电阻选R2=R3=0.5/3欧，两台M4电机驱动输出电流为2A。TQ2，TQ1可以通过2位拨码开关调节电流衰减(如图3所示芯片1，2脚)。M2电机转动改变宝石圆周角，每改变一次，宝石换一个切面打磨。有的宝石某一层圆周要形成32个切面，1.8°步进电机200个脉冲一周无法均匀等份，TB6560具有整步，1/2，1/8，1/16四档位细分功能(如图3芯片 22，23 脚)［7］，当设置第 2 轴步进电机M2为16细分时，3200个脉冲M2转一周，给予100个脉冲M2，就是转动宝石一个圆周的1/32切面。

图3 单轴的TB6560驱动电路

3 电控系统软件实现

3.1 软件系统设计

系统软件实现主要包括红外遥控的解码、LCD串行显示实现、传感器信号反馈、步进电机控制、EEPROM存储。核心控制芯片2407A DSP综合处理6个部分控制信号。主要程序流程如图4所示。

3.2 遥控器与步进电机控制的DSP实现

遥控器解码程序利用事件管理器B中的捕获单元CAP4作为红外信号的输入。每按一次按键，发送一串码元信号，按键不同，发送的一串码元中每个码元分布位置不同。由于接收端红外中的单个码元信号都是以下降沿开始和终结，即当捕获输入引脚上检测下降沿跳变时进入捕捉中断，所选的定时器3的计数值被捕获并存入到一个2级深的FIFO堆栈中，下一个码元到来时再次进入捕捉中断，同理顺次捕捉所有码元的延时信息，即记录每个按键完整的一串码元信息。通过统计分析每个按键的码元分布规律，可以解译并提取每个按键的信息，利用DSP转换的遥控器底层驱动程序，每个按键按下的次数和顺序直接对应LCD界面层宝石设计参数的调节。

宝石机研磨参数复杂，以研磨2mm样品圆钻琢型的冠面为例。需输入冠面上中下3层每一层的参数，如上层的水平角度，研磨次数，研磨速度，研磨圆周切面角分度，离磨盘高度等［4］。步进电机控制算法的4个因素是:电机选择、方向、速度和步进脉冲步数，所有的输入参数本质都是单个步进电机或多个步进电机控制因素的组合。如研磨水平角度参数调整通过电机J1升降脉冲数与J4伸缩脉冲数的组合来实现。

DSP电机专用模块EVB中的比较单元，有分别控制输出PWM7～PWM11的5路脉冲，实现5个自由度步进电机控制。通过修改比较方式控制寄存器ACTRB中相应位的高电平有效位，输出PWM脉冲，然后定时器记数，记数到一定值强制变低电平，停止输出脉冲，由此控制脉冲数实现步进电机精密定位。步进电机每个PWM脉冲产生1个步进角θa，当产生k个步进脉冲时，步进转角为:

步进电机转动角速度为:

式中:Δk/Δt为单位时间脉冲个数，即脉冲频率［6］。

对于J3是左右高速摆动的抛光动作，由于单一给定很高的脉冲频率会引起过冲现象，过冲使得下盘面轻微晃动，影响了宝石机加工的台面稳定度。还需要对M3步进电机进行梯形升降频调速处理。利用DSP较高的运算速率，对起始点到终点脉冲数N之间设置分段区间，在启动和终止的N/5的区间进行缓慢减增周期寄存器T3PR，频率随脉冲数变化的关系为:

图4 软件程序流程图

其中固定权值C为M3最优稳定脉冲频率，启动和终止频率设置为C/3，k为脉冲数变量，N为J3摆一次终点角度脉冲数，脉冲频率由系统定时器分频和周期寄存器T3PR共同调节。通过计算可以得出每一转动角度调速区间的T3PR值，为了灵活修正T3PR，利用DSP较高的处理速度，采用浮点参数乘以固定权值的设置。步进电机运动控制函数主要设置如下:

表1为单片机宝石机与DSP宝石机加工性能比较，由此可见DSP宝石机加工精度效果均占优势。

表1 单片机宝石机与DSP宝石机加工性能比较

4 结束语

本文报告了一种为人造宝石加工而研发的自动化加工机械手系统，系统采用先进的DSP芯片和专用的步进驱动芯片为核心实现了适用于中高档次宝石加工的机械手精密控制。经调试，各个自由度可以依照预先设定参数精确完成规定的宝石加工动作，宝石设计参数灵活可调。采用DSP2407A的可编程普通IO口资源只占60%，在满足圆仿钻加工算法的基础上，剩余程序空间可以继续升级椭圆，梨型等宝石的加工程序。产品样机比目前市场出现的基于单片机控制的简单自动打磨设备在加工精度、效率、稳定性等方面都占有优势。因此，有着较好的推广应用前景。

［1］郭美斌.梧州人造宝石产业集群发展存在的问题与对策［J］.企业经济，2007(9):99－101.

［2］贾方，张志胜.AT89C2051单片机在步进电机控制中的应用［J］.机械设计与制造工程，2002(6):62－63.

［3］许贤泽，喻佳，张立英.步进电机多轴联动DSP控制系统研究［J］.机电产品开发与创新，2006，18(5):110－112.

［4］周汉利.宝石琢型设计及加工工艺学［M］.武汉:中国地质大学出版社，2007.

［5］刘和平，王维俊，江渝，等.TMS320LF240X DSP C语言开发应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003.

［6］张宝发，赵辉，岳有军.基于DSP的步进电机控制系统设计［J］.仪表技术与传感器，2010(8):63－66.

［7］Toshiba.TB6560AHQ/AFG，PWM Chopper-Type Bipolar Driver IC for Steeping Motor Control［EB/OL］.Toshiba，2006，5.