李海銘

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與信息技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013）

在實(shí)際應(yīng)用中，球體表面運(yùn)動(dòng)軌跡的控制是較為復(fù)雜的，以棒球?yàn)槔粢刂魄蝮w以棒球上的弧形紋路為軌跡實(shí)現(xiàn)球體的尋跡旋轉(zhuǎn)控制，是比較困難的。如選擇兩個(gè)維度的旋轉(zhuǎn)控制可基本實(shí)現(xiàn)軌跡的跟蹤，但精度較低，為滿足球體表面尋跡的高自由度，需要采用三個(gè)維度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)[1]。本設(shè)計(jì)可以作為運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃瓦\(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用研究對(duì)象，筆者將從機(jī)械結(jié)構(gòu)的方案研究和控制器的方案研究?jī)蓚€(gè)主要部分展開介紹。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案研究

機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)于控制系統(tǒng)而言是研究的前提和重點(diǎn)，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有缺陷，精度不高，勢(shì)必會(huì)對(duì)后續(xù)的控制器程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)造成麻煩。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)盡量考慮周全，且在分析時(shí)應(yīng)考慮到配合控制器的控制策略，構(gòu)成連續(xù)、閉環(huán)的控制系統(tǒng)。這里主要從夾具、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和電機(jī)三個(gè)方面來進(jìn)行研究介紹。

1.1 夾具結(jié)構(gòu)方案研究

考慮到球體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在夾持時(shí)需要保證較高的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)夾具時(shí)需要考慮3點(diǎn)固定或4點(diǎn)固定，同時(shí)在球體旋轉(zhuǎn)的過程中需要保證其旋轉(zhuǎn)中心保持固定不變，如圖1所示。

在夾具和球體接觸點(diǎn)的材料選取方面應(yīng)選擇硬質(zhì)高摩擦阻力材料，如硬質(zhì)橡膠，這樣在緊固球體時(shí)可有效避免球體在夾持時(shí)的位置偏移。橡膠材料可進(jìn)行開內(nèi)螺紋設(shè)計(jì)，與后面連接桿所做的外螺紋配合使用，同時(shí)橡膠頭與球體接觸側(cè)可做磨圓處理。

1.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案研究

為滿足球體表面尋跡的高自由度，應(yīng)采用三個(gè)維度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示?？刂迫S方向不同角度的旋轉(zhuǎn)來控制球體在不同軌跡的運(yùn)動(dòng)變化。

X軸和Y軸方向上可采用絲杠滑臺(tái)結(jié)構(gòu)控制夾具動(dòng)作，X軸或Y軸方向上需要兩個(gè)夾具，其中一個(gè)夾具需要連接電機(jī)，另一個(gè)夾具需要連接軸承，在旋轉(zhuǎn)時(shí)減少阻力。為保證控制中心的穩(wěn)定，可考慮配合光柵尺，保證X軸和Y軸的控制精度，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。而在Z軸方向上，當(dāng)X軸和Y軸固定在同一平板上時(shí)，將Z軸方向旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)安裝在下方。三軸的協(xié)同控制可使球體在球面上的任意軌跡運(yùn)動(dòng)，軌跡的精度則主要取決于夾具的加工精度以及控制電機(jī)的控制精度[2]。

1.3 電機(jī)選擇方案研究

通常環(huán)境下一般采用直流減速電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)，鑒于在控制系統(tǒng)中對(duì)精度的高要求，更適合采用步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)，尤其伺服電機(jī)自身帶編碼器，可構(gòu)成閉環(huán)控制，相比于易出現(xiàn)丟步問題的步進(jìn)電機(jī)更具有優(yōu)勢(shì)。但考慮到成本以及已經(jīng)在控制系統(tǒng)中加入了絲杠和光柵尺，也可用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行搭建。電機(jī)在選型方面的寬容度是較大的，只要能帶動(dòng)絲杠，比較基礎(chǔ)的電機(jī)型號(hào)也可以勝任，在配套驅(qū)動(dòng)器的選取方面則以控制精度為選擇的重要依據(jù)之一。

2 控制器方案研究

系統(tǒng)的輸出控制對(duì)象主要為3軸電機(jī)，針對(duì)控制電機(jī)輸出高速脈沖來實(shí)現(xiàn)控制，滿足要求的控制器可選擇PLC、STM32和運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)。以下對(duì)這3種方案分別進(jìn)行研究。

2.1 PLC控制方案研究

能滿足輸出高速脈沖的PLC較多，例如三菱品牌和西門子品牌都有成熟的控制策略，以西門子PLC舉例，西門子1200系列PLC最多可組態(tài)4個(gè)使用內(nèi)置或SB輸出的脈沖輸出。晶體管輸出型PLC可使用內(nèi)置自帶的脈沖輸出，而繼電器輸出型的需要單獨(dú)采購信號(hào)板才能實(shí)現(xiàn)脈沖輸出。PLC自帶的運(yùn)動(dòng)控制功能，PTO即Pulse Train Output，通過發(fā)送PTO脈沖的方式控制驅(qū)動(dòng)器，可以是脈沖+方向、A/B正交，也可以是正/反脈沖的方式[3]。PLC具有相對(duì)成熟的運(yùn)動(dòng)控制方案，在程序編輯軟件中進(jìn)行組態(tài)可以完成程序的設(shè)計(jì)，編程相對(duì)容易[4]。

2.2 STM32控制方案研究

STM32主要通過精確輸出PWM脈沖數(shù)控制電機(jī)，一般用于進(jìn)行速度控制或者位置控制。這里主要介紹常用的位置控制，STM32位置控制需要獲得發(fā)送的脈沖數(shù)，有以下4種方法：

1）每發(fā)送一個(gè)脈沖，做一次中斷計(jì)數(shù)；2）根據(jù)發(fā)送的頻率乘上發(fā)送的時(shí)間，獲得脈沖數(shù)量，對(duì)于變速的脈沖，可以用累計(jì)積分的方法來獲得總脈沖；3）以一個(gè)定時(shí)器作為主發(fā)送脈沖，另外一個(gè)定時(shí)器作為從計(jì)數(shù)，對(duì)發(fā)送的脈沖計(jì)數(shù)；4）使用DMA方式，例如共發(fā)送1 000個(gè)脈沖，那么定義u16 per[1001]，每發(fā)送一個(gè)脈沖，DMA會(huì)從數(shù)組中更新下一個(gè)占空比字，數(shù)組最后一個(gè)字為0，表示停發(fā)脈。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制卡控制方案研究

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)而言，運(yùn)動(dòng)控制卡也是一種很成熟可靠的方案，在多軸伺服控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)看到運(yùn)動(dòng)控制卡的身影。運(yùn)動(dòng)控制卡通常采用專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片或高速DSP作為運(yùn)動(dòng)控制核心，大多用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。一般地，運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作（例如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號(hào)的監(jiān)控等等）；控制卡完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)（包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)等等）。運(yùn)動(dòng)控制卡需要配合PC才能正常使用，在編程方面主要使用VC編程語言。如固高科技的GTS-VB系列多軸通用運(yùn)動(dòng)控制器是一款基于PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制器，可用于控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。它通過DSP和FPGA進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，可以輸出脈沖或模擬量指令。同時(shí)支持點(diǎn)位和連續(xù)軌跡，多軸同步，包括直線、圓弧、螺旋線、空間直線插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)模式。GTS-VB系列運(yùn)動(dòng)控制器可以自由設(shè)定加減速、S型曲線平滑等參數(shù)，協(xié)助用戶設(shè)計(jì)出最適合機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。通過GTS-VB系列提供的VC、VB、C#、LabVIEW等開發(fā)環(huán)境下的庫文件，用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的編程，構(gòu)建自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

綜上所述，三種控制器相比而言，成本最高的是運(yùn)動(dòng)控制卡，其次是PLC，最低的是STM32。

3 傳感器方案研究

對(duì)于一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢測(cè)環(huán)節(jié)是構(gòu)成反饋的關(guān)鍵，可用于修正控制偏差，提高系統(tǒng)的控制精度，為控制驅(qū)動(dòng)提供數(shù)據(jù)參考依據(jù)。這里主要用到的傳感器包括光纖傳感器、光柵尺和攝像頭。

3.1 光纖傳感器方案研究

對(duì)于例如棒球表面縫制線孔的檢測(cè)可以考慮使用光纖傳感器（光纖式光電接近開關(guān)）來進(jìn)行識(shí)別，孔位為深色，反光率較低，周邊為白色，反光率較高。光纖式光電接近開關(guān)放大器的靈敏度調(diào)節(jié)范圍較大。當(dāng)光纖傳感器靈敏度調(diào)得較小時(shí)，對(duì)于反射性較差的黑色物體，光電探測(cè)器無法接收到反射信號(hào)；而對(duì)于反射性較好的白色物體，光電探測(cè)器就可以接收到反射信號(hào)。反之，若調(diào)高光纖傳感器靈敏度，則即使對(duì)于反射性較差的黑色物體，光電探測(cè)器也可以接收到反射信號(hào)。這樣將傳感器的開關(guān)量信號(hào)給到控制器，就可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)判斷了。

3.2 光柵尺方案研究

光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或者角位移的檢測(cè)。其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大、檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。例如，在數(shù)控機(jī)床中常用于對(duì)刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個(gè)補(bǔ)償?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)誤差的作用。光柵尺按照制造方法和光學(xué)原理的不同，分為透射光柵和反射光柵。對(duì)于本設(shè)計(jì)中的控制系統(tǒng)，用光柵尺配合絲杠滑臺(tái)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行精度。

3.3 攝像頭方案研究

圖像識(shí)別在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛，復(fù)雜的圖像識(shí)別需要使用工業(yè)攝像頭配合上位機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)，這里可以采用相對(duì)基礎(chǔ)些的OpenMV來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。OpenMV攝像頭使用的是一款小巧、低功耗、低成本的電路板，能夠幫助研究者很輕松地完成機(jī)器視覺（machine vision）應(yīng)用?？梢酝ㄟ^高級(jí)語言Python腳本（準(zhǔn)確地說是Micro Python），而不是C/C++。Python語言的高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以很容易地在機(jī)器視覺算法中處理復(fù)雜的輸出。研究者們可以完全控制OpenMV，并能夠很容易地使用外部終端觸發(fā)拍攝或者執(zhí)行算法，也可以把算法的結(jié)果用來控制IO引腳。本研究主要應(yīng)用它的圖像捕獲功能，使用OpenMV捕獲RGB565灰度的BMP/JPG/PPM/PGM圖像。且可以直接在Python腳本中控制如何捕獲圖像。

4 總結(jié)

經(jīng)過研究可以發(fā)現(xiàn)，在球體夾持旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和搭建是前提條件也是難點(diǎn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性和加工精度影響著后續(xù)的控制效果。如果加工精度不高，后續(xù)控制器控制的過程中則需要矯正，且很難實(shí)現(xiàn)較好的效果。控制器的選取相對(duì)容易，在控制速度要求不高的情況下，選用PLC或者STM32都能較好地滿足控制需求。球體表面的尋跡需要較多控制策略的配合，傳感器的檢測(cè)和算法的加持也是后續(xù)研究的重點(diǎn)。圖像識(shí)別技術(shù)在當(dāng)下運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，也會(huì)給本控制系統(tǒng)的研究提供新的方向。