張 磊

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

機(jī)械手是基于生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，現(xiàn)代生產(chǎn)與科技應(yīng)用相結(jié)合形成的一個(gè)重要技術(shù)。工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度、可提高產(chǎn)品加工精度、減少由人工操作的危險(xiǎn)性生產(chǎn)環(huán)節(jié)，尤其適合在一些危險(xiǎn)性大的行業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。機(jī)械手作為生產(chǎn)線的主要應(yīng)用設(shè)備，節(jié)省了大量的勞動(dòng)力與費(fèi)用。隨著人們的需求不斷增加，對(duì)機(jī)械手的要求也就越發(fā)嚴(yán)格，要在完成工作量的前提下，加快生產(chǎn)速度與加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。

針對(duì)該需求，許多學(xué)者開(kāi)展了控制系統(tǒng)的研究。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[2]研究了基于單片機(jī)控制的玻璃管搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)。上述控制系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手電氣控制，但是控制效果不是很理想，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PI控制策略的生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)。

1 生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊作為主要設(shè)計(jì)對(duì)象。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，也是支持控制系統(tǒng)循環(huán)不斷的源頭，使整個(gè)系統(tǒng)維持在可控范圍內(nèi)。在安裝之前要保證系統(tǒng)連接的電路安全，并且可以連接電源的接口，經(jīng)過(guò)多次嘗試，可以確定當(dāng)接入的電壓為5 V最為合適，此時(shí)可以直接對(duì)生產(chǎn)線搬運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行控制[3]。

連接電壓后的系統(tǒng)電流也會(huì)隨之改變，并且控制系統(tǒng)一旦保持穩(wěn)定，電流就會(huì)保持不變，一般為1 A。當(dāng)電路上不斷連接各種儀器會(huì)使電阻不斷變大，造成電流忽大忽小，此時(shí)需要在電源兩側(cè)連接1個(gè)LM7805的變壓器，使電流的大小恒定。LM7805變壓器可以將電壓調(diào)節(jié)到最適合系統(tǒng)的電壓，操作較為簡(jiǎn)單，可以任意連接多個(gè)設(shè)備，但為了實(shí)現(xiàn)最低電功率，就要將其中的單片機(jī)改進(jìn)成LM2575芯片。

電源的設(shè)計(jì)還涉及到傳感器與電容器等，優(yōu)化后的芯片可連接的電壓峰值為5 V，電流峰值為1 A，電源電壓的級(jí)別為3級(jí)[4]，傳感器接入的電感為330 μH。當(dāng)電源達(dá)到極限時(shí)，電流就會(huì)超出1.2 A額定電流，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)提示，自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)電源。

LM2575芯片的電路帶有1個(gè)可調(diào)節(jié)的振蕩器，作用是盡量減少器件的數(shù)量，增大電路的穩(wěn)定性[5]，能夠在不占用空間的情況下擴(kuò)大散熱面積，并且自身攜帶1個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)電流的大小達(dá)到閾值就會(huì)自動(dòng)切斷電源開(kāi)關(guān)，在設(shè)計(jì)模塊中占據(jù)著主導(dǎo)作用。

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

基于生產(chǎn)線系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，采用AT24C04數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存模塊來(lái)保存系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，該模塊中使用的芯片由Ateml公司自主研發(fā)，可以自動(dòng)清除重復(fù)的數(shù)據(jù)。利用通信通道與單片機(jī)相連接[6]，將電壓設(shè)置到3.5 V，電流設(shè)置為額定電流，數(shù)據(jù)的保存年限可以達(dá)到100年，并且采用8個(gè)引腳加持[7]，運(yùn)行過(guò)程快速且簡(jiǎn)單。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為最新研制的DM860驅(qū)動(dòng)器，可根據(jù)用戶的需求自主設(shè)置400～51 200之間的細(xì)分，并且保證電流為1 A，該設(shè)置適用于多個(gè)單片機(jī)與芯片[8-9]。此驅(qū)動(dòng)器的主要特點(diǎn)為： 32位DSP技術(shù)；不產(chǎn)生噪聲；微細(xì)分原則；參數(shù)自主優(yōu)化；電流不受外界因素影響；電流極限時(shí)開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉；驅(qū)動(dòng)器帶有8個(gè)引腳；光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；脈沖次數(shù)高達(dá)300次；電流隨意變換；出現(xiàn)短路或者斷路情況立即預(yù)警。

驅(qū)動(dòng)器易受到周?chē)鷥x器的互相影響，因此接線時(shí)要一端接地。采用防短路電纜，每個(gè)引腳都要接地，避免信號(hào)錯(cuò)亂，在實(shí)際應(yīng)用中，屏蔽層可以不考慮。

2 基于PI控制的生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行力量及穩(wěn)定性較難表達(dá)。為了便于處理機(jī)械手的復(fù)雜幾何參數(shù)，需要對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。機(jī)械手會(huì)根據(jù)各個(gè)力之間的距離與大小構(gòu)建方程，清晰地表達(dá)速度與距離的關(guān)系[10]，使系統(tǒng)運(yùn)行得更加流暢。在牛頓基本方程上進(jìn)行改進(jìn)，得到方程為

F=mvc

(1)

F為受到的力；m為質(zhì)量參數(shù)；vc為速度。

那么構(gòu)成的歐拉方程為

O=Ic?+ω×Icω

(2)

O為受力點(diǎn)與物體的距離；Ic為電流張力；ω與?為旋轉(zhuǎn)的前后速度。

為了保證機(jī)械手電氣控制的有效性，將PI控制策略應(yīng)用到電氣控制系統(tǒng)中[13]。改變電流的行走方式，構(gòu)建環(huán)形函數(shù)來(lái)對(duì)控制器的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。整個(gè)控制策略如圖2所示。

圖2 PI控制策略

(3)

u(e,ech)為誤差函數(shù)；i與j為2個(gè)軸；m為質(zhì)量參數(shù)；n為數(shù)量。

基于函數(shù)建立一個(gè)模糊的網(wǎng)絡(luò)模型，與其相關(guān)的只有函數(shù)的階數(shù)與模糊標(biāo)記λij，是整個(gè)模型中唯一能夠決定規(guī)則與形狀的，因此，可以對(duì)其進(jìn)行控制來(lái)優(yōu)化每個(gè)參數(shù)。模糊模型大體可以分為4層，當(dāng)輸入1個(gè)恒定的電流時(shí)，第1層輸出的階數(shù)為

(4)

第2層為起始層，此層將得到的參數(shù)進(jìn)行模改變[14]，將數(shù)量設(shè)定為5個(gè)，階數(shù)設(shè)定為2個(gè)，那么可以將函數(shù)表示為

(5)

μ為模糊因子。

第3層為核心層[15]，包含的每一個(gè)變量都能夠單獨(dú)計(jì)算，那么在規(guī)則下形成的函數(shù)關(guān)系式為

(6)

k為系數(shù)。

第4層為最終輸出層，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得

(7)

通過(guò)上述過(guò)程對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制，最后提出機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)程序如圖3所示。

圖3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)程序

通過(guò)上述過(guò)程，采用PI控制策略對(duì)機(jī)械手進(jìn)行電氣控制，以此完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，將其與自動(dòng)化生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)和基于單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要將穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)精度和各功能的控制時(shí)間作為對(duì)比對(duì)象。主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：

a.選擇實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)中，預(yù)先選擇20個(gè)工人同時(shí)控制機(jī)床，并按下機(jī)床開(kāi)始按鈕，使3個(gè)系統(tǒng)同時(shí)操作。

b.對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中配置伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的位置精度。

c.在設(shè)置好后，將3個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)切換成調(diào)試模式，保證急停開(kāi)關(guān)處于松開(kāi)狀態(tài)。

d.調(diào)試各軸的功能，觀察3個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行。

e.記錄相關(guān)參數(shù)，以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析。

3.2 穩(wěn)定性分析

在0.1 s時(shí)施加負(fù)載，對(duì)比3個(gè)系統(tǒng)在突然施加負(fù)載后機(jī)械手轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情況，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定性對(duì)比

通過(guò)分析圖4能夠看出，在突然施加負(fù)載后，3個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速都有明顯的波動(dòng)，但是本文系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)平穩(wěn)。原因是本文系統(tǒng)采用了PI控制策略，能夠快速調(diào)節(jié)反饋，達(dá)到給定的效果。而另外2個(gè)系統(tǒng)控制效果較差，不能較好地對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，波動(dòng)較大。

3.3 運(yùn)動(dòng)精度分析

分別采用3個(gè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制，將實(shí)際軌跡值與3種系統(tǒng)的軌跡值對(duì)比，對(duì)比3個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，結(jié)果如表1所示。

表1 運(yùn)動(dòng)精度分析

由表1可知，本文系統(tǒng)基本能夠按照設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡值操作，誤差較小。而另外2個(gè)系統(tǒng)在操作上，與設(shè)定值有一定的差距，控制效果較差，原因是本文的控制系統(tǒng)在硬件與軟件部分都進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，從而提高了控制效果。

3.4 控制時(shí)間對(duì)比

分別采用本文系統(tǒng)與另外2種系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手電氣控制，進(jìn)行多個(gè)操作，對(duì)比3個(gè)系統(tǒng)在各操作上的控制時(shí)間，結(jié)果如表2所示。

表2 各操作的控制時(shí)間對(duì)比

通過(guò)分析表2可知，本文系統(tǒng)在各個(gè)功能的操作控制中，花費(fèi)的時(shí)間都較少，說(shuō)明本文系統(tǒng)具有較好的控制效果，在短時(shí)間內(nèi)就能夠完成相關(guān)功能的操作。另外2種系統(tǒng)雖然能夠?qū)C(jī)械手控制，但是能夠看出這2個(gè)系統(tǒng)花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，控制效果較差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PI控制策略的生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到危險(xiǎn)系數(shù)增加就會(huì)自動(dòng)切斷電源，且不影響之后的工作運(yùn)行，還能快速精準(zhǔn)地檢測(cè)到生產(chǎn)線的每一個(gè)流程。自主添加入口材料，連續(xù)工作，機(jī)械手的起落會(huì)根據(jù)材料的不同轉(zhuǎn)換成不同的力度，遇到不能處理的數(shù)據(jù)時(shí)還會(huì)及時(shí)上報(bào)給工作人員，及時(shí)發(fā)出反饋，本文系統(tǒng)取得了較好的應(yīng)用效果。