雅馬哈機(jī)械手基于工控機(jī)的系統(tǒng)控制

沈侃++曹嘉佳++溫仁偉

摘 要：現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的自動(dòng)化水平較低，很多工廠、企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)還停留在人工操作的地步。這樣不僅做事效率低，而且人工成本高，有的作業(yè)環(huán)境比較惡劣，操作難度大，容易對(duì)操作者的健康產(chǎn)生威脅。特別對(duì)于一些正在發(fā)展中的企業(yè)，機(jī)械自動(dòng)化的不斷發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)的需求，對(duì)生活品質(zhì)的要求越來(lái)越高，都促使著企業(yè)轉(zhuǎn)向自動(dòng)化生產(chǎn)。本文主要針對(duì)雅馬哈機(jī)械手臂的伺服驅(qū)動(dòng)器的使用，對(duì)PCL-1245L進(jìn)行介紹，通過(guò)對(duì)板卡的了解及伺服驅(qū)動(dòng)器的認(rèn)識(shí)，將工控機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器的有效結(jié)合對(duì)雅馬哈機(jī)械手進(jìn)行控制運(yùn)作。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；伺服驅(qū)動(dòng)器；工控機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.013

1 緒論

1.1 研究背景及意義

現(xiàn)今社會(huì)各企業(yè)、工廠自動(dòng)化的設(shè)備運(yùn)用程度都比較低，很多企業(yè)的工作環(huán)境都十分惡劣，不僅效率低，而且對(duì)工人的生命健康也有著威脅。社會(huì)在進(jìn)步，機(jī)械化產(chǎn)業(yè)在不斷的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械自動(dòng)化的需求越來(lái)越高，這些都促使機(jī)械控制領(lǐng)域不斷的創(chuàng)新發(fā)展.一些環(huán)境惡劣的工廠、大型的制造業(yè)都需要機(jī)械化的控制設(shè)備，通過(guò)機(jī)械控制來(lái)完成一系列的工作。提高工作效率，降低人身危害。在機(jī)械化運(yùn)作的過(guò)程中，需要通過(guò)工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)作。工控機(jī)的優(yōu)點(diǎn)很多，體積小、輕便、穩(wěn)定性好，控制的方法也靈活多樣化，相對(duì)于其它的機(jī)器而言性價(jià)比也比較高，能夠降低人工需求，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。

1.2 機(jī)械手的概述及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

機(jī)械手是一種模仿人手操作的機(jī)械化自動(dòng)設(shè)備，它可以通過(guò)某種特定的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、抓取等一些特定的操作。應(yīng)用機(jī)械手可以代替人工進(jìn)行重復(fù)、單調(diào)、頻繁及重體力的勞動(dòng)，提高工作的效率，減少人工的使用，保證人身健康安全，因此廣泛的使用在了電子電工、輕工業(yè)、原子能應(yīng)用及機(jī)械制造業(yè)。

目前我國(guó)已開(kāi)始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。

1.3 研究的目的與任務(wù)

（1）在了解目的及意義的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單的介紹雅馬哈機(jī)械手的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。（2）闡述工控機(jī)的概念，了解板卡的使用，安裝調(diào)試。

2 雅馬哈機(jī)械手的組成

雅馬哈機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及位置檢測(cè)裝置等組合而成，各系統(tǒng)之間的關(guān)系如下圖所示。

3 工控機(jī)控制系統(tǒng)

3.1 工控機(jī)簡(jiǎn)介

工控機(jī)（Industrialand Personal Cpmputer）簡(jiǎn)稱IPC，就是我們所說(shuō)的工業(yè)計(jì)算機(jī)，可以對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工作的過(guò)程進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)和控制。它擁有計(jì)算機(jī)的性能，有普通計(jì)算機(jī)擁有的CPU、USB接口、內(nèi)存等等，但是比計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力更加快速，具有更強(qiáng)的人機(jī)界面。

3.2 PCI-1245L板卡

3.2.1 PCI-1245L板卡概述

本文中雅馬哈機(jī)械手運(yùn)用的是PCI-1245L板卡。

PCI-1245L是4軸的SoftMotion PCI總線控制卡，專為各種電機(jī)自動(dòng)化和其它機(jī)器自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用設(shè)計(jì)。板卡配有高性能的FPGA，其中SoftMotion 算法，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡和時(shí)間控制，以滿足精確運(yùn)動(dòng)中的同步應(yīng)用需求。PCI-1245L支持以下SoftMotion特性：手輪及MPG控制、可編程的加速度和減速度。

3.2.2 PCI-1245L I/O接口針腳定義

PCI-1245L 的 I/O 接口是一個(gè) 100 針接口，可通過(guò) PCL-10251 屏蔽電纜連接兩個(gè) ADAM-3955 端子板或是通過(guò) PCL-101100M 屏蔽電纜連接一個(gè) ADAM-3956 端子板。表 1 為 I/O 接口信號(hào)說(shuō)明。

4 雅馬哈機(jī)械手基于IPC 的應(yīng)用

4.1 工控機(jī)的搭建及調(diào)試

控制卡的搭建組成主要由：控制卡、電機(jī)、24V直流電、驅(qū)動(dòng)器、接線板組成。

調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題及注意事項(xiàng)：

（1）調(diào)試時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕時(shí)電機(jī)不運(yùn)作，可能是脈沖模式選擇不正確。

（2）使用板卡的時(shí)候要檢查電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是否上電。

（3）電纜連接上后做測(cè)試沒(méi)有任何反應(yīng)，可能是線序不對(duì)。

4.2 labview軟件的介紹及使用

LabVIEW是NI公司最新推出的一種虛擬的軟件應(yīng)用程序，是以LabVIEW為核心，包括控制與仿真技術(shù)、數(shù)字信息處理技術(shù)，統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制、可以運(yùn)用在不同的各個(gè)平臺(tái)之上。

4.2.1 labview軟件的組成

labview的編輯界面包括兩部分：前面板和程序框圖兩個(gè)界面。

前面板就是圖形化用戶界面。該界面可以用來(lái)模擬真實(shí)儀器的前面板，用于設(shè)定相應(yīng)的輸入數(shù)值和以及觀察輸出量。前面板界面如下圖所示：

每一個(gè)的前面板都有一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的程序圖，用圖形化的語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。框圖是定義VI功能的圖形化源的代碼。程序框圖主要由節(jié)點(diǎn)、端口和數(shù)據(jù)連線構(gòu)成的。在框圖中對(duì)VI編程就是對(duì)輸入信息進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后在前面板上反饋?zhàn)詈蟮慕Y(jié)果。

4.2.2 labview數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集（DAQ）是通過(guò)傳感器裝置和其它一些需要測(cè)量的設(shè)備采集一些信息的單元過(guò)程。在現(xiàn)今，計(jì)算機(jī)應(yīng)用十分普遍，數(shù)據(jù)的采集十分的重要，它是計(jì)算機(jī)以及外部工作連接的橋梁。

在數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，程序?qū)?huì)對(duì)板卡進(jìn)行初始化設(shè)置，板卡上以及內(nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存的中間重要環(huán)節(jié)。完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由以下部件組成傳感器裝置、信號(hào)調(diào)理裝置、數(shù)據(jù)采集器和分析硬件和驅(qū)動(dòng)程序軟件等。在本次的實(shí)驗(yàn)中我們的采集卡用的就是研華的PCI-1245L，下載控制卡的驅(qū)動(dòng)后，里面的DAQ會(huì)進(jìn)行自動(dòng)的釋放，不必增添其它的DAQ卡。DAQ系統(tǒng)的任務(wù)就是檢測(cè)生成相應(yīng)的物理信號(hào)。endprint

4.2.3 控制原理與流程

控制原理：伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制很簡(jiǎn)單，只要用單路脈沖的輸出加一路開(kāi)關(guān)量控制正反轉(zhuǎn)就可以了。脈沖控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加減速，當(dāng)電機(jī)的速度為零的瞬間就可以通過(guò)開(kāi)關(guān)量的高低電頻對(duì)應(yīng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

流程：通過(guò)labview編程，然后通過(guò)PC機(jī)，驅(qū)動(dòng)PCI-1245L運(yùn)動(dòng)控制卡，并與之實(shí)現(xiàn)通訊功能，然后將繼續(xù)信號(hào)傳給PCI-1245控制卡，控制卡將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，它可以產(chǎn)生連續(xù)的、高頻率的脈沖串，然后傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)改變發(fā)出脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的所在位置。

4.3 機(jī)械臂任務(wù)描述

此機(jī)械臂采用兩個(gè)自由度的機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)畫(huà)圓設(shè)計(jì)，其中x方向的兩個(gè)電機(jī)通過(guò)控制x方向絲杠和導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制筆在X方向上的移動(dòng)，Y方向的電機(jī)控制y方向絲杠的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制Y方向電機(jī)的移動(dòng)，兩軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)圓弧插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)畫(huà)半圓的設(shè)計(jì)。

設(shè)置I/O地址后，當(dāng)通訊開(kāi)始時(shí)，會(huì)自動(dòng)采集到PCI-1245L控制卡，在下列表中選擇PCI-1245L即可。

4.4 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)

圓弧插補(bǔ)這是一種插補(bǔ)的方式，在這個(gè)方式中，通過(guò)根據(jù)兩端點(diǎn)間的插補(bǔ)數(shù)字信息，計(jì)算出接近實(shí)際圓弧的點(diǎn)的群落，控制手部沿著這個(gè)軌跡運(yùn)作，畫(huà)出出圓弧曲線。通過(guò)畫(huà)出一個(gè)圓弧，很容易能夠把加工點(diǎn)到圓心的距離和該圓的名義半徑進(jìn)行比較來(lái)反映加工上的偏差。

（1）偏差函數(shù)構(gòu)造；（2）任意加工點(diǎn)Pi（Xi，Yi），偏差函數(shù)Fi可表示為：

若Fi=0，表示加工點(diǎn)位于圓上；

若Fi>0，表示加工點(diǎn)位于圓外；

若Fi<0，表示加工點(diǎn)位于圓內(nèi)。

（3）偏差函數(shù)的遞推計(jì)算。

逆圓插補(bǔ)：

若F≥0，規(guī)定向-X方向走一步：

若Fi<0，規(guī)定向+Y方向走一步：

順圓插補(bǔ)：

若Fi≥0，規(guī)定向-Y方向走一步：

若Fi<0，規(guī)定向+y方向走一步：

終點(diǎn)判別：

（1）判斷插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù)：

（2）分別判斷各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)：

例：

對(duì)于在第一象限圓弧AB，起點(diǎn)A（4，0），終點(diǎn)B（0，4）。

4.5 主回路電源及與其它裝置的連接

在安裝的過(guò)程中注意確認(rèn)伺服電機(jī)輸出U、V、W端子是否連線正確，接錯(cuò)電機(jī)可能導(dǎo)致亂轉(zhuǎn)或不轉(zhuǎn)。使用外部的回生電路的時(shí)候，需要將P、D端開(kāi)路、外部回生電阻應(yīng)該接在P、C端口上，在應(yīng)用內(nèi)部回生電阻時(shí)，需要將P、D端短路并且P、C端開(kāi)路。連接伺服的時(shí)候需要確定回生電阻已經(jīng)連接。在連接的過(guò)程中由于X、Y、Z、R軸所采用的電機(jī)分別為750W、400W、400W、200W的，所以伺服驅(qū)動(dòng)器也需要連接3種不同功率的。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)雅馬哈機(jī)械手結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)要分析介紹，主要針對(duì)在工控機(jī)的使用上做了一些說(shuō)明，將雅馬哈機(jī)械手通過(guò)工控機(jī)進(jìn)行連接調(diào)試。針對(duì)機(jī)械手的使用也要注意到需要對(duì)機(jī)械手的關(guān)鍵部位潤(rùn)滑，做好防銹工作，保持機(jī)械手臂的清潔，防止造成磨損，產(chǎn)生異常的振動(dòng)和噪聲，檢查電極工作面的磨損情況，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即維修或者更換，根據(jù)使用時(shí)間的長(zhǎng)短定期進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)。

在安裝的時(shí)候要注意合理的使用工具，禁止強(qiáng)力的沖壓，禁止使用錘子進(jìn)行敲擊。盡量使用專業(yè)的工具，避免使用纖維和布類東西，防止細(xì)小碎片進(jìn)入手臂內(nèi)影響正常的工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]Y.Dote，Servo Motor and Motion Control Using Digital Signal Processors，Prentice Hall and Texas Instruments Digital Signal Processing Series，1990.

[2]曾慶波，孫華，周衛(wèi)宏.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2005，1（01）.

[3]龔運(yùn)新.工業(yè)PC機(jī)實(shí)用技術(shù)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2006：

15-16.

[4]洪乃剛.電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015： 55-68.

[5]劉剛.labview8.2中文版編程及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：24-25.

[6]寇寶泉，程樹(shù)康.交流伺服電機(jī)及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：76-109.

[7]孫秋野.labview8.5快速入門(mén)與提高[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2009：33-45.

[8]魏克新.自動(dòng)控制綜合應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

：22-60.

[9]薛迎成，何堅(jiān)強(qiáng).工控機(jī)及組態(tài)控制技術(shù)原理與應(yīng)用（第2版）[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2011：14-50.

本論文得到江蘇省高職院校青年教師企業(yè)實(shí)踐培訓(xùn)項(xiàng)目資助。

項(xiàng)目來(lái)源：“江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目”，項(xiàng)目編號(hào)：PPZY2015A088endprint