一種球體夾持旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的方案研究*

李海銘

（吉林工業(yè)職業(yè)技術學院電氣與信息技術學院，吉林 吉林 132013）

在實際應用中，球體表面運動軌跡的控制是較為復雜的，以棒球為例，若要控制球體以棒球上的弧形紋路為軌跡實現(xiàn)球體的尋跡旋轉(zhuǎn)控制，是比較困難的。如選擇兩個維度的旋轉(zhuǎn)控制可基本實現(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，需要采用三個維度的旋轉(zhuǎn)運動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)[1]。本設計可以作為運動控制的實驗模型和運動控制的應用研究對象，筆者將從機械結(jié)構(gòu)的方案研究和控制器的方案研究兩個主要部分展開介紹。

1 機械結(jié)構(gòu)方案研究

機械結(jié)構(gòu)對于控制系統(tǒng)而言是研究的前提和重點，根據(jù)以往的設計經(jīng)驗，如果控制系統(tǒng)設計有缺陷，精度不高，勢必會對后續(xù)的控制器程序設計環(huán)節(jié)造成麻煩。因此，在機械設計環(huán)節(jié)應盡量考慮周全，且在分析時應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、傳動結(jié)構(gòu)和電機三個方面來進行研究介紹。

1.1 夾具結(jié)構(gòu)方案研究

考慮到球體的結(jié)構(gòu)特點，在夾持時需要保證較高的穩(wěn)定性，設計夾具時需要考慮3點固定或4點固定，同時在球體旋轉(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的材料選取方面應選擇硬質(zhì)高摩擦阻力材料，如硬質(zhì)橡膠，這樣在緊固球體時可有效避免球體在夾持時的位置偏移。橡膠材料可進行開內(nèi)螺紋設計，與后面連接桿所做的外螺紋配合使用，同時橡膠頭與球體接觸側(cè)可做磨圓處理。

1.2 傳動結(jié)構(gòu)方案研究

為滿足球體表面尋跡的高自由度，應采用三個維度的旋轉(zhuǎn)運動控制系統(tǒng)來實現(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動變化。

X軸和Y軸方向上可采用絲杠滑臺結(jié)構(gòu)控制夾具動作，X軸或Y軸方向上需要兩個夾具，其中一個夾具需要連接電機，另一個夾具需要連接軸承，在旋轉(zhuǎn)時減少阻力。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X軸和Y軸固定在同一平板上時，將Z軸方向旋轉(zhuǎn)控制電機安裝在下方。三軸的協(xié)同控制可使球體在球面上的任意軌跡運動，軌跡的精度則主要取決于夾具的加工精度以及控制電機的控制精度[2]。

1.3 電機選擇方案研究

通常環(huán)境下一般采用直流減速電機、步進電機或者伺服電機，鑒于在控制系統(tǒng)中對精度的高要求，更適合采用步進電機或者伺服電機，尤其伺服電機自身帶編碼器，可構(gòu)成閉環(huán)控制，相比于易出現(xiàn)丟步問題的步進電機更具有優(yōu)勢。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，也可用步進電機進行搭建。電機在選型方面的寬容度是較大的，只要能帶動絲杠，比較基礎的電機型號也可以勝任，在配套驅(qū)動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)的輸出控制對象主要為3軸電機，針對控制電機輸出高速脈沖來實現(xiàn)控制，滿足要求的控制器可選擇PLC、STM32和運動控制卡來實現(xiàn)。以下對這3種方案分別進行研究。

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采購信號板才能實現(xiàn)脈沖輸出。PLC自帶的運動控制功能，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具有相對成熟的運動控制方案，在程序編輯軟件中進行組態(tài)可以完成程序的設計，編程相對容易[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，一般用于進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)送一個脈沖，做一次中斷計數(shù)；2）根據(jù)發(fā)送的頻率乘上發(fā)送的時間，獲得脈沖數(shù)量，對于變速的脈沖，可以用累計積分的方法來獲得總脈沖；3）以一個定時器作為主發(fā)送脈沖，另外一個定時器作為從計數(shù)，對發(fā)送的脈沖計數(shù)；4）使用DMA方式，例如共發(fā)送1 000個脈沖，那么定義u16 per[1001]，每發(fā)送一個脈沖，DMA會從數(shù)組中更新下一個占空比字，數(shù)組最后一個字為0，表示停發(fā)脈。

2.3 運動控制卡控制方案研究

對于運動控制系統(tǒng)而言，運動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)常會看到運動控制卡的身影。運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，大多用于控制步進電機或伺服電機。一般地，運動控制卡與PC機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作（例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等等）；控制卡完成運動控制的所有細節(jié)（包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等）。運動控制卡需要配合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系列多軸通用運動控制器是一款基于PCI總線的運動控制器，可用于控制步進電機和伺服電機。它通過DSP和FPGA進行運動規(guī)劃，可以輸出脈沖或模擬量指令。同時支持點位和連續(xù)軌跡，多軸同步，包括直線、圓弧、螺旋線、空間直線插補等運動模式。GTS-VB系列運動控制器可以自由設定加減速、S型曲線平滑等參數(shù)，協(xié)助用戶設計出最適合機械結(jié)構(gòu)的運動規(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，用戶可以輕松實現(xiàn)對控制器的編程，構(gòu)建自動化控制系統(tǒng)。

綜上所述，三種控制器相比而言，成本最高的是運動控制卡，其次是PLC，最低的是STM32。

3 傳感器方案研究

對于一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢測環(huán)節(jié)是構(gòu)成反饋的關鍵，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

對于例如棒球表面縫制線孔的檢測可以考慮使用光纖傳感器（光纖式光電接近開關）來進行識別，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放大器的靈敏度調(diào)節(jié)范圍較大。當光纖傳感器靈敏度調(diào)得較小時，對于反射性較差的黑色物體，光電探測器無法接收到反射信號；而對于反射性較好的白色物體，光電探測器就可以接收到反射信號。反之，若調(diào)高光纖傳感器靈敏度，則即使對于反射性較差的黑色物體，光電探測器也可以接收到反射信號。這樣將傳感器的開關量信號給到控制器，就可以實現(xiàn)檢測判斷了。

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），是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應用于數(shù)控機床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大、檢測精度高、響應速度快的特點。例如，在數(shù)控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個補償?shù)毒哌\動誤差的作用。光柵尺按照制造方法和光學原理的不同，分為透射光柵和反射光柵。對于本設計中的控制系統(tǒng)，用光柵尺配合絲杠滑臺結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，保證傳動機構(gòu)的運行精度。

3.3 攝像頭方案研究

圖像識別在工業(yè)控制中的應用越來越廣泛，復雜的圖像識別需要使用工業(yè)攝像頭配合上位機軟件來實現(xiàn)，這里可以采用相對基礎些的OpenMV來進行實驗。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器視覺（machine vision）應用?？梢酝ㄟ^高級語言Python腳本（準確地說是Micro Python），而不是C/C++。Python語言的高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以很容易地在機器視覺算法中處理復雜的輸出。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，機械結(jié)構(gòu)的設計和搭建是前提條件也是難點，機械結(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，且很難實現(xiàn)較好的效果?？刂破鞯倪x取相對容易，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，傳感器的檢測和算法的加持也是后續(xù)研究的重點。圖像識別技術在當下運動控制系統(tǒng)中的廣泛應用，也會給本控制系統(tǒng)的研究提供新的方向。