雅馬哈機械手基于工控機的系統控制

沈侃++曹嘉佳++溫仁偉

摘 要：現今，國內各行各業的自動化水平較低，很多工廠、企業的生產作業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，有的作業環境比較惡劣，操作難度大，容易對操作者的健康產生威脅。特別對于一些正在發展中的企業，機械自動化的不斷發展，人們對物質的需求，對生活品質的要求越來越高，都促使著企業轉向自動化生產。本文主要針對雅馬哈機械手臂的伺服驅動器的使用，對PCL-1245L進行介紹，通過對板卡的了解及伺服驅動器的認識，將工控機、伺服驅動器的有效結合對雅馬哈機械手進行控制運作。

關鍵詞：機械手；伺服驅動器；工控機

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

1 緒論

1.1 研究背景及意義

現今社會各企業、工廠自動化的設備運用程度都比較低，很多企業的工作環境都十分惡劣，不僅效率低，而且對工人的生命健康也有著威脅。社會在進步，機械化產業在不斷的發展，人們對機械自動化的需求越來越高，這些都促使機械控制領域不斷的創新發展.一些環境惡劣的工廠、大型的制造業都需要機械化的控制設備，通過機械控制來完成一系列的工作。提高工作效率，降低人身危害。在機械化運作的過程中，需要通過工控機來實現設備的運作。工控機的優點很多，體積小、輕便、穩定性好，控制的方法也靈活多樣化，相對于其它的機器而言性價比也比較高，能夠降低人工需求，降低勞動強度，提高工作效率。

機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環境中工作。

1.2 機械手的概述及國內外發展狀況

機械手是一種模仿人手操作的機械化自動設備，它可以通過某種特定的設置，實現搬運、抓取等一些特定的操作。應用機械手可以代替人工進行重復、單調、頻繁及重體力的勞動，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、原子能應用及機械制造業。

目前我國已開始有計劃地從國外引進工業機器人技術，通過引進、仿制、改造、創新，工業機器人將會獲得快速的發展。

1.3 研究的目的與任務

（1）在了解目的及意義的基礎上，簡單的介紹雅馬哈機械手的結構構成。（2）闡述工控機的概念，了解板卡的使用，安裝調試。

2 雅馬哈機械手的組成

雅馬哈機械手由執行機構、控制系統、驅動系統及位置檢測裝置等組合而成，各系統之間的關系如下圖所示。

3 工控機控制系統

3.1 工控機簡介

工控機（Industrialand Personal Cpmputer）簡稱IPC，就是我們所說的工業計算機，可以對整個生產工作的過程進行全面的監測和控制。它擁有計算機的性能，有普通計算機擁有的CPU、USB接口、內存等等，但是比計算機的計算能力更加快速，具有更強的人機界面。

3.2 PCI-1245L板卡

3.2.1 PCI-1245L板卡概述

本文中雅馬哈機械手運用的是PCI-1245L板卡。

PCI-1245L是4軸的SoftMotion PCI總線控制卡，專為各種電機自動化和其它機器自動化的廣泛應用設計。板卡配有高性能的FPGA，其中SoftMotion 算法，能夠實現運動軌跡和時間控制，以滿足精確運動中的同步應用需求。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 100 針接口，可通過 PCL-10251 屏蔽電纜連接兩個 ADAM-3955 端子板或是通過 PCL-101100M 屏蔽電纜連接一個 ADAM-3956 端子板。表 1 為 I/O 接口信號說明。

4 雅馬哈機械手基于IPC 的應用

4.1 工控機的搭建及調試

控制卡的搭建組成主要由：控制卡、電機、24V直流電、驅動器、接線板組成。

調試過程中遇到的問題及注意事項：

（1）調試時，按下啟動按鈕時電機不運作，可能是脈沖模式選擇不正確。

（2）使用板卡的時候要檢查電機驅動器是否上電。

（3）電纜連接上后做測試沒有任何反應，可能是線序不對。

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用程序，是以LabVIEW為核心，包括控制與仿真技術、數字信息處理技術，統計過程控制、可以運用在不同的各個平臺之上。

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界面。

前面板就是圖形化用戶界面。該界面可以用來模擬真實儀器的前面板，用于設定相應的輸入數值和以及觀察輸出量。前面板界面如下圖所示：

每一個的前面板都有一個與之相對應的程序圖，用圖形化的語言來編寫。框圖是定義VI功能的圖形化源的代碼。程序框圖主要由節點、端口和數據連線構成的。在框圖中對VI編程就是對輸入信息進行運算和處理，最后在前面板上反饋最后的結果。

4.2.2 labview數據采集

數據采集（DAQ）是通過傳感器裝置和其它一些需要測量的設備采集一些信息的單元過程。在現今，計算機應用十分普遍，數據的采集十分的重要，它是計算機以及外部工作連接的橋梁。

在數據采集的時候，程序將會對板卡進行初始化設置，板卡上以及內存中的Buffer是數據采集和儲存的中間重要環節。完整的數據采集系統由以下部件組成傳感器裝置、信號調理裝置、數據采集器和分析硬件和驅動程序軟件等。在本次的實驗中我們的采集卡用的就是研華的PCI-1245L，下載控制卡的驅動后，里面的DAQ會進行自動的釋放，不必增添其它的DAQ卡。DAQ系統的任務就是檢測生成相應的物理信號。endprint

4.2.3 控制原理與流程

控制原理：伺服電機的正反轉控制很簡單，只要用單路脈沖的輸出加一路開關量控制正反轉就可以了。脈沖控制電機的轉速和加減速，當電機的速度為零的瞬間就可以通過開關量的高低電頻對應電機的正反轉。

流程：通過labview編程，然后通過PC機，驅動PCI-1245L運動控制卡，并與之實現通訊功能，然后將繼續信號傳給PCI-1245控制卡，控制卡將數字信號轉變為脈沖信號，它可以產生連續的、高頻率的脈沖串，然后傳遞給伺服驅動器，通過改變發出脈沖的頻率來控制電機的運轉速度，改變發出脈沖的數量來控制電機的所在位置。

4.3 機械臂任務描述

此機械臂采用兩個自由度的機械臂實現畫圓設計，其中x方向的兩個電機通過控制x方向絲杠和導軌的運動來控制筆在X方向上的移動，Y方向的電機控制y方向絲杠的運動來控制Y方向電機的移動，兩軸同時運動，通過圓弧插補算法實現畫半圓的設計。

設置I/O地址后，當通訊開始時，會自動采集到PCI-1245L控制卡，在下列表中選擇PCI-1245L即可。

4.4 逐點比較法圓弧插補

圓弧插補這是一種插補的方式，在這個方式中，通過根據兩端點間的插補數字信息，計算出接近實際圓弧的點的群落，控制手部沿著這個軌跡運作，畫出出圓弧曲線。通過畫出一個圓弧，很容易能夠把加工點到圓心的距離和該圓的名義半徑進行比較來反映加工上的偏差。

（1）偏差函數構造；（2）任意加工點Pi（Xi，Yi），偏差函數Fi可表示為：

若Fi=0，表示加工點位于圓上；

若Fi>0，表示加工點位于圓外；

若Fi<0，表示加工點位于圓內。

（3）偏差函數的遞推計算。

逆圓插補：

若F≥0，規定向-X方向走一步：

若Fi<0，規定向+Y方向走一步：

順圓插補：

若Fi≥0，規定向-Y方向走一步：

若Fi<0，規定向+y方向走一步：

終點判別：

（1）判斷插補或進給的總步數：

（2）分別判斷各坐標軸的進給步數：

例：

對于在第一象限圓弧AB，起點A（4，0），終點B（0，4）。

4.5 主回路電源及與其它裝置的連接

在安裝的過程中注意確認伺服電機輸出U、V、W端子是否連線正確，接錯電機可能導致亂轉或不轉。使用外部的回生電路的時候，需要將P、D端開路、外部回生電阻應該接在P、C端口上，在應用內部回生電阻時，需要將P、D端短路并且P、C端開路。連接伺服的時候需要確定回生電阻已經連接。在連接的過程中由于X、Y、Z、R軸所采用的電機分別為750W、400W、400W、200W的，所以伺服驅動器也需要連接3種不同功率的。

5 總結

通過對雅馬哈機械手結構上的簡要分析介紹，主要針對在工控機的使用上做了一些說明，將雅馬哈機械手通過工控機進行連接調試。針對機械手的使用也要注意到需要對機械手的關鍵部位潤滑，做好防銹工作，保持機械手臂的清潔，防止造成磨損，產生異常的振動和噪聲，檢查電極工作面的磨損情況，如發現問題立即維修或者更換，根據使用時間的長短定期進行保養和維護。

在安裝的時候要注意合理的使用工具，禁止強力的沖壓，禁止使用錘子進行敲擊。盡量使用專業的工具，避免使用纖維和布類東西，防止細小碎片進入手臂內影響正常的工作。

參考文獻：

[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，周衛宏.監控組態軟件及其應用技術[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2005，1（01）.

[3]龔運新.工業PC機實用技術[M].北京：北京師范大學出版社，2006：

15-16.

[4]洪乃剛.電機運動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2015： 55-68.

[5]劉剛.labview8.2中文版編程及應用[M].北京：電子工業出版社，2008：24-25.

[6]寇寶泉，程樹康.交流伺服電機及其控制[M].北京：機械工業出版社，2010：76-109.

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

[8]魏克新.自動控制綜合應用技術[M].北京：機械工業出版社，2012

：22-60.

[9]薛迎成，何堅強.工控機及組態控制技術原理與應用（第2版）[M]. 北京：中國電力出版社，2011：14-50.

本論文得到江蘇省高職院校青年教師企業實踐培訓項目資助。

項目來源：“江蘇高校品牌專業建設工程資助項目”，項目編號：PPZY2015A088endprint