一種球體夾持旋轉控制系統的方案研究*

李海銘

（吉林工業職業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球體的尋跡旋轉控制，是比較困難的。如選擇兩個維度的旋轉控制可基本實現軌跡的跟蹤，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運動控制系統來實現[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，筆者將從機械結構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 機械結構方案研究

機械結構對于控制系統而言是研究的前提和重點，根據以往的設計經驗，如果控制系統設計有缺陷，精度不高，勢必會對后續的控制器程序設計環節造成麻煩。因此，在機械設計環節應盡量考慮周全，且在分析時應考慮到配合控制器的控制策略，構成連續、閉環的控制系統。這里主要從夾具、傳動結構和電機三個方面來進行研究介紹。

1.1 夾具結構方案研究

考慮到球體的結構特點，在夾持時需要保證較高的穩定性，設計夾具時需要考慮3點固定或4點固定，同時在球體旋轉的過程中需要保證其旋轉中心保持固定不變，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高摩擦阻力材料，如硬質橡膠，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可做磨圓處理。

1.2 傳動結構方案研究

為滿足球體表面尋跡的高自由度，應采用三個維度的旋轉運動控制系統來實現，如圖2所示?？刂迫S方向不同角度的旋轉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構控制夾具動作，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，在旋轉時減少阻力。為保證控制中心的穩定，可考慮配合光柵尺，保證X軸和Y軸的控制精度，構成閉環系統。而在Z軸方向上，當X軸和Y軸固定在同一平板上時，將Z軸方向旋轉控制電機安裝在下方。三軸的協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，可構成閉環控制，相比于易出現丟步問題的步進電機更具有優勢。但考慮到成本以及已經在控制系統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，在配套驅動器的選取方面則以控制精度為選擇的重要依據之一。

2 控制器方案研究

系統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控制，滿足要求的控制器可選擇PLC、STM32和運動控制卡來實現。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4個使用內置或SB輸出的脈沖輸出。晶體管輸出型PLC可使用內置自帶的脈沖輸出，而繼電器輸出型的需要單獨采購信號板才能實現脈沖輸出。PLC自帶的運動控制功能，PTO即Pulse Train Output，通過發送PTO脈沖的方式控制驅動器，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送的脈沖數，有以下4種方法：

1）每發送一個脈沖，做一次中斷計數；2）根據發送的頻率乘上發送的時間，獲得脈沖數量，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送脈沖，另外一個定時器作為從計數，對發送的脈沖計數；4）使用DMA方式，例如共發送1 000個脈沖，那么定義u16 per[1001]，每發送一個脈沖，DMA會從數組中更新下一個占空比字，數組最后一個字為0，表示停發脈。

2.3 運動控制卡控制方案研究

對于運動控制系統而言，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中，經常會看到運動控制卡的身影。運動控制卡通常采用專業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機構成主從式控制結構：PC機負責人機交互界面的管理和控制系統的實時監控等方面的工作（例如鍵盤和鼠標的管理、系統狀態的顯示、運動軌跡規劃、控制指令的發送、外部信號的監控等等）；控制卡完成運動控制的所有細節（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進行運動規劃，可以輸出脈沖或模擬量指令。同時支持點位和連續軌跡，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，協助用戶設計出最適合機械結構的運動規劃。通過GTS-VB系列提供的VC、VB、C#、LabVIEW等開發環境下的庫文件，用戶可以輕松實現對控制器的編程，構建自動化控制系統。

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控制系統，檢測環節是構成反饋的關鍵，可用于修正控制偏差，提高系統的控制精度，為控制驅動提供數據參考依據。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節范圍較大。當光纖傳感器靈敏度調得較小時，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。光柵尺經常應用于數控機床的閉環伺服系統中，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，以起到一個補償刀具運動誤差的作用。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，用光柵尺配合絲杠滑臺結構，實現系統的閉環控制，保證傳動機構的運行精度。

3.3 攝像頭方案研究

圖像識別在工業控制中的應用越來越廣泛，復雜的圖像識別需要使用工業攝像頭配合上位機軟件來實現，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語言的高級數據結構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拍攝或者執行算法，也可以把算法的結果用來控制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

經過研究可以發現，在球體夾持旋轉控制系統中，機械結構的設計和搭建是前提條件也是難點，機械結構的合理性和加工精度影響著后續的控制效果。如果加工精度不高，后續控制器控制的過程中則需要矯正，且很難實現較好的效果?？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研究的重點。圖像識別技術在當下運動控制系統中的廣泛應用，也會給本控制系統的研究提供新的方向。