基于打火機生產線機械臂運動軌跡規劃及驅動系統硬件設計

陳安武

（貴州電子信息職業技術學院貴州 黔東南 556000）

0 引言

隨著工業互聯網技術的不斷發展和應用，生產線自動化已成為工業制造業的主要趨勢之一。 其中，機械臂作為自動化生產線中的重要設備，在各類生產場景中得到廣泛應用。 打火機生產線作為一個具有連續生產需求的加工過程，在提高生產效率和質量的同時，要求機械臂能夠準確、高效地完成各種作業任務。

本文旨在針對打火機生產線機械臂運動軌跡規劃和驅動系統硬件設計問題展開研究和探討。 通過對打火機生產工藝的分析，發現機械臂需要完成的動作包括從儲料區取件、組裝打火機零件、質檢和放置等環節。 針對這些動作，機械臂的運動軌跡規劃是一個關鍵問題。

運動軌跡規劃需要考慮到打火機生產線生產效率、生產質量和人機安全等方面的要求。 合理的運動軌跡規劃能夠有效減少機械臂運動時間，提高生產效率；同時，考慮到打火機裝配的精度要求，規劃的運動軌跡應能夠保證裝配的準確性和穩定性；還需保證機械臂工作過程中對操作人員的安全。 為了實現機械臂的運動軌跡規劃，驅動系統的硬件設計也是不可忽視的因素。 驅動系統應能夠控制機械臂實現各項運動任務，并滿足高速、高精度的要求。

1 硬件組成

本系統的核心部分為現場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，FPGA）開發板、驅動器和步進電機。 FPGA 開發板接收來自上位機的命令，并產生適當的脈沖來驅動步進電機。 驅動器部分核心功能是對開發板產生的脈沖進行放大，達到步進電機啟動的要求。

1.1 FPGA 開發流程

現在普遍使用的硬件描述語言主要有Verilog HDL、超高速集成電路硬件描述語言（very?high?speed integrated circuit hardware description language，VHDL）兩種。 該程序設計應用的是Verilog HDL。 FPGA 的操作步驟如圖1所示。

圖1 FPGA 的開發流程

如圖1 所示，FPGA 開發流程主要包括需求分析、模塊規劃、代碼設計、綜合優化、實現、板級調試等環節［1］。在仿真與調試過程中，通過信號波形圖來觀察數據傳輸的時間及正確性，并且可以進行斷點調試、單步調試等操作，更加方便地進行代碼的調試和驗證，非常方便和實用。 另外，使用阿爾特拉（Altera）公司的QuartusII 開發環境，還提供了多種綜合和優化策略，對代碼進行綜合和優化，使得設計實現更為高效和精準。

1.2 步進電機的選型及驅動器的設計

步進電機也就是脈沖式電機，可以精確地控制轉動的角度和速度，適用于各種自動化控制領域。 脈沖信號經過步進電機可以被轉換成位移距離，步進電機是一種將脈沖信號轉換為后續角度旋轉的電機，其參數，如速度和制動位置，取決于脈沖信號的頻率和脈沖的數量［2］。 因而步進電機被廣泛應用在工業中的各個領域。

1.2.1 步進電機的選取

步進電機根據它的機構，有永磁式步進電機、反應式步進電機和混合式步進電機三種類型。 本文著重介紹混合式步進電機。 這種電機融合了其他兩款電機的優點。根據定子上的繞組，分為多個系列，其中二相混合式步進電機最受歡迎。 將混合式步進電機和細分驅動器組合，可以得到不同的精度和效果，提高使用效果［3］。 本系統采用了混合式步進電機驅動器，該款驅動器包含細分功能。

1.2.2 步進電機驅動電路設計

步進電機所需要的脈沖信號經過FPGA 產生，然后將脈沖傳遞給驅動器，對其進行放大，用于驅動步進電機。本驅動器采用的芯片是TB6600HG。 該芯片是一種高性能、高細分的電機驅動芯片。 電路中設計光電隔離電路，與上一級的控制電路進行隔離，并防止電壓過大，對電路板造成損壞。 FPGA 將驅動電機所需的脈沖信號和方向信號傳遞給驅動器，驅動器將其放大，當信號方向為規定的正方向時，電機正轉，反之則電機反轉［4］。

驅動電路的電路設計如圖2 所示。

圖2 驅動電路原理圖

下面分別介紹驅動電路的作用。

（1）光耦隔離電路和脈沖隔離電路

為了降低與外部高壓電路之間的干擾，防止損壞接口和電機的影響，對兩個部分進行隔離，提高抗干擾能力。本設計采用EL817 作為光耦隔離，該款芯片將輸入信號與輸出信號通過光伏轉換的方法進行隔離，并且增加1N418 二極管防止接反，同時使用6N137 進行脈沖隔離，將輸入脈沖信號與輸出脈沖信號分隔，保護電路中的敏感元器件，使其滿足更高頻率驅動的要求。

（2）電源模塊

電源模塊采用的是降壓芯片XL7005A，該款芯片采用了脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）控制環路，可以任意調節占空比的線性變化。 內含過電保護部分，如果電路出現短接的情況，可以大幅度降低頻率，起到保護電路的作用。 發光二極管（light emitting diode，LED）用于通電后顯示該部分是否可以正常運行。

（3）主芯片電路

本驅動電路設計采用的是TB6600HG 芯片，此芯片性能好、高細分，可以選擇不同的細分狀態。 通過多狀態相勵磁模式，實現對步進電機正向反向轉動的控制。 本款芯片內置溫度保護和過流保護，降低了驅動器損壞的風險，并且其穩定輸入電壓較高，適合電機運轉時保持扭矩。

（4）自動半流電路

在電路中減少發熱，就相當于減小電阻和電流，但是在實際操作中，并不可行，因此對于已經選定的步進電機，可以將自動半流電路加入。 自動半流主要是在電機處于靜止狀態或者電流很低甚至為零的狀態時自動減小電流，保持電路的穩定性，減少諧波的產生。 本模塊采用的芯片是SN74LS123，該芯片是常用的單穩態振蕩器，在本模塊的設計中主要為了檢測脈沖信號的有無，在電源關系和通信系統中有著廣泛的應用。 如果輸出低電平，則表示沒有檢測到脈沖信號，在自動半流電路開啟時，使主芯片的TQ引腳為低電平，實現減小電流、降低發熱的目的。

（5）參考電壓調整電路

該模塊是用于提供參考電壓信號的，實測輸出參考電壓范圍是0.3～1.8 V，輸出電流可以在0.7～4 A 之間進行調節。

（6）電機供電電路

本模塊采用了8 個SS14 二極管對電機進行放電，該款二極管是一種具有低消耗、高效率、快速恢復的肖特基二極管。 一般情況下，用在電磁干擾濾波、開關電源中的后級穩壓及線性穩壓電路中。

（7）電源濾波電路

本模塊的主要功能是將主芯片供電電壓（volt current condenser，VCC）引腳的輸入電壓中的高噪聲和雜波進行濾除。 根據電容器“隔直通交”的特性，可以抵消電路和負載產生的高頻噪聲，使電源的供應更加穩定。

1.2.3 FPGA 開發板選取

本設計在FPGA 開發板的基礎上進行，采用的硬件開發平臺是野火征途Pro 開發板，內含Cyclone IV 系列芯片，該系列芯片相較于其他芯片具有較高的性價比，被廣泛應用于工業。

該開發板的硬件資源非常豐富， 含有主芯片EP4CE10F17C8、50 MHz 晶振、聯合測試工作組（joint test action group，JTAG）下載接口、四個LED 顯示燈、四個機械按鍵、六位八段數碼管、3.3V 電源按鍵以及復位鍵等。

2 通信模塊

本設計中含有四個通道，分別對應著四個步進電機，為了方便使用，在上位機輸入速度、方向等指令，開發板接收到指令后，對指令進行識別然后按照要求將速度信息分別分配到各個通道，使得步進電機按照要求進行啟動、轉動和停止。 通用異步收發傳輸器（universal asynchronous receiver／transmitter， UART）在通信的過程中，通過TXD、RXD 兩根信號線就可以完成完整的信息傳遞。

2.1 串口接收模塊

串口的通信標準有RS485、RS232 等，本設計采用的是RS232 通信標準。 串口作為常用的三大低速總線之一，在工業領域中有著非常廣泛的應用。 串口在進行發送時，分別按照監測信號、方向信號以及頻率信號進行傳遞。 本模塊用于接收來自上位機的指令信息，將上位機發送的信號傳遞FPGA，其整體結構如圖3 所示。

圖3 串口接收模塊示意圖

其中，CLK 端口對應系統時鐘，RST 端口對應系統復位，RS＿CLK 對應輸入數據有效采樣時刻的時鐘，DATA 端口是接收到的串口數據，RX＿ENA 是有效數據到來的標志，DATA 是接收數據的寄存器，分別存儲每路步進電機的速度和方向信息。

在工業系統中，串口接收占比很大，由于工業環境中存在大量的干擾，影響數據接收的準確性，大多數情況下會進行多次采樣并加上校驗位，驗證數據的準確性。

2.2 步進電機控制模塊

控制模塊是對步進電機的運動狀態進行控制，該模塊由步進電機控制模塊、脈沖生成模塊、幀解析模塊和步進電機使能模塊組成，實現電機正反轉、加減速、啟動和停止等功能。 用戶通過在上位機設定不同的目標頻率來改變步進電機的轉速［5］。 步進電機從啟動到目標頻率不是突然完成的，而是需要一個加速的過程，同理，從目標頻率到停止需要一個減速的過程。

2.3 數據幀解析模塊

本系統采用的是一幀數據的格式進行數據傳送。 一幀信號有效數據是8 個字節，在忽略幀頭和幀尾的情況下，分別為監測信號、方向信號和目標頻率信號。 不包含數據校驗部分。 通過用戶在上位機發送不同的信號信息，將數據傳遞給寄存器當中。 幀格式如表1 所示。

表1 幀格式

本模塊使用多個移位寄存器，實現先進先出，將數據進行存儲。 控制模塊按照監測信號將方向信息和頻率信息分別分配到對應的通道中。 例如，假設置監測信號2 的電機反轉，頻率7 000 Hz，監測信號為0002。 7 000 換算為十六進制為1b58，因此對應發送的數據段為581b，最終發送的指令要加上幀頭和幀尾。 電機運行的方向、頻率等信息存儲在移位寄存器中。 當數據接收完畢后，寄存器進行清零，重新開始接收下一個監測信號的數據。

（1）步進電機使能模塊

在步進電機運行的過程中，幀解析模塊將存儲在寄存器當中的指令分別分配給不同的通道，然后步進電機從中讀取頻率和方向的信息。 由于電機是從靜止開始運動，需要一個逐漸加速的過程，驅動脈沖的頻率是從高到低進行變化的。

（2）步進電機驅動模塊

該模塊用來產生驅動電機的脈沖。 使能向驅動部分發送啟動信號，以此來產生控制步進電機運行的前進脈沖，當該脈沖處于上升沿時，信號有效，步進電機進行運動。 為了使步進電機運行得更加穩定，在加速和減速的過程中加入分頻計數器，每間隔固定時間產生一個高脈沖，隨著間隔的逐漸減小，步進電機運行得更加平滑穩定。

3 結語

綜上所述，本文主要研究了基于打火機生產線的機械臂運動軌跡規劃和驅動系統硬件設計問題。 通過對打火機生產工藝的分析，確定了機械臂需要完成的動作和任務，而運動軌跡規劃和驅動系統則是實現這些任務的關鍵。 在運動軌跡規劃方面，考慮了生產效率、生產質量和人機安全等因素。 合理的運動軌跡規劃能夠提高生產效率，減少運動時間；同時，確保裝配的準確性和穩定性。 需要利用運動軌跡規劃算法，結合生產線的需求，制定出合適的運動軌跡規劃方案。 在驅動系統的硬件設計方面，需要考慮電機控制、傳感器檢測和運動控制算法等因素。 驅動系統應能夠精確控制機械臂的運動，并滿足高速、高精度的要求。 通過研究和實驗驗證，為打火機生產線的自動化生產提供技術支持和解決方案。 合理的運動軌跡規劃和驅動系統的硬件設計，能夠提高生產線的效率和質量，同時確保操作人員的安全。