基于打火機(jī)生產(chǎn)線機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

陳安武

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院貴州 黔東南 556000）

0 引言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，生產(chǎn)線自動(dòng)化已成為工業(yè)制造業(yè)的主要趨勢(shì)之一。 其中，機(jī)械臂作為自動(dòng)化生產(chǎn)線中的重要設(shè)備，在各類生產(chǎn)場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用。 打火機(jī)生產(chǎn)線作為一個(gè)具有連續(xù)生產(chǎn)需求的加工過程，在提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量的同時(shí)，要求機(jī)械臂能夠準(zhǔn)確、高效地完成各種作業(yè)任務(wù)。

本文旨在針對(duì)打火機(jī)生產(chǎn)線機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)問題展開研究和探討。 通過對(duì)打火機(jī)生產(chǎn)工藝的分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂需要完成的動(dòng)作包括從儲(chǔ)料區(qū)取件、組裝打火機(jī)零件、質(zhì)檢和放置等環(huán)節(jié)。 針對(duì)這些動(dòng)作，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃是一個(gè)關(guān)鍵問題。

運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃需要考慮到打火機(jī)生產(chǎn)線生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量和人機(jī)安全等方面的要求。 合理的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃能夠有效減少機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；同時(shí)，考慮到打火機(jī)裝配的精度要求，規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)能夠保證裝配的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；還需保證機(jī)械臂工作過程中對(duì)操作人員的安全。 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)也是不可忽視的因素。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能夠控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)任務(wù)，并滿足高速、高精度的要求。

1 硬件組成

本系統(tǒng)的核心部分為現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）開發(fā)板、驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)。 FPGA 開發(fā)板接收來自上位機(jī)的命令，并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拿}沖來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 驅(qū)動(dòng)器部分核心功能是對(duì)開發(fā)板產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行放大，達(dá)到步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)的要求。

1.1 FPGA 開發(fā)流程

現(xiàn)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(shè)計(jì)應(yīng)用的是Verilog HDL。 FPGA 的操作步驟如圖1所示。

圖1 FPGA 的開發(fā)流程

如圖1 所示，F(xiàn)PGA 開發(fā)流程主要包括需求分析、模塊規(guī)劃、代碼設(shè)計(jì)、綜合優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)、板級(jí)調(diào)試等環(huán)節(jié)［1］。在仿真與調(diào)試過程中，通過信號(hào)波形圖來觀察數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間及正確性，并且可以進(jìn)行斷點(diǎn)調(diào)試、單步調(diào)試等操作，更加方便地進(jìn)行代碼的調(diào)試和驗(yàn)證，非常方便和實(shí)用。 另外，使用阿爾特拉（Altera）公司的QuartusII 開發(fā)環(huán)境，還提供了多種綜合和優(yōu)化策略，對(duì)代碼進(jìn)行綜合和優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更為高效和精準(zhǔn)。

1.2 步進(jìn)電機(jī)的選型及驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)也就是脈沖式電機(jī)，可以精確地控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和速度，適用于各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域。 脈沖信號(hào)經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)可以被轉(zhuǎn)換成位移距離，步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為后續(xù)角度旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，其參數(shù)，如速度和制動(dòng)位置，取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖的數(shù)量［2］。 因而步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)中的各個(gè)領(lǐng)域。

1.2.1 步進(jìn)電機(jī)的選取

步進(jìn)電機(jī)根據(jù)它的機(jī)構(gòu)，有永磁式步進(jìn)電機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)三種類型。 本文著重介紹混合式步進(jìn)電機(jī)。 這種電機(jī)融合了其他兩款電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)定子上的繞組，分為多個(gè)系列，其中二相混合式步進(jìn)電機(jī)最受歡迎。 將混合式步進(jìn)電機(jī)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(tǒng)采用了混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該款驅(qū)動(dòng)器包含細(xì)分功能。

1.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)所需要的脈沖信號(hào)經(jīng)過FPGA 產(chǎn)生，然后將脈沖傳遞給驅(qū)動(dòng)器，對(duì)其進(jìn)行放大，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。本驅(qū)動(dòng)器采用的芯片是TB6600HG。 該芯片是一種高性能、高細(xì)分的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 電路中設(shè)計(jì)光電隔離電路，與上一級(jí)的控制電路進(jìn)行隔離，并防止電壓過大，對(duì)電路板造成損壞。 FPGA 將驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)傳遞給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將其放大，當(dāng)信號(hào)方向?yàn)橐?guī)定的正方向時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之則電機(jī)反轉(zhuǎn)［4］。

驅(qū)動(dòng)電路的電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

下面分別介紹驅(qū)動(dòng)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(jī)的影響，對(duì)兩個(gè)部分進(jìn)行隔離，提高抗干擾能力。本設(shè)計(jì)采用EL817 作為光耦隔離，該款芯片將輸入信號(hào)與輸出信號(hào)通過光伏轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行隔離，并且增加1N418 二極管防止接反，同時(shí)使用6N137 進(jìn)行脈沖隔離，將輸入脈沖信號(hào)與輸出脈沖信號(hào)分隔，保護(hù)電路中的敏感元器件，使其滿足更高頻率驅(qū)動(dòng)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(diào)制（pulse width modulation，PWM）控制環(huán)路，可以任意調(diào)節(jié)占空比的線性變化。 內(nèi)含過電保護(hù)部分，如果電路出現(xiàn)短接的情況，可以大幅度降低頻率，起到保護(hù)電路的作用。 發(fā)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(yùn)行。

（3）主芯片電路

本驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)采用的是TB6600HG 芯片，此芯片性能好、高細(xì)分，可以選擇不同的細(xì)分狀態(tài)。 通過多狀態(tài)相勵(lì)磁模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)正向反向轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。 本款芯片內(nèi)置溫度保護(hù)和過流保護(hù)，降低了驅(qū)動(dòng)器損壞的風(fēng)險(xiǎn)，并且其穩(wěn)定輸入電壓較高，適合電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持扭矩。

（4）自動(dòng)半流電路

在電路中減少發(fā)熱，就相當(dāng)于減小電阻和電流，但是在實(shí)際操作中，并不可行，因此對(duì)于已經(jīng)選定的步進(jìn)電機(jī)，可以將自動(dòng)半流電路加入。 自動(dòng)半流主要是在電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)或者電流很低甚至為零的狀態(tài)時(shí)自動(dòng)減小電流，保持電路的穩(wěn)定性，減少諧波的產(chǎn)生。 本模塊采用的芯片是SN74LS123，該芯片是常用的單穩(wěn)態(tài)振蕩器，在本模塊的設(shè)計(jì)中主要為了檢測(cè)脈沖信號(hào)的有無，在電源關(guān)系和通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。 如果輸出低電平，則表示沒有檢測(cè)到脈沖信號(hào)，在自動(dòng)半流電路開啟時(shí)，使主芯片的TQ引腳為低電平，實(shí)現(xiàn)減小電流、降低發(fā)熱的目的。

（5）參考電壓調(diào)整電路

該模塊是用于提供參考電壓信號(hào)的，實(shí)測(cè)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(jìn)行調(diào)節(jié)。

（6）電機(jī)供電電路

本模塊采用了8 個(gè)SS14 二極管對(duì)電機(jī)進(jìn)行放電，該款二極管是一種具有低消耗、高效率、快速恢復(fù)的肖特基二極管。 一般情況下，用在電磁干擾濾波、開關(guān)電源中的后級(jí)穩(wěn)壓及線性穩(wěn)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(jìn)行濾除。 根據(jù)電容器“隔直通交”的特性，可以抵消電路和負(fù)載產(chǎn)生的高頻噪聲，使電源的供應(yīng)更加穩(wěn)定。

1.2.3 FPGA 開發(fā)板選取

本設(shè)計(jì)在FPGA 開發(fā)板的基礎(chǔ)上進(jìn)行，采用的硬件開發(fā)平臺(tái)是野火征途Pro 開發(fā)板，內(nèi)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(jià)比，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)。

該開發(fā)板的硬件資源非常豐富， 含有主芯片EP4CE10F17C8、50 MHz 晶振、聯(lián)合測(cè)試工作組（joint test action group，JTAG）下載接口、四個(gè)LED 顯示燈、四個(gè)機(jī)械按鍵、六位八段數(shù)碼管、3.3V 電源按鍵以及復(fù)位鍵等。

2 通信模塊

本設(shè)計(jì)中含有四個(gè)通道，分別對(duì)應(yīng)著四個(gè)步進(jìn)電機(jī)，為了方便使用，在上位機(jī)輸入速度、方向等指令，開發(fā)板接收到指令后，對(duì)指令進(jìn)行識(shí)別然后按照要求將速度信息分別分配到各個(gè)通道，使得步進(jìn)電機(jī)按照要求進(jìn)行啟動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和停止。 通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver／transmitter， UART）在通信的過程中，通過TXD、RXD 兩根信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)有RS485、RS232 等，本設(shè)計(jì)采用的是RS232 通信標(biāo)準(zhǔn)。 串口作為常用的三大低速總線之一，在工業(yè)領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用。 串口在進(jìn)行發(fā)送時(shí)，分別按照監(jiān)測(cè)信號(hào)、方向信號(hào)以及頻率信號(hào)進(jìn)行傳遞。 本模塊用于接收來自上位機(jī)的指令信息，將上位機(jī)發(fā)送的信號(hào)傳遞FPGA，其整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 串口接收模塊示意圖

其中，CLK 端口對(duì)應(yīng)系統(tǒng)時(shí)鐘，RST 端口對(duì)應(yīng)系統(tǒng)復(fù)位，RS＿CLK 對(duì)應(yīng)輸入數(shù)據(jù)有效采樣時(shí)刻的時(shí)鐘，DATA 端口是接收到的串口數(shù)據(jù)，RX＿ENA 是有效數(shù)據(jù)到來的標(biāo)志，DATA 是接收數(shù)據(jù)的寄存器，分別存儲(chǔ)每路步進(jìn)電機(jī)的速度和方向信息。

在工業(yè)系統(tǒng)中，串口接收占比很大，由于工業(yè)環(huán)境中存在大量的干擾，影響數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性，大多數(shù)情況下會(huì)進(jìn)行多次采樣并加上校驗(yàn)位，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 步進(jìn)電機(jī)控制模塊

控制模塊是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制，該模塊由步進(jìn)電機(jī)控制模塊、脈沖生成模塊、幀解析模塊和步進(jìn)電機(jī)使能模塊組成，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加減速、啟動(dòng)和停止等功能。 用戶通過在上位機(jī)設(shè)定不同的目標(biāo)頻率來改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速［5］。 步進(jìn)電機(jī)從啟動(dòng)到目標(biāo)頻率不是突然完成的，而是需要一個(gè)加速的過程，同理，從目標(biāo)頻率到停止需要一個(gè)減速的過程。

2.3 數(shù)據(jù)幀解析模塊

本系統(tǒng)采用的是一幀數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 一幀信號(hào)有效數(shù)據(jù)是8 個(gè)字節(jié)，在忽略幀頭和幀尾的情況下，分別為監(jiān)測(cè)信號(hào)、方向信號(hào)和目標(biāo)頻率信號(hào)。 不包含數(shù)據(jù)校驗(yàn)部分。 通過用戶在上位機(jī)發(fā)送不同的信號(hào)信息，將數(shù)據(jù)傳遞給寄存器當(dāng)中。 幀格式如表1 所示。

表1 幀格式

本模塊使用多個(gè)移位寄存器，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。 控制模塊按照監(jiān)測(cè)信號(hào)將方向信息和頻率信息分別分配到對(duì)應(yīng)的通道中。 例如，假設(shè)置監(jiān)測(cè)信號(hào)2 的電機(jī)反轉(zhuǎn)，頻率7 000 Hz，監(jiān)測(cè)信號(hào)為0002。 7 000 換算為十六進(jìn)制為1b58，因此對(duì)應(yīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)段為581b，最終發(fā)送的指令要加上幀頭和幀尾。 電機(jī)運(yùn)行的方向、頻率等信息存儲(chǔ)在移位寄存器中。 當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢后，寄存器進(jìn)行清零，重新開始接收下一個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)。

（1）步進(jìn)電機(jī)使能模塊

在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的過程中，幀解析模塊將存儲(chǔ)在寄存器當(dāng)中的指令分別分配給不同的通道，然后步進(jìn)電機(jī)從中讀取頻率和方向的信息。 由于電機(jī)是從靜止開始運(yùn)動(dòng)，需要一個(gè)逐漸加速的過程，驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率是從高到低進(jìn)行變化的。

（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊用來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)的脈沖。 使能向驅(qū)動(dòng)部分發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，以此來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的前進(jìn)脈沖，當(dāng)該脈沖處于上升沿時(shí)，信號(hào)有效，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 為了使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行得更加穩(wěn)定，在加速和減速的過程中加入分頻計(jì)數(shù)器，每間隔固定時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)高脈沖，隨著間隔的逐漸減小，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行得更加平滑穩(wěn)定。

3 結(jié)語

綜上所述，本文主要研究了基于打火機(jī)生產(chǎn)線的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)問題。 通過對(duì)打火機(jī)生產(chǎn)工藝的分析，確定了機(jī)械臂需要完成的動(dòng)作和任務(wù)，而運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)的關(guān)鍵。 在運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方面，考慮了生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量和人機(jī)安全等因素。 合理的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃能夠提高生產(chǎn)效率，減少運(yùn)動(dòng)時(shí)間；同時(shí)，確保裝配的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。 需要利用運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法，結(jié)合生產(chǎn)線的需求，制定出合適的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方案。 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方面，需要考慮電機(jī)控制、傳感器檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制算法等因素。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能夠精確控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，并滿足高速、高精度的要求。 通過研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為打火機(jī)生產(chǎn)線的自動(dòng)化生產(chǎn)提供技術(shù)支持和解決方案。 合理的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，能夠提高生產(chǎn)線的效率和質(zhì)量，同時(shí)確保操作人員的安全。