【文章內(nèi)容簡介】 圖23 位置控制模塊接線圖機械手的AFPG431控制中位置控制模塊控制兩臺步進電機，選用松下的位置控制模塊是因為該模塊不僅能同進控制兩臺步進電機發(fā)出驅(qū)動脈沖、控制步進電機轉(zhuǎn)動方向、控制加∕減速度、改變加∕減速時間還有多種工作方式給操作者選擇。該模塊通過FPΣ32的擴展口連接，通過PLC直接編程傳入位置控制模塊的共享寄存器來達到控制步進電機的目的。使用此擴展模塊不僅滿足了控制要求還無需其他的編程語言便可達到控制目的。位置控制模塊控制步進電機接線如圖23所示。圖23所示的連接圖中位置控制模塊對步進電機發(fā)出脈沖、方向進行控制，其中脫機信號按PLC進行控制，外接行程開關(guān)進行回零位控制。一、基本原理與特點(1）步進電機基本原理步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的。(2）步進電機特點：1）一般步進電機的精度為步進角的35％，且不累積。2）步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點。一般來說，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上。3）步進電機在運行時電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢。頻率越高，反向電動勢越大。因此電機隨頻率或速度的增大而使電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4）步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲二、步進電機的選擇步進電機是一種性能很好的數(shù)字化執(zhí)行元件，在數(shù)控系統(tǒng)的點、位控制中，可利用步進電機作為驅(qū)動電機，在本次設(shè)計的機械手中要滿足技術(shù)要求對機械手進行軌跡控制，使機械手按所設(shè)定的軌跡運動。機械手的1軸、2軸、3軸與4軸基本控制了機械手的運動軌跡。只要這幾部分步進電機能按照人為設(shè)計的軌跡準(zhǔn)確的運動就可以使步進電機按所規(guī)定的軌跡準(zhǔn)確的運動。在本次設(shè)計中采用開環(huán)控制，因此控制精度不如閉環(huán)控制精度高，但要在一定程度上滿足機械手的控制要求就要提高各部位關(guān)節(jié)步進電機的運動精度。因此在本次設(shè)計中各關(guān)節(jié)的步進電機選用了兩相混合式步進電機。混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步距角小，高速特性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。存在低速振動區(qū)。所用步進電機的型號是57BYG250C,2相四線輸出，176。/176。在此基礎(chǔ)上選用驅(qū)動器的型號為SH20403。步進電機運行要有一電子裝置進行驅(qū)動，這種裝置就是步進電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動器就是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，或者說控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號通過驅(qū)動器就使步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角。驅(qū)動器一般有以下幾部分組成：公共端、信號輸入部分、輸出部分等。（1）公共端：本驅(qū)動器的輸入信號采用共陽極接線方式，輸入信號的電源正極連到該端子上，將輸入的控制信號連接到對應(yīng)的信號端子上?？刂菩盘柕碗娖接行?。（2）信號輸入部分：共有三路輸入信號，它們是：步進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機信號FREE。脈沖輸入信號下降沿為一有效脈沖，驅(qū)動電機運行一步，為了能確保脈沖信號的可靠響應(yīng)，脈沖信號低電平的持續(xù)時間應(yīng)不小于10181。S，響應(yīng)頻率為70KHZ。方向信號輸入時用高∕低電平控制電機的兩個轉(zhuǎn)向，共陽極此端懸空為默認(rèn)為高電平。脫機信號低電平有效，這時電機相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)； 若為高電平或懸空不接時，轉(zhuǎn)子處于鎖定狀態(tài)。信號源由PLC主機提供。由于PLC提供的電壓為24v，而輸入部分的電壓為5V，所以中間加了保護電路。步進電機驅(qū)動器主要構(gòu)成如圖24所示，一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動級、驅(qū)動級等各部分組成。[5]圖24 步進電機驅(qū)動器組成（1）環(huán)形分配器環(huán)形分配器用來接受來自控制器的CP脈沖，并按步進電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號。每來一個CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進電機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、起動或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率。同時，環(huán)形分配器還要接受控制器的方向信號，而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者按反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進電動機的轉(zhuǎn)向。（2）信號放大與處理從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號送入信號放大與處理級。信號放大的作用是將環(huán)形分配器的輸出信號加以放大，轉(zhuǎn)換成足夠大的信號送入推動級。這中間需要電壓放大，也需電流放大。信號處理是實現(xiàn)信號的某些轉(zhuǎn)換、合成等功能，產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動。（3）推動級推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅(qū)動級輸入的較大信號。有時還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的作用。（4）保護級保護級的作用是保護驅(qū)動級的安全。一般需要設(shè)置過電流保護、過熱保護、過壓保護、欠壓保護等。有時還需要對輸入信號進行監(jiān)護，發(fā)現(xiàn)輸入異常也提供保護動作。本驅(qū)動器采用開關(guān)電源設(shè)計以保證較寬的電壓范圍，電壓可在10V40VDC之間選擇。 輸出最大電測為3A/相（峰值），通過驅(qū)動器面板上的六位撥碼開關(guān)第7三門可組合出八種狀態(tài)，對應(yīng)輸出八種電流，（具體選擇方式如表21）。在細(xì)分選擇方面，有七種運動模式，分別為整步、改善半步、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分、32細(xì)分和64細(xì)分。利用驅(qū)動器面板上六位拔碼開關(guān)中第3位的組合可以得出不同的細(xì)分狀態(tài)（具體選擇方式如表22）。半自動電流是上位控制機在半秒鐘內(nèi)沒有發(fā)出步進脈沖信號，驅(qū)動器將自動進入節(jié)電的半電流運行模式，在此狀態(tài)下電機繞組的相電流減少原設(shè)定值的一半，電機與驅(qū)動器的功耗與力矩也相應(yīng)下降，這種狀態(tài)直至下一脈沖到來時自動結(jié)束并恢復(fù)原設(shè)定值。錯相保護是驅(qū)動器中一個自動保護的方式，即用戶在兩相電機與驅(qū)動器連接錯相時驅(qū)動器也不會損壞，但電機運行不正常，力矩極小。散熱問題是驅(qū)動器正常運行極為重要的問題。有效的散熱可以提高驅(qū)動器的可靠性與運行壽命，因此可以將驅(qū)動器固定在金屬機箱上，并在接觸面上加硅脂等導(dǎo)熱材料或外加散熱風(fēng)扇協(xié)助驅(qū)動器散熱。表21 驅(qū)動器拔碼開關(guān)的電流選擇567IONONONONONOFFOFFONONOFFONOFFONOFFONONOFFOFFOFFOFFONOFFOFFOFF3A表22 驅(qū)動器拔碼開關(guān)細(xì)分?jǐn)?shù)的選擇123細(xì)分?jǐn)?shù)ONONON保留OFFONON64細(xì)分ONONOFF8細(xì)分OFFONOFF4細(xì)分ONOFFON32細(xì)分OFFOFFON16細(xì)分ONOFFOFF半步OFFOFFOFF整步步進電機的轉(zhuǎn)速與其控制脈沖的頻率成正比，當(dāng)步進電機在低頻下運行時，其轉(zhuǎn)速必然很低，而為了保證系統(tǒng)的定位精度，脈沖當(dāng)量即步進電機轉(zhuǎn)一個步距角時，機械手移動的距離又不能太大，這兩個因素合在一起，帶來可一個突出的問題：定位時間太長，為了保證定位精度，脈沖信號當(dāng)量不能太大，但卻影響了定位速度。因此要解決好既能提高定位速度，同時又能保證定位精度的矛盾。并且電機在工作過程中，由于各種原因可能會產(chǎn)生共振，影響電機低頻、低速時的工作特性，為了避免電機工作的共振點，改善電機在低頻低速時的工作特性，并進一步提高步進電機的控制精度，通常用細(xì)分電路來解決這一問題。細(xì)分是驅(qū)動器的一項十分重要的性能，步進電機在驅(qū)動器上選擇合適的細(xì)分?jǐn)?shù)下將步進電機原有的步距角細(xì)分成不同的等分。若所選的細(xì)分?jǐn)?shù)為32細(xì)分，176。/32＝176。，這就是細(xì)分所起的作用。在細(xì)分之下可以彌補機械加工對步距角的限制，細(xì)分功能完全是由驅(qū)動器靠精確控制電機的相電流所產(chǎn)生的，與電機的機械結(jié)構(gòu)無關(guān)。用戶可以根據(jù)驅(qū)動器來選擇不同的細(xì)分?jǐn)?shù)以達到所要求的控制要求。細(xì)分雖然將步距角變小，但系統(tǒng)步進信號的頻率相應(yīng)的提高。因此，我們也不能盲目的選擇細(xì)分?jǐn)?shù)，而應(yīng)在考慮步進信號的頻率之下選擇合適的細(xì)分?jǐn)?shù)。選擇合適的細(xì)分?jǐn)?shù)對是十分重要的，細(xì)分?jǐn)?shù)越大，電機步距角就越小，機械手控制的就越精確。我們可以利用電機的細(xì)分所提高的精度來彌補開環(huán)系統(tǒng)所帶來的誤差。不僅如此，細(xì)分后還可消除電機的低頻振蕩，提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩。（1）步進電機電氣連接原理圖如圖25所示。本次選用的步進電機為兩相四線制，圖25中電樞繞組為串聯(lián)連接，其中A＋、A、B＋、B為電樞的四根引線，在與驅(qū)動器連接時注意不要接錯相。圖25 步進電機電氣原理圖（2）步進電機驅(qū)動模塊圖26 驅(qū)動模塊連接圖圖26中由于PLC與位置控制模塊的輸出電壓為＋24V,因此PLC與位置控制模塊連接時要連接保護電路將電壓降至＋5V。驅(qū)動器的輸入信號共有三路輸入信號，它們是：步進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機信號FREE(此端為低電平有效，這時電機處于無力矩狀態(tài)；此端為高電平或懸空不接時，此功能無效，電機可正常運行)。[15]（3）步進電機與PLC連接圖圖27 步進電機與PLC連接原理圖圖27中所示，所選用的PLC只有兩個通道能控制兩臺步進電機，其中0通道的脈沖、方向分別為Y0、Y1，1通道的脈沖、方向分別為YY4。3軌跡規(guī)劃與方案選擇機械手的在工作中起到了物品夾持與下放的作用。在工作中機械手先移到工件的指定位置，隨后夾起物品，按照指定的軌跡運動到下放物品的位置下放物品。在下放物品后回到初始位置。在此過程中機械手按照人為規(guī)定的軌跡運動。該軌跡應(yīng)滿足以下條件：（1）軌跡應(yīng)能在搬運物品的起始點與終點之間。（2）機械手的搬運軌跡可以根據(jù)實際情況來人為設(shè)定。機器人的軌跡規(guī)劃是指機器人在運動過程中的位移、速度和加速度。但所規(guī)劃的軌跡必須連續(xù)和平滑，使得機器人的在運動過程中運動平穩(wěn)。在軌跡規(guī)劃有以下幾種方法[8]：（1）PTP控制（point to point control）這種控制方式只限于從一點到另一點，至于途中經(jīng)過的路徑是不重要的。（2）CP控制（continuous path control）所謂的CP控制是對目標(biāo)坐標(biāo)的連續(xù)控制,對機械手從一點到另一點的移動的軌跡做出了嚴(yán)格的控制。在設(shè)計中要存儲指定經(jīng)過路徑每個目標(biāo)坐標(biāo)。如果不直接進行連續(xù)軌跡控制而是在A點與B點間設(shè)置C、D、E等多個目標(biāo)點，而每兩點之間可以近似到PTP控制，我們就可以將這種順序進行的PTP控制看成近似的CP控制。在A、B兩點中插入的C、D、E點稱為插值或插補。插入插補點進行的PTP控制稱為模擬CP控制。（3）用拋物線過渡的線性插值對于給定的起始點和終止點的關(guān)節(jié)角度，并選擇拋物線作為插值函數(shù)表示路徑的形狀。以上的幾種軌跡規(guī)劃方案各有利弊。方案一中PTP控制方案雖然簡單但對軌跡沒有太大的約束，只適用于對運動軌跡要求不高或不要求的場合。且PTP控制中在A、B兩點間應(yīng)無障礙物，否則機械手在運動過程對軌跡沒有明確要求易碰撞到障礙物而造成事故。[9]方案二中CP控制對機械手搬運過程的軌跡有嚴(yán)格的規(guī)定，需要記錄下大量的運動軌跡點，因此計算機大量的存儲數(shù)據(jù)，計算機計算量大，對于復(fù)雜的控制軌跡運算時間長，因此不適合復(fù)雜的軌跡規(guī)劃。模擬CP控制既不像CP控制中需要存儲大量的目標(biāo)坐標(biāo)也不同PTP控制對運動軌跡無任何約束。模擬CP控制只要讓機器人記住軌跡的特征點節(jié)省了計算機的存儲單元，減少了計算機的運算速度。在方案三中用拋物線過渡的線性插值，通過拋物線作為插值函數(shù)，這就避免了直線插值函數(shù)中所存在的加速度無限大而造成運動速度不連續(xù)的現(xiàn)象。拋物線對時間的二階導(dǎo)數(shù)為常數(shù)，即相應(yīng)區(qū)段內(nèi)的加速度為恒定的，這就使機械手在運動過程運動平滑，不會產(chǎn)生機械手運動中的跳躍現(xiàn)象。在本次軌跡規(guī)劃中選擇方案二, CP控制需要根據(jù)所規(guī)劃的軌跡記錄下大量的過程點,這樣要計算出每個過程點機械手各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，計量過大,，但這種方法較為簡單，我們可以根據(jù)需要規(guī)劃好機械手的運動軌跡，并從軌跡中選擇幾個特征點,分別計算出機械手運動到幾個特征點時各轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角,使機械手按所求的轉(zhuǎn)角動作便可使機械手按所規(guī)劃的軌跡運動。本次設(shè)計的機械手為六個自由度關(guān)節(jié)型機器人，通過控制五臺步進電機來控制機械手的運動。想要機械手按所規(guī)定的軌跡運動就須控制每臺步進電機