雅马哈机械手基于工控机的系统控制

沈侃++曹嘉佳++温仁伟

摘 要：现今，国内各行各业的自动化水平较低，很多工厂、企业的生产作业还停留在人工操作的地步。这样不仅做事效率低，而且人工成本高，有的作业环境比较恶劣，操作难度大，容易对操作者的健康产生威胁。特别对于一些正在发展中的企业，机械自动化的不断发展，人们对物质的需求，对生活品质的要求越来越高，都促使着企业转向自动化生产。本文主要针对雅马哈机械手臂的伺服驱动器的使用，对PCL-1245L进行介绍，通过对板卡的了解及伺服驱动器的认识，将工控机、伺服驱动器的有效结合对雅马哈机械手进行控制运作。

关键词：机械手；伺服驱动器；工控机

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

1 绪论

1.1 研究背景及意义

现今社会各企业、工厂自动化的设备运用程度都比较低，很多企业的工作环境都十分恶劣，不仅效率低，而且对工人的生命健康也有着威胁。社会在进步，机械化产业在不断的发展，人们对机械自动化的需求越来越高，这些都促使机械控制领域不断的创新发展.一些环境恶劣的工厂、大型的制造业都需要机械化的控制设备，通过机械控制来完成一系列的工作。提高工作效率，降低人身危害。在机械化运作的过程中，需要通过工控机来实现设备的运作。工控机的优点很多，体积小、轻便、稳定性好，控制的方法也灵活多样化，相对于其它的机器而言性价比也比較高，能够降低人工需求，降低劳动强度，提高工作效率。

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

1.2 机械手的概述及国内外发展状况

机械手是一种模仿人手操作的机械化自动设备，它可以通过某种特定的设置，实现搬运、抓取等一些特定的操作。应用机械手可以代替人工进行重复、单调、频繁及重体力的劳动，提高工作的效率，减少人工的使用，保证人身健康安全，因此广泛的使用在了电子电工、轻工业、原子能应用及机械制造业。

目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。

1.3 研究的目的与任务

（1）在了解目的及意义的基础上，简单的介绍雅马哈机械手的结构构成。（2）阐述工控机的概念，了解板卡的使用，安装调试。

2 雅马哈机械手的组成

雅马哈机械手由执行机构、控制系统、驱动系统及位置检测装置等组合而成，各系统之间的关系如下图所示。

3 工控机控制系统

3.1 工控机简介

工控机（Industrialand Personal Cpmputer）简称IPC，就是我们所说的工业计算机，可以对整个生产工作的过程进行全面的监测和控制。它拥有计算机的性能，有普通计算机拥有的CPU、USB接口、内存等等，但是比计算机的计算能力更加快速，具有更强的人机界面。

3.2 PCI-1245L板卡

3.2.1 PCI-1245L板卡概述

本文中雅马哈机械手运用的是PCI-1245L板卡。

PCI-1245L是4轴的SoftMotion PCI总线控制卡，专为各种电机自动化和其它机器自动化的广泛应用设计。板卡配有高性能的FPGA，其中SoftMotion 算法，能够实现运动轨迹和时间控制，以满足精确运动中的同步应用需求。PCI-1245L支持以下SoftMotion特性：手轮及MPG控制、可编程的加速度和减速度。

3.2.2 PCI-1245L I/O接口针脚定义

PCI-1245L 的 I/O 接口是一个 100 针接口，可通过 PCL-10251 屏蔽电缆连接两个 ADAM-3955 端子板或是通过 PCL-101100M 屏蔽电缆连接一个 ADAM-3956 端子板。表 1 为 I/O 接口信号说明。

4 雅马哈机械手基于IPC 的应用

4.1 工控机的搭建及调试

控制卡的搭建组成主要由：控制卡、电机、24V直流电、驱动器、接线板组成。

调试过程中遇到的问题及注意事项：

（1）调试时，按下启动按钮时电机不运作，可能是脉冲模式选择不正确。

（2）使用板卡的时候要检查电机驱动器是否上电。

（3）电缆连接上后做测试没有任何反应，可能是线序不对。

4.2 labview软件的介绍及使用

LabVIEW是NI公司最新推出的一种虚拟的软件应用程序，是以LabVIEW为核心，包括控制与仿真技术、数字信息处理技术，统计过程控制、可以运用在不同的各个平台之上。

4.2.1 labview软件的组成

labview的编辑界面包括两部分：前面板和程序框图两个界面。

前面板就是图形化用户界面。该界面可以用来模拟真实仪器的前面板，用于设定相应的输入数值和以及观察输出量。前面板界面如下图所示：

每一个的前面板都有一个与之相对应的程序图，用图形化的语言来编写。框图是定义VI功能的图形化源的代码。程序框图主要由节点、端口和数据连线构成的。在框图中对VI编程就是对输入信息进行运算和处理，最后在前面板上反馈最后的结果。

4.2.2 labview数据采集

数据采集（DAQ）是通过传感器装置和其它一些需要测量的设备采集一些信息的单元过程。在现今，计算机应用十分普遍，数据的采集十分的重要，它是计算机以及外部工作连接的桥梁。

在数据采集的时候，程序将会对板卡进行初始化设置，板卡上以及内存中的Buffer是数据采集和储存的中间重要环节。完整的数据采集系统由以下部件组成传感器装置、信号调理装置、数据采集器和分析硬件和驱动程序软件等。在本次的实验中我们的采集卡用的就是研华的PCI-1245L，下载控制卡的驱动后，里面的DAQ会进行自动的释放，不必增添其它的DAQ卡。DAQ系统的任务就是检测生成相应的物理信号。endprint

4.2.3 控制原理与流程

控制原理：伺服电机的正反转控制很简单，只要用单路脉冲的输出加一路开关量控制正反转就可以了。脉冲控制电机的转速和加减速，当电机的速度为零的瞬间就可以通过开关量的高低电频对应电机的正反转。

流程：通过labview编程，然后通过PC机，驱动PCI-1245L运动控制卡，并与之实现通讯功能，然后将继续信号传给PCI-1245控制卡，控制卡将数字信号转变为脉冲信号，它可以产生连续的、高频率的脉冲串，然后传递给伺服驱动器，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的运转速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的所在位置。

4.3 机械臂任务描述

此机械臂采用两个自由度的机械臂实现画圆设计，其中x方向的两个电机通过控制x方向丝杠和导轨的运动来控制笔在X方向上的移动，Y方向的电机控制y方向丝杠的运动来控制Y方向电机的移动，两轴同时运动，通过圆弧插补算法实现画半圆的设计。

设置I/O地址后，当通讯开始时，会自动采集到PCI-1245L控制卡，在下列表中选择PCI-1245L即可。

4.4 逐点比较法圆弧插补

圆弧插补这是一种插补的方式，在这个方式中，通过根据两端点间的插补数字信息，计算出接近实际圆弧的点的群落，控制手部沿着这个轨迹运作，画出出圆弧曲线。通过画出一个圆弧，很容易能够把加工点到圆心的距离和该圆的名义半径进行比较来反映加工上的偏差。

（1）偏差函数构造；（2）任意加工点Pi（Xi，Yi），偏差函数Fi可表示为：

若Fi=0，表示加工点位于圆上；

若Fi>0，表示加工点位于圆外；

若Fi<0，表示加工点位于圆内。

（3）偏差函数的递推计算。

逆圆插补：

若F≥0，规定向-X方向走一步：

若Fi<0，规定向+Y方向走一步：

顺圆插补：

若Fi≥0，规定向-Y方向走一步：

若Fi<0，规定向+y方向走一步：

终点判别：

（1）判断插补或进给的总步数：

（2）分别判断各坐标轴的進给步数：

例：

对于在第一象限圆弧AB，起点A（4，0），终点B（0，4）。

4.5 主回路电源及与其它装置的连接

在安装的过程中注意确认伺服电机输出U、V、W端子是否连线正确，接错电机可能导致乱转或不转。使用外部的回生电路的时候，需要将P、D端开路、外部回生电阻应该接在P、C端口上，在应用内部回生电阻时，需要将P、D端短路并且P、C端开路。连接伺服的时候需要确定回生电阻已经连接。在连接的过程中由于X、Y、Z、R轴所采用的电机分别为750W、400W、400W、200W的，所以伺服驱动器也需要连接3种不同功率的。

5 总结

通过对雅马哈机械手结构上的简要分析介绍，主要针对在工控机的使用上做了一些说明，将雅马哈机械手通过工控机进行连接调试。针对机械手的使用也要注意到需要对机械手的关键部位润滑，做好防锈工作，保持机械手臂的清洁，防止造成磨损，产生异常的振动和噪声，检查电极工作面的磨损情况，如发现问题立即维修或者更换，根据使用时间的长短定期进行保养和维护。

在安装的时候要注意合理的使用工具，禁止强力的冲压，禁止使用锤子进行敲击。尽量使用专业的工具，避免使用纤维和布类东西，防止细小碎片进入手臂内影响正常的工作。

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本论文得到江苏省高职院校青年教师企业实践培训项目资助。

项目来源：“江苏高校品牌专业建设工程资助项目”，项目编号：PPZY2015A088endprint