一种球体夹持旋转控制系统的方案研究*

李海铭

（吉林工业职业技术学院电气与信息技术学院，吉林 吉林 132013）

在实际应用中，球体表面运动轨迹的控制是较为复杂的，以棒球为例，若要控制球体以棒球上的弧形纹路为轨迹实现球体的寻迹旋转控制，是比较困难的。如选择两个维度的旋转控制可基本实现轨迹的跟踪，但精度较低，为满足球体表面寻迹的高自由度，需要采用三个维度的旋转运动控制系统来实现[1]。本设计可以作为运动控制的实验模型和运动控制的应用研究对象，笔者将从机械结构的方案研究和控制器的方案研究两个主要部分展开介绍。

1 机械结构方案研究

机械结构对于控制系统而言是研究的前提和重点，根据以往的设计经验，如果控制系统设计有缺陷，精度不高，势必会对后续的控制器程序设计环节造成麻烦。因此，在机械设计环节应尽量考虑周全，且在分析时应考虑到配合控制器的控制策略，构成连续、闭环的控制系统。这里主要从夹具、传动结构和电机三个方面来进行研究介绍。

1.1 夹具结构方案研究

考虑到球体的结构特点，在夹持时需要保证较高的稳定性，设计夹具时需要考虑3点固定或4点固定，同时在球体旋转的过程中需要保证其旋转中心保持固定不变，如图1所示。

在夹具和球体接触点的材料选取方面应选择硬质高摩擦阻力材料，如硬质橡胶，这样在紧固球体时可有效避免球体在夹持时的位置偏移。橡胶材料可进行开内螺纹设计，与后面连接杆所做的外螺纹配合使用，同时橡胶头与球体接触侧可做磨圆处理。

1.2 传动结构方案研究

为满足球体表面寻迹的高自由度，应采用三个维度的旋转运动控制系统来实现，如图2所示。控制三轴方向不同角度的旋转来控制球体在不同轨迹的运动变化。

X轴和Y轴方向上可采用丝杠滑台结构控制夹具动作，X轴或Y轴方向上需要两个夹具，其中一个夹具需要连接电机，另一个夹具需要连接轴承，在旋转时减少阻力。为保证控制中心的稳定，可考虑配合光栅尺，保证X轴和Y轴的控制精度，构成闭环系统。而在Z轴方向上，当X轴和Y轴固定在同一平板上时，将Z轴方向旋转控制电机安装在下方。三轴的协同控制可使球体在球面上的任意轨迹运动，轨迹的精度则主要取决于夹具的加工精度以及控制电机的控制精度[2]。

1.3 电机选择方案研究

通常环境下一般采用直流减速电机、步进电机或者伺服电机，鉴于在控制系统中对精度的高要求，更适合采用步进电机或者伺服电机，尤其伺服电机自身带编码器，可构成闭环控制，相比于易出现丢步问题的步进电机更具有优势。但考虑到成本以及已经在控制系统中加入了丝杠和光栅尺，也可用步进电机进行搭建。电机在选型方面的宽容度是较大的，只要能带动丝杠，比较基础的电机型号也可以胜任，在配套驱动器的选取方面则以控制精度为选择的重要依据之一。

2 控制器方案研究

系统的输出控制对象主要为3轴电机，针对控制电机输出高速脉冲来实现控制，满足要求的控制器可选择PLC、STM32和运动控制卡来实现。以下对这3种方案分别进行研究。

2.1 PLC控制方案研究

能满足输出高速脉冲的PLC较多，例如三菱品牌和西门子品牌都有成熟的控制策略，以西门子PLC举例，西门子1200系列PLC最多可组态4个使用内置或SB输出的脉冲输出。晶体管输出型PLC可使用内置自带的脉冲输出，而继电器输出型的需要单独采购信号板才能实现脉冲输出。PLC自带的运动控制功能，PTO即Pulse Train Output，通过发送PTO脉冲的方式控制驱动器，可以是脉冲+方向、A/B正交，也可以是正/反脉冲的方式[3]。PLC具有相对成熟的运动控制方案，在程序编辑软件中进行组态可以完成程序的设计，编程相对容易[4]。

2.2 STM32控制方案研究

STM32主要通过精确输出PWM脉冲数控制电机，一般用于进行速度控制或者位置控制。这里主要介绍常用的位置控制，STM32位置控制需要获得发送的脉冲数，有以下4种方法：

1）每发送一个脉冲，做一次中断计数；2）根据发送的频率乘上发送的时间，获得脉冲数量，对于变速的脉冲，可以用累计积分的方法来获得总脉冲；3）以一个定时器作为主发送脉冲，另外一个定时器作为从计数，对发送的脉冲计数；4）使用DMA方式，例如共发送1 000个脉冲，那么定义u16 per[1001]，每发送一个脉冲，DMA会从数组中更新下一个占空比字，数组最后一个字为0，表示停发脉。

2.3 运动控制卡控制方案研究

对于运动控制系统而言，运动控制卡也是一种很成熟可靠的方案，在多轴伺服控制系统中，经常会看到运动控制卡的身影。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。运动控制卡需要配合PC才能正常使用，在编程方面主要使用VC编程语言。如固高科技的GTS-VB系列多轴通用运动控制器是一款基于PCI总线的运动控制器，可用于控制步进电机和伺服电机。它通过DSP和FPGA进行运动规划，可以输出脉冲或模拟量指令。同时支持点位和连续轨迹，多轴同步，包括直线、圆弧、螺旋线、空间直线插补等运动模式。GTS-VB系列运动控制器可以自由设定加减速、S型曲线平滑等参数，协助用户设计出最适合机械结构的运动规划。通过GTS-VB系列提供的VC、VB、C#、LabVIEW等开发环境下的库文件，用户可以轻松实现对控制器的编程，构建自动化控制系统。

综上所述，三种控制器相比而言，成本最高的是运动控制卡，其次是PLC，最低的是STM32。

3 传感器方案研究

对于一个完整的闭环控制系统，检测环节是构成反馈的关键，可用于修正控制偏差，提高系统的控制精度，为控制驱动提供数据参考依据。这里主要用到的传感器包括光纤传感器、光栅尺和摄像头。

3.1 光纤传感器方案研究

对于例如棒球表面缝制线孔的检测可以考虑使用光纤传感器（光纤式光电接近开关）来进行识别，孔位为深色，反光率较低，周边为白色，反光率较高。光纤式光电接近开关放大器的灵敏度调节范围较大。当光纤传感器灵敏度调得较小时，对于反射性较差的黑色物体，光电探测器无法接收到反射信号；而对于反射性较好的白色物体，光电探测器就可以接收到反射信号。反之，若调高光纤传感器灵敏度，则即使对于反射性较差的黑色物体，光电探测器也可以接收到反射信号。这样将传感器的开关量信号给到控制器，就可以实现检测判断了。

3.2 光栅尺方案研究

光栅尺，也称为光栅尺位移传感器（光栅尺传感器），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大、检测精度高、响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具运动误差的作用。光栅尺按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。对于本设计中的控制系统，用光栅尺配合丝杠滑台结构，实现系统的闭环控制，保证传动机构的运行精度。

3.3 摄像头方案研究

图像识别在工业控制中的应用越来越广泛，复杂的图像识别需要使用工业摄像头配合上位机软件来实现，这里可以采用相对基础些的OpenMV来进行实验。OpenMV摄像头使用的是一款小巧、低功耗、低成本的电路板，能够帮助研究者很轻松地完成机器视觉（machine vision）应用。可以通过高级语言Python脚本（准确地说是Micro Python），而不是C/C++。Python语言的高级数据结构可以很容易地在机器视觉算法中处理复杂的输出。研究者们可以完全控制OpenMV，并能够很容易地使用外部终端触发拍摄或者执行算法，也可以把算法的结果用来控制IO引脚。本研究主要应用它的图像捕获功能，使用OpenMV捕获RGB565灰度的BMP/JPG/PPM/PGM图像。且可以直接在Python脚本中控制如何捕获图像。

4 总结

经过研究可以发现，在球体夹持旋转控制系统中，机械结构的设计和搭建是前提条件也是难点，机械结构的合理性和加工精度影响着后续的控制效果。如果加工精度不高，后续控制器控制的过程中则需要矫正，且很难实现较好的效果。控制器的选取相对容易，在控制速度要求不高的情况下，选用PLC或者STM32都能较好地满足控制需求。球体表面的寻迹需要较多控制策略的配合，传感器的检测和算法的加持也是后续研究的重点。图像识别技术在当下运动控制系统中的广泛应用，也会给本控制系统的研究提供新的方向。