基于打火机生产线机械臂运动轨迹规划及驱动系统硬件设计

陈安武

（贵州电子信息职业技术学院贵州 黔东南 556000）

0 引言

随着工业互联网技术的不断发展和应用，生产线自动化已成为工业制造业的主要趋势之一。 其中，机械臂作为自动化生产线中的重要设备，在各类生产场景中得到广泛应用。 打火机生产线作为一个具有连续生产需求的加工过程，在提高生产效率和质量的同时，要求机械臂能够准确、高效地完成各种作业任务。

本文旨在针对打火机生产线机械臂运动轨迹规划和驱动系统硬件设计问题展开研究和探讨。 通过对打火机生产工艺的分析，发现机械臂需要完成的动作包括从储料区取件、组装打火机零件、质检和放置等环节。 针对这些动作，机械臂的运动轨迹规划是一个关键问题。

运动轨迹规划需要考虑到打火机生产线生产效率、生产质量和人机安全等方面的要求。 合理的运动轨迹规划能够有效减少机械臂运动时间，提高生产效率；同时，考虑到打火机装配的精度要求，规划的运动轨迹应能够保证装配的准确性和稳定性；还需保证机械臂工作过程中对操作人员的安全。 为了实现机械臂的运动轨迹规划，驱动系统的硬件设计也是不可忽视的因素。 驱动系统应能够控制机械臂实现各项运动任务，并满足高速、高精度的要求。

1 硬件组成

本系统的核心部分为现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array，FPGA）开发板、驱动器和步进电机。 FPGA 开发板接收来自上位机的命令，并产生适当的脉冲来驱动步进电机。 驱动器部分核心功能是对开发板产生的脉冲进行放大，达到步进电机启动的要求。

1.1 FPGA 开发流程

现在普遍使用的硬件描述语言主要有Verilog HDL、超高速集成电路硬件描述语言（very⁃high⁃speed integrated circuit hardware description language，VHDL）两种。 该程序设计应用的是Verilog HDL。 FPGA 的操作步骤如图1所示。

图1 FPGA 的开发流程

如图1 所示，FPGA 开发流程主要包括需求分析、模块规划、代码设计、综合优化、实现、板级调试等环节［1］。在仿真与调试过程中，通过信号波形图来观察数据传输的时间及正确性，并且可以进行断点调试、单步调试等操作，更加方便地进行代码的调试和验证，非常方便和实用。 另外，使用阿尔特拉（Altera）公司的QuartusII 开发环境，还提供了多种综合和优化策略，对代码进行综合和优化，使得设计实现更为高效和精准。

1.2 步进电机的选型及驱动器的设计

步进电机也就是脉冲式电机，可以精确地控制转动的角度和速度，适用于各种自动化控制领域。 脉冲信号经过步进电机可以被转换成位移距离，步进电机是一种将脉冲信号转换为后续角度旋转的电机，其参数，如速度和制动位置，取决于脉冲信号的频率和脉冲的数量［2］。 因而步进电机被广泛应用在工业中的各个领域。

1.2.1 步进电机的选取

步进电机根据它的机构，有永磁式步进电机、反应式步进电机和混合式步进电机三种类型。 本文着重介绍混合式步进电机。 这种电机融合了其他两款电机的优点。根据定子上的绕组，分为多个系列，其中二相混合式步进电机最受欢迎。 将混合式步进电机和细分驱动器组合，可以得到不同的精度和效果，提高使用效果［3］。 本系统采用了混合式步进电机驱动器，该款驱动器包含细分功能。

1.2.2 步进电机驱动电路设计

步进电机所需要的脉冲信号经过FPGA 产生，然后将脉冲传递给驱动器，对其进行放大，用于驱动步进电机。本驱动器采用的芯片是TB6600HG。 该芯片是一种高性能、高细分的电机驱动芯片。 电路中设计光电隔离电路，与上一级的控制电路进行隔离，并防止电压过大，对电路板造成损坏。 FPGA 将驱动电机所需的脉冲信号和方向信号传递给驱动器，驱动器将其放大，当信号方向为规定的正方向时，电机正转，反之则电机反转［4］。

驱动电路的电路设计如图2 所示。

图2 驱动电路原理图

下面分别介绍驱动电路的作用。

（1）光耦隔离电路和脉冲隔离电路

为了降低与外部高压电路之间的干扰，防止损坏接口和电机的影响，对两个部分进行隔离，提高抗干扰能力。本设计采用EL817 作为光耦隔离，该款芯片将输入信号与输出信号通过光伏转换的方法进行隔离，并且增加1N418 二极管防止接反，同时使用6N137 进行脉冲隔离，将输入脉冲信号与输出脉冲信号分隔，保护电路中的敏感元器件，使其满足更高频率驱动的要求。

（2）电源模块

电源模块采用的是降压芯片XL7005A，该款芯片采用了脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）控制环路，可以任意调节占空比的线性变化。 内含过电保护部分，如果电路出现短接的情况，可以大幅度降低频率，起到保护电路的作用。 发光二极管（light emitting diode，LED）用于通电后显示该部分是否可以正常运行。

（3）主芯片电路

本驱动电路设计采用的是TB6600HG 芯片，此芯片性能好、高细分，可以选择不同的细分状态。 通过多状态相励磁模式，实现对步进电机正向反向转动的控制。 本款芯片内置温度保护和过流保护，降低了驱动器损坏的风险，并且其稳定输入电压较高，适合电机运转时保持扭矩。

（4）自动半流电路

在电路中减少发热，就相当于减小电阻和电流，但是在实际操作中，并不可行，因此对于已经选定的步进电机，可以将自动半流电路加入。 自动半流主要是在电机处于静止状态或者电流很低甚至为零的状态时自动减小电流，保持电路的稳定性，减少谐波的产生。 本模块采用的芯片是SN74LS123，该芯片是常用的单稳态振荡器，在本模块的设计中主要为了检测脉冲信号的有无，在电源关系和通信系统中有着广泛的应用。 如果输出低电平，则表示没有检测到脉冲信号，在自动半流电路开启时，使主芯片的TQ引脚为低电平，实现减小电流、降低发热的目的。

（5）参考电压调整电路

该模块是用于提供参考电压信号的，实测输出参考电压范围是0.3～1.8 V，输出电流可以在0.7～4 A 之间进行调节。

（6）电机供电电路

本模块采用了8 个SS14 二极管对电机进行放电，该款二极管是一种具有低消耗、高效率、快速恢复的肖特基二极管。 一般情况下，用在电磁干扰滤波、开关电源中的后级稳压及线性稳压电路中。

（7）电源滤波电路

本模块的主要功能是将主芯片供电电压（volt current condenser，VCC）引脚的输入电压中的高噪声和杂波进行滤除。 根据电容器“隔直通交”的特性，可以抵消电路和负载产生的高频噪声，使电源的供应更加稳定。

1.2.3 FPGA 开发板选取

本设计在FPGA 开发板的基础上进行，采用的硬件开发平台是野火征途Pro 开发板，内含Cyclone IV 系列芯片，该系列芯片相较于其他芯片具有较高的性价比，被广泛应用于工业。

该开发板的硬件资源非常丰富， 含有主芯片EP4CE10F17C8、50 MHz 晶振、联合测试工作组（joint test action group，JTAG）下载接口、四个LED 显示灯、四个机械按键、六位八段数码管、3.3V 电源按键以及复位键等。

2 通信模块

本设计中含有四个通道，分别对应着四个步进电机，为了方便使用，在上位机输入速度、方向等指令，开发板接收到指令后，对指令进行识别然后按照要求将速度信息分别分配到各个通道，使得步进电机按照要求进行启动、转动和停止。 通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver／transmitter， UART）在通信的过程中，通过TXD、RXD 两根信号线就可以完成完整的信息传递。

2.1 串口接收模块

串口的通信标准有RS485、RS232 等，本设计采用的是RS232 通信标准。 串口作为常用的三大低速总线之一，在工业领域中有着非常广泛的应用。 串口在进行发送时，分别按照监测信号、方向信号以及频率信号进行传递。 本模块用于接收来自上位机的指令信息，将上位机发送的信号传递FPGA，其整体结构如图3 所示。

图3 串口接收模块示意图

其中，CLK 端口对应系统时钟，RST 端口对应系统复位，RS＿CLK 对应输入数据有效采样时刻的时钟，DATA 端口是接收到的串口数据，RX＿ENA 是有效数据到来的标志，DATA 是接收数据的寄存器，分别存储每路步进电机的速度和方向信息。

在工业系统中，串口接收占比很大，由于工业环境中存在大量的干扰，影响数据接收的准确性，大多数情况下会进行多次采样并加上校验位，验证数据的准确性。

2.2 步进电机控制模块

控制模块是对步进电机的运动状态进行控制，该模块由步进电机控制模块、脉冲生成模块、帧解析模块和步进电机使能模块组成，实现电机正反转、加减速、启动和停止等功能。 用户通过在上位机设定不同的目标频率来改变步进电机的转速［5］。 步进电机从启动到目标频率不是突然完成的，而是需要一个加速的过程，同理，从目标频率到停止需要一个减速的过程。

2.3 数据帧解析模块

本系统采用的是一帧数据的格式进行数据传送。 一帧信号有效数据是8 个字节，在忽略帧头和帧尾的情况下，分别为监测信号、方向信号和目标频率信号。 不包含数据校验部分。 通过用户在上位机发送不同的信号信息，将数据传递给寄存器当中。 帧格式如表1 所示。

表1 帧格式

本模块使用多个移位寄存器，实现先进先出，将数据进行存储。 控制模块按照监测信号将方向信息和频率信息分别分配到对应的通道中。 例如，假设置监测信号2 的电机反转，频率7 000 Hz，监测信号为0002。 7 000 换算为十六进制为1b58，因此对应发送的数据段为581b，最终发送的指令要加上帧头和帧尾。 电机运行的方向、频率等信息存储在移位寄存器中。 当数据接收完毕后，寄存器进行清零，重新开始接收下一个监测信号的数据。

（1）步进电机使能模块

在步进电机运行的过程中，帧解析模块将存储在寄存器当中的指令分别分配给不同的通道，然后步进电机从中读取频率和方向的信息。 由于电机是从静止开始运动，需要一个逐渐加速的过程，驱动脉冲的频率是从高到低进行变化的。

（2）步进电机驱动模块

该模块用来产生驱动电机的脉冲。 使能向驱动部分发送启动信号，以此来产生控制步进电机运行的前进脉冲，当该脉冲处于上升沿时，信号有效，步进电机进行运动。 为了使步进电机运行得更加稳定，在加速和减速的过程中加入分频计数器，每间隔固定时间产生一个高脉冲，随着间隔的逐渐减小，步进电机运行得更加平滑稳定。

3 结语

综上所述，本文主要研究了基于打火机生产线的机械臂运动轨迹规划和驱动系统硬件设计问题。 通过对打火机生产工艺的分析，确定了机械臂需要完成的动作和任务，而运动轨迹规划和驱动系统则是实现这些任务的关键。 在运动轨迹规划方面，考虑了生产效率、生产质量和人机安全等因素。 合理的运动轨迹规划能够提高生产效率，减少运动时间；同时，确保装配的准确性和稳定性。 需要利用运动轨迹规划算法，结合生产线的需求，制定出合适的运动轨迹规划方案。 在驱动系统的硬件设计方面，需要考虑电机控制、传感器检测和运动控制算法等因素。 驱动系统应能够精确控制机械臂的运动，并满足高速、高精度的要求。 通过研究和实验验证，为打火机生产线的自动化生产提供技术支持和解决方案。 合理的运动轨迹规划和驱动系统的硬件设计，能够提高生产线的效率和质量，同时确保操作人员的安全。