機械臂的控制系統設計初探

張水龍

（中冶華天工程技術有限公司，江蘇 南京 210019）

在鋼鐵冶金領域，存在著多種高溫高壓甚至有毒氣體的場合，隨著國家對智能制造2025 的整體要求，也要求在鋼鐵冶金工業生產過程中大規模使用機械人來替代危險場所勞動工人，因此，研究機械臂控制系統設計也具有更直接應用的實際意義。機器人在目前發展過程中，其智能化標準更高。特別是隨著機器人研究領域的深入探討，對機器人的仿真技術、代碼模塊化等提出了較高要求。尤其是機械臂控制系統的設計，總體上更加優化，值得我們有效學習。

1 機械臂功能

機械臂的功能主要表現為五個方面：第一，正常的旋轉功能。在對機械臂的各個零部件進行檢測的過程中，一定要確保機械臂是能夠旋轉的，這樣照相機才能更合理地移到相對應的位置上，且有效檢測該位置是否已經完成了零件的安裝，保證拍攝工作的積極執行，也能更為合理地明確具體情況。第二，示教功能。該功能只需要工人利用觸摸屏就能輕松完成，為了使機械臂能夠進行運動，只要按摸一次觸摸屏，就能運動一下，這樣三個點的檢測工作都能積極完成。第三，在現功能。在觸摸屏上，觸摸自動運行按鈕，機械臂就能有效運動，且一次性地完成零件檢測工作和拍照工作。第四，檢測功能。在機械臂實際運動的時候，且到達各個零件位置，就能進行有效的檢測工作。并且，在機械臂前端安裝的照相機，就能發揮自己的拍照和照片信息送回現象。第五，報警功能。在實際檢測過程中，如果發展在零部件安裝的位置未存在零件，期間，系統就能主動發出報警信息。如果檢測期間發現已經安裝了零件，則不會發出報警信息，直接會進入下一個檢測工作中。

2 機械臂的結構

機械臂中的人手部在實際工作中，如果能在各個空間和各個位置上形成各種姿態，機器人一定要能夠達到6個自由度。比如，在寫字的時候，只需要將筆夾緊，不能松開，這時候，可以將末端的6個關節去掉。為了能在分析中提供更大方便，可以首先使用matlab 對機械臂的結構進行建模。具體的機械臂建模工作中，需要使用四個參數，其中，主要的參數內容包括連桿長度、連桿扭角、兩連桿距離和兩連桿的夾角。其中，連桿的長度，主要是在連桿上關節軸線之間存在的最小距離。對于連桿扭角，主要是兩個關節軸線之間的夾角。對于杵距離，是兩個關節軸上，兩個法線之間的距離。對于兩連桿的夾角，是在關節軸上，兩個法線之間的夾角。對于機械臂的結構設計，為了保證機械臂關節發揮模塊化和簡單化效果，在實際設計中，可以利用電機與減速器之間連接，形成減速器和臂體連接結構。這種連接方式中間需要的零件比較少，所以，變量和回程間隙也比較小，整個結構剛度更高。在對關鍵部件進行選型期間，首先，要予以關節負載的估算，因為各個關節動態參數為元件選擇、關節傳動零件選擇中最主要的部分，利用機器人動力學的有關知識，實現各個動力參數的計算。一般情況下，主要使用靜力學方法和動力學方法，特別是速度較低的機械，運行期間，因為慣性帶來的動載荷比較小，所以，更適合使用靜力學方法。相反，如果是運行速度較高的機械，由于動載荷比較大，則可以給予靜載荷和動載荷的分析，保證動力學計算結果更合理。

3 確定機械臂的總方案

第一，詳細確定出機械系統方案。在對機械臂實際設計的時候，可以使用步進驅動器、步進電機。這種方式下，發現4 自由度機械臂能夠此次條件，其組成部分就是四個步進驅動器和四個步進電機。不僅如此，4 自由度機械臂也包括三個旋轉自由度和一個移動自由度。

第二，對電氣控制系統的設計。為了對四個步進電機的實際運動情況進行控制，使用可編程控制輸出脈沖，保證觸摸屏和可編程控制器之間的相互連接。因為要對機械臂的運動進行控制，主要是利用觸摸屏來實現。因為機械臂的使用功能是對各個零件的缺失情況詳細檢測，如果發現檢測完成后，其結果未有明顯的缺失情況，就能自動進行下一個位置的檢測。如果發現該位置出現明顯的零部件檢測現象，系統則會發出警報，且工人在期間能夠補上已經缺失的零件。不僅如此，還確定了機械臂的實際運動情況，利用步進驅動器和步進電機，都能有效實現，步進驅動器和步進電機之間是相互聯系的，為了保證步進電機的驅動，使用可編程控制器能夠有效實現，并且，對于可編程控制器，使用中，內部的輸入端和觸摸屏之間也是相互聯系的，利用觸摸屏上的按鈕，能實現可編程控制器的輸入，也能使可編程控制器進行輸出，以促使機械臂整體運動情況的積極控制。

在對機械臂系統進行設計期間，基于STM32 微處理器，利用STM32 強大的運算能力和處理能力，結合單CPU 集中控制方式，能夠滿足具體要求。如圖1 所示，是機械臂控制系統使用了CPU 集中控制方式，期間，利用計算機來發送指令，進行運動軌跡的規劃和整個系統管理操作等工作。計算機在J-Link 仿真器程序下，下載STM32 微處理器，且對控制系統發出指令，隨后，STM32 微處理器會輸出PWM 波，保證機械臂的各個關節都能按照一定的運動軌跡和位置等進行轉動，也能保證相關搬運任務的積極完成。

圖1 機械臂控制系統結構圖

4 機械系統設計中的器件選擇

4.1 選擇步進電機

為了促使機械臂的有效運行，步進電動機的使用是非常重要的。所以，在實際選擇過程中，要加強對步進電機型號的分析。比如，kinco 步進電機的利用，能夠按照一定的流程圖，實現扭矩的計算，促使步進電機型號的積極選擇，其中，根據計算公式，對扭矩進行計算。

4.2 選擇步進驅動器

在步進電動機選擇完成后，為了能夠與可編程控制器相互鏈接，可以在plc 和步進電機之間增加步進驅動器。要保證步進電機和步進驅動器的選擇，需要結合相關的選型手冊，給予步進驅動器型號的選擇。比如，先結合選型表，再促使步進電機的選擇。其中，主要的步進驅動器型號為2CM880，2CM545。

4.3 機械運動設計

4.3.1 確認4 自由度機械臂的機械運動方式

機械臂的實際運動，要能夠滿足三種條件。總體上可以對4 自由度機械臂進行有效劃分，形成三個旋轉運動和一個移動運動。對于三個旋轉運動中使用的電機，主要對A 軸、B 軸和C 軸的正反轉進行控制。對于一個移動運動，主要對軸的升降進行控制。并且，還需要將照相機放在軸的前端位置，保證在檢測過程中能夠進行拍照，也能更為詳細地判斷出各個零部件時候未有效安裝。

4.3.2 三維軟件的使用

利用Solidworks 軟件，能夠對機械臂的零件圖進行繪制。其中，要先對機械臂的零部件圖進行繪制，實際繪制的時候，首先，雙擊三維繪圖軟件Solidworks 圖圖標，將該軟件打開。然后，新建文件，選擇其中的零件繪制。期間可以給予草圖的繪制，對零件草圖進行繪制，加強零件繪制工作的積極選擇，最后，退出草圖。不僅如此，還需要給予拉伸和旋轉，增加對材料的編制，在完成零件圖繪制工作中，需要對其另存為，保證在進行裝配的時候方便添加。

4.3.3 使用Solidworks 實現零件裝配

具體的執行步驟如下：（1）將Solidworks 三維繪圖軟件打開。（2）進行文件新建，并對裝配體進行選擇。（3）進行裝配體，點擊對文件夾瀏覽，對剛進行的零件另保存，但是，這些文件最好放在統一的文件夾中，這樣所有的零件也能夠方便添加。（4）開始對各個零件進行裝配，保證能達到一個整體。（5）詳細分析各個部分，研究具體哪個部分是動的，哪個部分不是動的，尤其在配合的時候，更應該注意到。（6）對于4 自由度機械臂，在進行裝配的時候，主要將其分為四個部分，首先，要從底座開始進行裝配；然后，是三個旋轉副；最后，裝配移動副。

4.3.4 使用Solidworks 軟件進行仿真

Solidworks三維仿真軟件在使用過程中，具體的步驟為，首先，將Solidworks 三維繪圖軟件打開，然后，打開菜單欄，并在其中執行文件的打開命令，同時，也要將裝配體打開。最后，給予仿真設置。

5 結語

基于以上的分析和探究，發現機械臂在工廠中的利用不僅能使工廠達到現代化建設，也能使工廠在積極生產中獲得更高經濟效益。所以，分析機械臂控制系統設計，保證能投入更多的工業機器人，以促使應用價值的提升和獲取。