數(shù)控系統(tǒng)和交流伺服在工業(yè)機(jī)械手臂上的應(yīng)用

　　針對目前工業(yè)生產(chǎn)線自動化程度不斷提高的現(xiàn)狀，本文主要介紹了中達(dá)電通六軸數(shù)控系統(tǒng)和臺達(dá)交流伺服在工業(yè)機(jī)械手臂上的技術(shù)應(yīng)用，突出了中達(dá)電通數(shù)控系統(tǒng)自有的豐富功能，并配合臺達(dá)伺服系統(tǒng)優(yōu)異性能，能夠為客戶提供有價值的整合方案。

　　隨著工業(yè)生產(chǎn)線自動化程度的提高，并日趨向柔性化發(fā)展。工業(yè)機(jī)械手臂被越來越多的應(yīng)用在涂漆、包裝、焊接、裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，來代替人工完成惡劣環(huán)境下的勞動。本案介紹了利用中達(dá)電通六軸數(shù)控系統(tǒng)的六軸聯(lián)動和教導(dǎo)模式下自動生成NC程序等系統(tǒng)功能，配合臺達(dá)ASDA系列交流伺服強(qiáng)健控制和內(nèi)置的位置指令寄存器功能，來實現(xiàn)對六軸機(jī)械手臂的控制系統(tǒng)和自動生產(chǎn)線的技術(shù)改造。

一、技術(shù)要求和難點分析

　　客戶采購該六軸機(jī)械手臂，用于變壓器生產(chǎn)流水線的點膠、浸漆和烘干工序。原型機(jī)為日本制造，因控制系統(tǒng)損壞無法修復(fù)，故提出改造要求，并且需要控制系統(tǒng)和伺服滿足如下條件：

1.伺服運動軸
　　在機(jī)械上，六軸機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)上設(shè)計為6自由度空間坐標(biāo)系。其中X、A、B、C軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動1:10的齒輪箱間接傳動，做近似360度圓周運動，Y和Z軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動螺距10mm的滾珠絲杠，再連接力臂做近似120度圓周運動。這六個伺服軸要求能夠聯(lián)動。

　　客戶要求在原有六軸機(jī)械手臂的基礎(chǔ)上，再增加一個伺服軸D通過絲杠用來拖動機(jī)械手臂前后運動，使其能自由移動到生產(chǎn)線的任何地方，但不要求聯(lián)動控制�？蛻暨�要求控制系統(tǒng)能夠控制七個軸，并且至少六軸聯(lián)動，伺服軸運動速度可調(diào)。此外，對于伺服控制系統(tǒng)，因為機(jī)械手臂在機(jī)械設(shè)計上采用6自由度空間坐標(biāo)系，而區(qū)別于普通的直角坐標(biāo)機(jī)械手臂機(jī)械。因而在運動過程中，機(jī)械負(fù)載的慣量會因為機(jī)械力臂的不同而發(fā)生較大范圍的變化，這就要求伺服系統(tǒng)具有優(yōu)異穩(wěn)定性、響應(yīng)性和對負(fù)載變化自適應(yīng)能力。

2.精度要求
　　機(jī)械回零精度：+/-1度。
　　重復(fù)定位精度：+/-1度。
　　定位精度：2mm。
　　要求控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)能夠具有檢測反饋，來保證機(jī)械運動精度。

3.NC加工程序處理
　　因為采用6自由度空間坐標(biāo)系，無法采用手動編程和軟件編程。因而需要控制系統(tǒng)具有示教功能或者學(xué)習(xí)功能，能夠根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動生成NC加工程序，并能對自動生成的NC程序進(jìn)行編輯和存儲。

4.輔助功能

　　在輔助功能上，要求控制系統(tǒng)能夠通過NC指令來控制多個氣動電磁閥動作來實現(xiàn)機(jī)械機(jī)能，并能根據(jù)需要添加檢測開關(guān)。

5.安全保護(hù)

　　在安全保護(hù)方面，除要求控制器可靠的穩(wěn)定性外，還要求控制系統(tǒng)具有必要的安全保護(hù)功能。

二、方案設(shè)計的可行性分析

　　通過對機(jī)械設(shè)計和控制技術(shù)要求分析，確定采用一臺中達(dá)電通六軸數(shù)控系統(tǒng)做上位控制器＋7套臺達(dá)交流伺服做下位控制器的6AXIS＋1 AXIS的控制架構(gòu)，具體分析如下：

1.中達(dá)電通六軸數(shù)控系統(tǒng)的主要特點：
　�。�1）6個獨立伺服軸接口，能夠控制1～6軸聯(lián)動，能夠滿足伺服軸運動控制要求。
　　（2）電壓命令型 （V-Command） 伺服接口，最小解析精度0.001mm，可配合光柵尺或旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)閉環(huán)、半閉環(huán)控制，能夠滿足精度要求。
　�。�3）最大響應(yīng)速度500KPPS編碼器反饋，能夠滿足快速定位的需求。
　�。�4）具有教導(dǎo)模式，能夠記錄下當(dāng)前的機(jī)械坐標(biāo)點，并能根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動生成NC加工程序，操作者可以方便的對生成的程序進(jìn)行編輯和閱讀。
　�。�5）控制器內(nèi)存有240K存儲空間，可儲存1000個NC加工程序，配合標(biāo)準(zhǔn)的CNC鍵盤可輕松對加工程序進(jìn)行編輯。
　　（6）通過六軸數(shù)控簡易I/0控制指令和內(nèi)置PLC開發(fā)，能夠靈活的通過NC程序?qū)崿F(xiàn)輔助機(jī)能。
　�。�7）內(nèi)置可編程PLC，標(biāo)準(zhǔn)配置為24INPUT/ 16OUTPUT，最大可擴(kuò)展到96INPUT/64OUTPUT，完全能夠滿足電氣互鎖、行程保護(hù)、緊急停止等安全電路的設(shè)計要求。
　�。�8）配合外配的電子手搖輪可實現(xiàn)“加工程序手搖輪測試”功能，防止機(jī)械撞機(jī)。
　　通過比較分析，中達(dá)電通六軸數(shù)控系統(tǒng)完全能夠滿足作為機(jī)械手臂上位控制器要求。

2.臺達(dá)交流伺服系統(tǒng)的主要特點：
　�。�1）具有多種控制模式，可與上位控制器靈活配合，應(yīng)用廣泛。
　　（2）通過伺服內(nèi)置的運動控制器和外部的I/O來自由規(guī)劃的8組位置指令寄存器是實現(xiàn)對機(jī)械第七軸（D軸）控制的關(guān)鍵。
　　（3）強(qiáng)健式的控制模式，在負(fù)載慣量大范圍的變化時，系統(tǒng)仍然可以保持優(yōu)異的性能。
　�。�4）具有位置P-CURVE和速度S-CURVE平滑功能，且命令來源不論是外部模擬量輸入還是內(nèi)部寄存器設(shè)定均有平滑功能。
　　（5）豐富的軟件功能，方便用戶用調(diào)試。

　　通過比較分析，臺達(dá)交流伺服系統(tǒng)也完全能夠滿足作為機(jī)械手臂做下位控制器要求。

　　通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)、負(fù)載慣量、輸出扭矩的分析計算，故選用下列伺服：ASDA 3kW＊1臺、ASDA 2kW＊1臺、ASDA 1kW＊2臺、ASDA 200W＊2臺、ASDA 100kW＊1臺，共7臺伺服驅(qū)動器做下位控制器。

三、方案功能的實現(xiàn)

1.控制系統(tǒng)6AXIS＋1 AXIS的架構(gòu)

　　　　　　　　
2.硬件的組成和6＋1的設(shè)計架構(gòu)實現(xiàn)

　　控制系統(tǒng)的硬件部分主要有CNC數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和其他輔助元件三部分組成。

（1）CNC數(shù)控系統(tǒng)
　　數(shù)控系統(tǒng)選用中達(dá)六軸數(shù)控系統(tǒng)，它是機(jī)械手臂的控制中心，除具有線性插補(bǔ)等運動控制外，還能夠進(jìn)行畫面顯示、參數(shù)設(shè)定、程序編輯、PLC邏輯控制等。

（2）伺服系統(tǒng)
　　伺服系統(tǒng)選用7套臺達(dá)－A系列交流伺服驅(qū)動器和電機(jī)。其中ASDA 3kW＊1臺、用于獨立控制機(jī)械D軸位移工作臺，拖動機(jī)械手臂前后運動，使其能自由移動到生產(chǎn)線的任何地方。其伺服控制模式采用臺達(dá)交流伺服獨有的PR控制模式。

　　它的命令來源為臺達(dá)交流伺服位置指令寄存器8組內(nèi)部位置指令（參數(shù)P1-15～P1-30設(shè)定），伺服電機(jī)運轉(zhuǎn)的速度則由參數(shù)P1-36～P1-43設(shè)定。

　　通過數(shù)控系統(tǒng)I/O輸出OUTPUT點Y0-Y3，配合伺服CN1接口的I/O，POS0～POS2與GTRG，就可以選擇8組中的一組來當(dāng)成位置指令來源。當(dāng)伺服CTRG信號上升沿觸發(fā)后，伺服電機(jī)便會向給定目標(biāo)運動。

　　其余6臺伺服分別為：ASDA 2kW＊1臺，控制機(jī)械手臂X軸空間移動；ASDA 1kW＊2臺，控制機(jī)械手臂Y、Z軸的空間移動；ASDA 200W＊2 臺，控制機(jī)械手臂A、B軸的空間移動；ASDA 100kW＊1臺，控制機(jī)械手臂C軸的空間移動。

　　這六臺伺服采用的是速度控制模式，數(shù)控系統(tǒng)的伺服軸口輸出 +/-10V的模擬量電壓來控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并實時通過伺服驅(qū)動器的PG分周比輸出OA/OB/OZ信號將伺服運動狀態(tài)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，來實現(xiàn)半閉環(huán)控制的目的，來保證機(jī)械手臂的運動精度。

（3）其他輔助元件

其他輔助元件主要有：
　　電子脈沖發(fā)生器（MPG手搖輪），規(guī)格DC5V，在手動和教導(dǎo)模式下，產(chǎn)生脈沖信號控制伺服軸位移。
　　動力變壓器，規(guī)格7.5kVA三相380V/三相220V，作用是給伺服系統(tǒng)提供動力電源。
　　控制變壓器，規(guī)格500VA，AC380V/AC220V，作用是給數(shù)控和伺服系統(tǒng)提供控制電源。
　　開關(guān)電源，規(guī)格500VA，DC24V，AC220V/DC24V，作用是給控制回路提供直流控制電源。
　　INPUT輸入板，規(guī)格NPN型，可以連接按鈕、行程開關(guān)、繼電器觸點等傳感器信號。
　　OUTPUT輸出板，規(guī)格NPN型，作用是控制中間繼電器、微型電磁閥等DC24V負(fù)載。
　　中間繼電器，規(guī)格DC24V，增加OUTPUT輸出板的容量，線路保護(hù)。
　　氣動電磁閥，規(guī)格DC24V，控制機(jī)械手夾緊氣缸和生產(chǎn)線其他輔助動作。
　　按鈕、開關(guān)若干，提供各種傳感信號。

　　通過上述硬件配置和架構(gòu)設(shè)計，中達(dá)電通六軸數(shù)控系統(tǒng)便能夠通過速度模擬量電壓命令和外部的I/O輸出信號來控制一個六軸的機(jī)械手臂和一個獨立的位移工作臺運動了。

3.示教功能和手搖輪測試功能的實現(xiàn)
 　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　示教盒

　　中達(dá)六軸數(shù)控系統(tǒng)具有“示教和手搖輪測試”功能，通過必要的PLC編輯便可以激活這兩個功能，方便編譯和效驗程序。

　　當(dāng)配合外部I/O和電子手搖輪，激活“示教”功能后，六軸機(jī)械手臂的工作方式是按“示教學(xué)習(xí)→生成NC程序→編輯修改NC程序→機(jī)械手臂再現(xiàn)執(zhí)行”的過程來完成的，即由人用示教盒對機(jī)械手臂工作行為示教。示教過程中，數(shù)控系統(tǒng)會記錄下機(jī)械手臂各運動關(guān)節(jié)終點的位置信息，并以NC代碼的形式顯示在CRT熒屏上。

　　當(dāng)機(jī)械手臂完成一個示教流程結(jié)束后，數(shù)控系統(tǒng)便會以NC代碼的形式記錄下一個數(shù)據(jù)隊列。用戶可以通過數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)CNC鍵盤對當(dāng)前的NC程序進(jìn)行必要的編輯，如添加運動速度，數(shù)控外部I/O控制等指令，這樣數(shù)控系統(tǒng)便生成了機(jī)械手臂工作所需要的完整信息。

　　當(dāng)完成編輯后，激活數(shù)控系統(tǒng)的“自動運行”功能，數(shù)控系統(tǒng)便能自動依次讀取這個數(shù)據(jù)隊列和指令信息，并傳達(dá)給下位伺服控制器和數(shù)控外部I/O控制機(jī)械手臂動作。

　　當(dāng)我們對“示教”生成的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編輯完成后，在執(zhí)行“自動運行”功能前，可以通過激活“手搖輪測試”功能，來再次校正編輯完的程序。

　　當(dāng)“手搖輪測試”功能被激活后，機(jī)械手臂會按照先前編輯的指令信息再現(xiàn)動作。伺服軸的運動速度由手搖輪的轉(zhuǎn)動速度和MPG的倍率所決定，當(dāng)手搖輪停止轉(zhuǎn)動，伺服軸也會停止進(jìn)給；如繼續(xù)轉(zhuǎn)動，伺服軸會繼續(xù)執(zhí)行動作，從而有效防止機(jī)械撞機(jī)。

　　測試完成后，激活“自動運行”功能，機(jī)械手臂便會按照程序中設(shè)定的速度正常運行。

4.靈活的外部I/O控制和輔助機(jī)能的實現(xiàn)

　　機(jī)械手臂的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由電磁閥控制氣體驅(qū)動氣動缸完成機(jī)械手指的夾緊和放松動作。

　　對于中達(dá)電通六軸數(shù)控系統(tǒng)的靈活外部I/O控制，不但可以通過對數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的PLC程序編輯來完成，還能夠通過在NC程序中直接插入適當(dāng)?shù)暮喴譏/0控制指令來實現(xiàn)。

　　如G11 P1＊＊＊指定OUTPUT＊＊＊ON，下“RESET”指令無效。G12 P＊＊＊等待INPUT＊＊＊ON，程序才執(zhí)行下一節(jié)指令，等等，通過這些指令用戶可以靈活的實現(xiàn)外部I/O控制。

　　機(jī)械手臂工作流程和NC編程如圖：
 　　　　　　
                                                                        工作流程

5.伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和指令平滑處理

　　對于伺服控制系統(tǒng)，因為在機(jī)械設(shè)計上，機(jī)械手臂在機(jī)械設(shè)計上采用6自由度空間坐標(biāo)系，因而在六軸同時運動過程中，機(jī)械負(fù)載的慣量會因為機(jī)械力臂不同的而會發(fā)生較大范圍的變化，這就要求伺服系統(tǒng)具有優(yōu)異穩(wěn)定性，響應(yīng)性和對負(fù)載變化自適應(yīng)能力。

　　通過臺達(dá)-A系列伺服內(nèi)置的“自動增益調(diào)節(jié)功能（PDFF強(qiáng)健式控制模式，參數(shù)2－32）”就能達(dá)到理想的調(diào)試效果，在此調(diào)節(jié)模式下，當(dāng)負(fù)載的慣量在一定范圍內(nèi)任意變化時，伺服在1HZ的開回路增益能夠保持穩(wěn)定，頻寬會隨著負(fù)載慣量變化而做相應(yīng)的調(diào)整，仍可以保持良好的相位邊界，使得伺服的穩(wěn)態(tài)追隨誤差不會隨著負(fù)載慣量而有變化。

　　同時，對于機(jī)械手臂在運轉(zhuǎn)時機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊，（特別是D軸，因為采用內(nèi)部指令來源），通過激活臺達(dá)-A系列伺服內(nèi)置的CURVE平滑功能（參數(shù)1－34～1－36）來得到很好的解決。位置P-CURVE和速度S－CURVE平滑功能，可以對運動命令進(jìn)行平滑處理，使得電機(jī)所產(chǎn)生的速度和加速度是連續(xù)的�？梢院芎玫母纳齐姍C(jī)加減速的特性，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的運轉(zhuǎn)上也更加平順。

　　　　 
四、結(jié)束語

　　基于以上架構(gòu)的機(jī)械手控制方案具有控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性高、用戶操作靈活的優(yōu)點，這也是中達(dá)數(shù)控系統(tǒng)和臺達(dá)伺服獨有的一個典型應(yīng)用。

　　利用中達(dá)六軸數(shù)控系統(tǒng)自有的一些豐富功能，配合臺達(dá)伺服系統(tǒng)優(yōu)異性能，可以被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化領(lǐng)域，完全能夠為客戶提供更有價值、“量身定做”的整合方案。