隨著工業(yè)生產(chǎn)線自動(dòng)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(dòng)。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(dòng)和教導(dǎo)模式下自動(dòng)生成NC程序等系統(tǒng)功能，配合臺(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)六軸機(jī)械手臂的控制系統(tǒng)和自動(dòng)生產(chǎn)線的技術(shù)改造。 

    一、技術(shù)要求和難點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)軸 

    在機(jī)械上，六軸機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)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(dòng)1:10的齒輪箱間接傳動(dòng)，做近似360度圓周運(yùn)動(dòng)，Y和Z軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺距10mm的滾珠絲杠，再連接力臂做近似120度圓周運(yùn)動(dòng)。這六個(gè)伺服軸要求能夠聯(lián)動(dòng)。

圖1 先進(jìn)的FMS柔性無人加工車間

    客戶要求在原有六軸機(jī)械手臂的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)伺服軸D通過絲杠用來拖動(dòng)機(jī)械手臂前后運(yùn)動(dòng)，使其能自由移動(dòng)到生產(chǎn)線的任何地方，但不要求聯(lián)動(dòng)控制。客戶還要求控制系統(tǒng)能夠控制七個(gè)軸，并且至少六軸聯(lián)動(dòng)，伺服軸運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)。此外，對(duì)于伺服控制系統(tǒng)，因?yàn)闄C(jī)械手臂在機(jī)械設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)械負(fù)載的慣量會(huì)因?yàn)闄C(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(duì)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(cè)反饋，來保證機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度。 

    3.NC加工程序處理 

    因?yàn)椴捎?FONT face=宋體>6自由度空間坐標(biāo)系，無法采用手動(dòng)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(dòng)生成NC加工程序，并能對(duì)自動(dòng)生成的NC程序進(jìn)行編輯和存儲(chǔ)。 

    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(gè)氣動(dòng)電磁閥動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)能，并能根據(jù)需要添加檢測(cè)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(jì)的可行性分析 

    通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)和控制技術(shù)要求分析，確定采用一臺(tái)中達(dá)電通六軸數(shù)控系統(tǒng)做上位控制器＋7套臺(tái)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(diǎn)： 

   （1）6個(gè)獨(dú)立伺服軸接口，能夠控制1～6軸聯(lián)動(dòng)，能夠滿足伺服軸運(yùn)動(dòng)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(shí)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(diǎn)，并能根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)生成NC加工程序，操作者可以方便的對(duì)生成的程序進(jìn)行編輯和閱讀。 

   （5）控制器內(nèi)存有240K存儲(chǔ)空間，可儲(chǔ)存1000個(gè)NC加工程序，配合標(biāo)準(zhǔn)的CNC鍵盤可輕松對(duì)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(jì)要求。 

   （8）配合外配的電子手搖輪可實(shí)現(xiàn)“加工程序手搖輪測(cè)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(tái)達(dá)交流伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： 

   （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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，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(tái)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(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、負(fù)載慣量、輸出扭矩的分析計(jì)算，故選用下列伺服：ASDA 3kW*1臺(tái)、ASDA 2kW*1臺(tái)、ASDA 1kW*2臺(tái)、ASDA 200W*2臺(tái)、ASDA 100kW*1臺(tái)，共7臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器做下位控制器。 

    三、方案功能的實(shí)現(xiàn)

    1.控制系統(tǒng)6AXIS＋1 AXIS的架構(gòu)如下圖：

圖2 64XIS+1 AXIS的控制架構(gòu)

    2.硬件的組成和6＋1的設(shè)計(jì)架構(gòu)實(shí)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(yùn)動(dòng)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(tái)達(dá)－A系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。其中ASDA 3kW*1臺(tái)、用于獨(dú)立控制機(jī)械D軸位移工作臺(tái)，拖動(dòng)機(jī)械手臂前后運(yùn)動(dòng)，使其能自由移動(dòng)到生產(chǎn)線的任何地方。其伺服控制模式采用臺(tái)達(dá)交流伺服獨(dú)有的PR控制模式。 

    它的命令來源為臺(tái)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(yùn)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(diǎn)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(hào)上升沿觸發(fā)后，伺服電機(jī)便會(huì)向給定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。 

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

    這六臺(tái)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(shí)時(shí)通過伺服驅(qū)動(dòng)器的PG分周比輸出OA/OB/OZ信號(hào)將伺服運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制的目的，來保證機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)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(dòng)和教導(dǎo)模式下，產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制伺服軸位移。 

    動(dòng)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(dòng)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(diǎn)等傳感器信號(hào)。 

    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(dòng)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(dòng)作。 

    按鈕、開關(guān)若干，提供各種傳感信號(hào)。 

    通過上述硬件配置和架構(gòu)設(shè)計(jì)，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(hào)來控制一個(gè)六軸的機(jī)械手臂和一個(gè)獨(dú)立的位移工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)了。 

    3.示教功能和手搖輪測(cè)試功能的實(shí)現(xiàn)

圖3 示教盒

    5.伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和指令平滑處理 

    對(duì)于伺服控制系統(tǒng)，因?yàn)樵跈C(jī)械設(shè)計(jì)上，機(jī)械手臂在機(jī)械設(shè)計(jì)上采用6自由度空間坐標(biāo)系，因而在六軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)械負(fù)載的慣量會(huì)因?yàn)闄C(jī)械力臂不同的而會(huì)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(duì)負(fù)載變化自適應(yīng)能力。 

    通過臺(tái)達(dá)-A系列伺服內(nèi)置的“自動(dòng)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(shí)，伺服在1HZ的開回路增益能夠保持穩(wěn)定，頻寬會(huì)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(huì)隨著負(fù)載慣量而有變化。

圖5 伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和指令平滑處理

    同時(shí)，對(duì)于機(jī)械手臂在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊，（特別是D軸，因?yàn)椴捎脙?nèi)部指令來源），通過激活臺(tái)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(duì)運(yùn)動(dòng)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。可以很好的改善電機(jī)加減速的特性，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)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(diǎn)，這也是中達(dá)數(shù)控系統(tǒng)和臺(tái)達(dá)伺服獨(dú)有的一個(gè)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(tái)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(dòng)化領(lǐng)域，完全能夠?yàn)榭蛻籼峁└袃r(jià)值、“量身定做”的整合方案。