中達電通六軸數控系統和臺達交流伺服在工業機械手臂上的應用
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針對目前工業生產線自動化程度不斷提高的現狀，本文主要介紹了中達電通六軸數控系統和臺達交流伺服在工業機械手臂上的技術應用，突出了中達電通數控系統自有的豐富功能，并配合臺達伺服系統優異性能，能夠為客戶提供有價值的整合方案。
隨著工業生產線自動化程度的提高，并日趨向柔性化發展。工業機械手臂被越來越多的應用在涂漆、包裝、焊接、裝配等生產環節，來代替人工完成惡劣環境下的勞動。本案介紹了利用中達電通六軸數控系統的六軸聯動和教導模式下自動生成NC程序等系統功能，配合臺達ASDA系列交流伺服強健控制和內置的位置指令寄存器功能，來實現對六軸機械手臂的控制系統和自動生產線的技術改造。 一、技術要求和難點分析 客戶采購該六軸機械手臂，用于變壓器生產流水線的點膠、浸漆和烘干工序。原型機為日本制造，因控制系統損壞無法修復，故提出改造要求，并且需要控制系統和伺服滿足如下條件： 1.伺服運動軸 在機械上，六軸機械手臂結構上設計為6自由度空間坐標系。其中X、A、B、C軸采用伺服電機驅動1:10的齒輪箱間接傳動，做近似360度圓周運動，Y和Z軸采用伺服電機驅動螺距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動。
圖1 先進的FMS柔性無人加工車間 客戶要求在原有六軸機械手臂的基礎上，再增加一個伺服軸D通過絲杠用來拖動機械手臂前后運動，使其能自由移動到生產線的任何地方，但不要求聯動控制。客戶還要求控制系統能夠控制七個軸，并且至少六軸聯動，伺服軸運動速度可調。此外，對于伺服控制系統，因為機械手臂在機械設計上采用6自由度空間坐標系，而區別于普通的直角坐標機械手臂機械。因而在運動過程中，機械負載的慣量會因為機械力臂的不同而發生較大范圍的變化，這就要求伺服系統具有優異穩定性、響應性和對負載變化自適應能力。 2.精度要求 機械回零精度：+/-1度。 重復定位精度：+/-1度。 定位精度：2mm。 要求控制系統和伺服系統能夠具有檢測反饋，來保證機械運動精度。 3.NC加工程序處理 因為采用6自由度空間坐標系，無法采用手動編程和軟件編程。因而需要控制系統具有示教功能或者學習功能，能夠根據采集的數據自動生成NC加工程序，并能對自動生成的NC程序進行編輯和存儲。 4.輔助功能 在輔助功能上，要求控制系統能夠通過NC指令來控制多個氣動電磁閥動作來實現機械機能，并能根據需要添加檢測開關。 5.安全保護 在安全保護方面，除要求控制器可靠的穩定性外，還要求控制系統具有必要的安全保護功能。 二、方案設計的可行性分析 通過對機械設計和控制技術要求分析，確定采用一臺中達電通六軸數控系統做上位控制器＋7套臺達交流伺服做下位控制器的6AXIS＋1 AXIS的控制架構，具體分析如下： 1.中達電通六軸數控系統的主要特點： （1）6個獨立伺服軸接口，能夠控制1～6軸聯動，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編碼器實現閉環、半閉環控制，能夠滿足精度要求。 （3）最大響應速度500KPPS編碼器反饋，能夠滿足快速定位的需求。 （4）具有教導模式，能夠記錄下當前的機械坐標點，并能根據采集的數據自動生成NC加工程序，操作者可以方便的對生成的程序進行編輯和閱讀。 （5）控制器內存有240K存儲空間，可儲存1000個NC加工程序，配合標準的CNC鍵盤可輕松對加工程序進行編輯。 （6）通過六軸數控簡易I/0控制指令和內置PLC開發，能夠靈活的通過NC程序實現輔助機能。 （7）內置可編程PLC，標準配置為24INPUT/ 16OUTPUT，最大可擴展到96INPUT/64OUTPUT，完全能夠滿足電氣互鎖、行程保護、緊急停止等安全電路的設計要求。 （8）配合外配的電子手搖輪可實現“加工程序手搖輪測試”功能，防止機械撞機。 通過比較分析，中達電通六軸數控系統完全能夠滿足作為機械手臂上位控制器要求。 2.臺達交流伺服系統的主要特點： （1）具有多種控制模式，可與上位控制器靈活配合，應用廣泛。 （2）通過伺服內置的運動控制器和外部的I/O來自由規劃的8組位置指令寄存器是實現對機械第七軸（D軸）控制的關鍵。 （3）強健式的控制模式，在負載慣量大范圍的變化時，系統仍然可以保持優異的性能。 （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部寄存器設定均有平滑功能。 （5）豐富的軟件功能，方便用戶用調試。 通過比較分析，臺達交流伺服系統也完全能夠滿足作為機械手臂做下位控制器要求。通過對機械結構、負載慣量、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臺伺服驅動器做下位控制器。 三、方案功能的實現 1.控制系統6AXIS＋1 AXIS的架構如下圖：
圖2 64XIS+1 AXIS的控制架構 2.硬件的組成和6＋1的設計架構實現 控制系統的硬件部分主要有CNC數控系統、伺服系統和其他輔助元件三部分組成。 （1）CNC數控系統 數控系統選用中達六軸數控系統，它是機械手臂的控制中心，除具有線性插補等運動控制外，還能夠進行畫面顯示、參數設定、程序編輯、PLC邏輯控制等。 （2）伺服系統 伺服系統選用7套臺達－A系列交流伺服驅動器和電機。其中ASDA 3kW*1臺、用于獨立控制機械D軸位移工作臺，拖動機械手臂前后運動，使其能自由移動到生產線的任何地方。其伺服控制模式采用臺達交流伺服獨有的PR控制模式。 它的命令來源為臺達交流伺服位置指令寄存器8組內部位置指令（參數P1-15~P1-30設定），伺服電機運轉的速度則由參數P1-36~P1-43設定。 通過數控系統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組中的一組來當成位置指令來源。當伺服CTRG信號上升沿觸發后，伺服電機便會向給定目標運動。 其余6臺伺服分別為：ASDA 2kW*1臺，控制機械手臂X軸空間移動；ASDA 1kW*2臺，控制機械手臂Y、Z軸的空間移動；ASDA 200W*2 臺，控制機械手臂A、B軸的空間移動；ASDA 100kW*1臺，控制機械手臂C軸的空間移動。 這六臺伺服采用的是速度控制模式，數控系統的伺服軸口輸出 +/-10V的模擬量電壓來控制伺服電機旋轉，并實時通過伺服驅動器的PG分周比輸出OA/OB/OZ信號將伺服運動狀態反饋給數控系統，來實現半閉環控制的目的，來保證機械手臂的運動精度。 （3）其他輔助元件 其他輔助元件主要有： 電子脈沖發生器（MPG手搖輪），規格DC5V，在手動和教導模式下，產生脈沖信號控制伺服軸位移。 動力變壓器，規格7.5kVA三相380V/三相220V，作用是給伺服系統提供動力電源。 控制變壓器，規格500VA，AC380V/AC220V，作用是給數控和伺服系統提供控制電源。 開關電源，規格500VA，DC24V，AC220V/DC24V，作用是給控制回路提供直流控制電源。 INPUT輸入板，規格NPN型，可以連接按鈕、行程開關、繼電器觸點等傳感器信號。 OUTPUT輸出板，規格NPN型，作用是控制中間繼電器、微型電磁閥等DC24V負載。 中間繼電器，規格DC24V，增加OUTPUT輸出板的容量，線路保護。 氣動電磁閥，規格DC24V，控制機械手夾緊氣缸和生產線其他輔助動作。 按鈕、開關若干，提供各種傳感信號。 通過上述硬件配置和架構設計，中達電通六軸數控系統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
圖3 示教盒 中達六軸數控系統具有“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。 當配合外部I/O和電子手搖輪，激活“示教”功能后，六軸機械手臂的工作方式是按“示教學習→生成NC程序→編輯修改NC程序→機械手臂再現執行”的過程來完成的，即由人用示教盒對機械手臂工作行為示教。示教過程中，數控系統會記錄下機械手臂各運動關節終點的位置信息，并以NC代碼的形式顯示在CRT熒屏上。 當機械手臂完成一個示教流程結束后，數控系統便會以NC代碼的形式記錄下一個數據隊列。用戶可以通過數控系統的標準CNC鍵盤對當前的NC程序進行必要的編輯，如添加運動速度，數控外部I/O控制等指令，這樣數控系統便生成了機械手臂工作所需要的完整信息。 當完成編輯后，激活數控系統的“自動運行”功能，數控系統便能自動依次讀取這個數據隊列和指令信息，并傳達給下位伺服控制器和數控外部I/O控制機械手臂動作。 當我們對“示教”生成的數據信息進行編輯完成后，在執行“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“手搖輪測試”功能被激活后，機械手臂會按照先前編輯的指令信息再現動作。伺服軸的運動速度由手搖輪的轉動速度和MPG的倍率所決定，當手搖輪停止轉動，伺服軸也會停止進給；如繼續轉動，伺服軸會繼續執行動作，從而有效防止機械撞機。 測試完成后，激活“自動運行”功能，機械手臂便會按照程序中設定的速度正常運行。 4.靈活的外部I/O控制和輔助機能的實現 機械手臂的末端執行機構是由電磁閥控制氣體驅動氣動缸完成機械手指的夾緊和放松動作。 對于中達電通六軸數控系統的靈活外部I/O控制，不但可以通過對數控系統內部的PLC程序編輯來完成，還能夠通過在NC程序中直接插入適當的簡易I/0控制指令來實現。 如G11 P1＊＊＊指定OUTPUT＊＊＊ON，下“RESET”指令無效。G12 P＊＊＊等待INPUT＊＊＊ON，程序才執行下一節指令，等等，通過這些指令用戶可以靈活的實現外部I/O控制。 機械手臂工作流程和NC編程如圖四：
5.伺服系統的調節和指令平滑處理 對于伺服控制系統，因為在機械設計上，機械手臂在機械設計上采用6自由度空間坐標系，因而在六軸同時運動過程中，機械負載的慣量會因為機械力臂不同的而會發生較大范圍的變化，這就要求伺服系統具有優異穩定性，響應性和對負載變化自適應能力。 通過臺達-A系列伺服內置的“自動增益調節功能（PDFF強健式控制模式，參數2－32）”就能達到理想的調試效果，在此調節模式下，當負載的慣量在一定范圍內任意變化時，伺服在1HZ的開回路增益能夠保持穩定，頻寬會隨著負載慣量變化而做相應的調整，仍可以保持良好的相位邊界，使得伺服的穩態追隨誤差不會隨著負載慣量而有變化。
圖5 伺服系統的調節和指令平滑處理 同時，對于機械手臂在運轉時機械結構產生的沖擊，（特別是D軸，因為采用內部指令來源），通過激活臺達-A系列伺服內置的CURVE平滑功能（參數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，可以對運動命令進行平滑處理，使得電機所產生的速度和加速度是連續的。可以很好的改善電機加減速的特性，在機械結構的運轉上也更加平順。 四、結束語 基于以上架構的機械手控制方案具有控制精度高、系統穩定性高、用戶操作靈活的優點，這也是中達數控系統和臺達伺服獨有的一個典型應用。 利用中達六軸數控系統自有的一些豐富功能，配合臺達伺服系統優異性能，可以被廣泛應用于各種工業自動化領域，完全能夠為客戶提供更有價值、“量身定做”的整合方案。 |
