六轴数控系统和交流伺服在工业机械手臂上应用

图1 先进的FMS柔性无人加工车间

一、技术要求和难点分析

　　客户采购该六轴机械手臂，用于变压器生产流水线的点胶、浸漆和烘干工序。原型机为日本制造，因控制系统损坏无法修复，故提出改造要求，并且需要控制系统和伺服满足如下条件：

　　1.伺服运动轴

　　在机械上，六轴机械手臂结构上设计为6自由度空间坐标系。其中X、A、B、C轴采用伺服电机驱动1:10的齿轮箱间接传动，做近似360度圆周运动，Y和Z轴采用伺服电机驱动螺距10mm的滚珠丝杠，再连接力臂做近似120度圆周运动。这六个伺服轴要求能够联动。

　　客户要求在原有六轴机械手臂的基础上，再增加一个伺服轴D通过丝杠用来拖动机械手臂前后运动，使其能自由移动到生产线的任何地方，但不要求联动控制。

　　客户还要求控制系统能够控制七个轴，并且至少六轴联动，伺服轴运动速度可调。

　　此外，对于伺服控制系统，因为机械手臂在机械设计上采用6自由度空间坐标系，而区别于普通的直角坐标机械手臂机械。因而在运动过程中，机械负载的惯量会因为机械力臂的不同而发生较大范围的变化，这就要求伺服系统具有优异稳定性、响应性和对负载变化自适应能力。

　　2.精度要求

　　机械回零精度：+/-1度。
　　重复定位精度：+/-1度。
　　定位精度：2mm。

　　要求控制系统和伺服系统能够具有检测反馈，来保证机械运动精度。

　　3.NC加工程序处理

　　因为采用6自由度空间坐标系，无法采用手动编程和软件编程。因而需要控制系统具有示教功能或者学习功能，能够根据采集的数据自动生成NC加工程序，并能对自动生成的NC程序进行编辑和存储。

　　4.辅助功能

　　在辅助功能上，要求控制系统能够通过NC指令来控制多个气动电磁阀动作来实现机械机能，并能根据需要添加检测开关。

　　5.安全保护

　　在安全保护方面，除要求控制器可靠的稳定性外，还要求控制系统具有必要的安全保护功能。

二、方案设计的可行性分析

　　通过对机械设计和控制技术要求分析，确定采用一台中达电通六轴数控系统做上位控制器＋7套台达交流伺服做下位控制器的6AXIS＋1 AXIS的控制架构，具体分析如下：

　　1.中达电通六轴数控系统的主要特点

　　（1）6个独立伺服轴接口，能够控制1～6轴联动，能够满足伺服轴运动控制要求。

　　（2）电压命令型 （V-Command） 伺服接口，最小解析精度0.001mm，可配合光栅尺或旋转编码器实现闭环、半闭环控制，能够满足精度要求。

　　（3）最大响应速度500KPPS编码器反馈，能够满足快速定位的需求。

　　（4）具有教导模式，能够记录下当前的机械坐标点，并能根据采集的数据自动生成NC加工程序，操作者可以方便的对生成的程序进行编辑和阅读。

　　（5）控制器内存有240K存储空间，可储存1000个NC加工程序，配合标准的CNC键盘可轻松对加工程序进行编辑。

　　（6）通过六轴数控简易I/0控制指令和内置PLC开发，能够灵活的通过NC程序实现辅助机能。

　　（7）内置可编程PLC，标准配置为24INPUT/ 16OUTPUT，最大可扩展到96INPUT/64OUTPUT，完全能够满足电气互锁、行程保护、紧急停止等安全电路的设计要求。

　　（8）配合外配的电子手摇轮可实现“加工程序手摇轮测试”功能，防止机械撞机。

　　通过比较分析，中达电通六轴数控系统完全能够满足作为机械手臂上位控制器要求。

　　2.台达交流伺服系统的主要特点

　　（1）具有多种控制模式，可与上位控制器灵活配合，应用广泛。

　　（2）通过伺服内置的运动控制器和外部的I/O来自由规划的8组位置指令寄存器是实现对机械第七轴（D轴）控制的关键。

　　（3）强健式的控制模式，在负载惯量大范围的变化时，系统仍然可以保持优异的性能。

　　（4）具有位置P-CURVE和速度S-CURVE平滑功能，且命令来源不论是外部模拟量输入还是内部寄存器设定均有平滑功能。

　　（5）丰富的软件功能，方便用户用调试。

　　通过比较分析，台达交流伺服系统也完全能够满足作为机械手臂做下位控制器要求。

　　通过对机械结构、负载惯量、输出扭矩的分析计算，故选用下列伺服：ASDA 3kW＊1台、ASDA 2kW＊1台、ASDA 1kW＊2台、ASDA 200W＊2台、ASDA 100kW＊1台，共7台伺服驱动器做下位控制器。
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三、方案功能的实现

　　1.控制系统6AXIS＋1 AXIS的架构，如下图：

图2 64XIS+1 AXIS的控制架构

　　2.硬件的组成和6＋1的设计架构实现

　　控制系统的硬件部分主要有CNC数控系统、伺服系统和其他辅助元件三部分组成。

　　（1）CNC数控系统

　　数控系统选用中达六轴数控系统，它是机械手臂的控制中心，除具有线性插补等运动控制外，还能够进行画面显示、参数设定、程序编辑、PLC逻辑控制等。

　　（2）伺服系统

　　伺服系统选用7套台达－A系列交流伺服驱动器和电机。其中ASDA 3kW＊1台、用于独立控制机械D轴位移工作台，拖动机械手臂前后运动，使其能自由移动到生产线的任何地方。其伺服控制模式采用台达交流伺服独有的PR控制模式。

　　它的命令来源为台达交流伺服位置指令寄存器8组内部位置指令（参数P1-15～P1-30设定），伺服电机运转的速度则由参数P1-36～P1-43设定。

　　通过数控系统I/O输出OUTPUT点Y0-Y3，配合伺服CN1接口的I/O，POS0～POS2与GTRG，就可以选择8组中的一组来当成位置指令来源。当伺服CTRG信号上升沿触发后，伺服电机便会向给定目标运动。

　　其余6台伺服分别为：ASDA 2kW＊1台，控制机械手臂X轴空间移动；ASDA 1kW＊2台，控制机械手臂Y、Z轴的空间移动；ASDA 200W＊2 台，控制机械手臂A、B轴的空间移动；ASDA 100kW＊1台，控制机械手臂C轴的空间移动。

　　这六台伺服采用的是速度控制模式，数控系统的伺服轴口输出 +/-10V的模拟量电压来控制伺服电机旋转，并实时通过伺服驱动器的PG分周比输出OA/OB/OZ信号将伺服运动状态反馈给数控系统，来实现半闭环控制的目的，来保证机械手臂的运动精度。

　　（3）其他辅助元件

　　其他辅助元件主要有：

　　·电子脉冲发生器（MPG手摇轮），规格DC5V，在手动和教导模式下，产生脉冲信号控制伺服轴位移。
　　·动力变压器，规格7.5kVA三相380V/三相220V，作用是给伺服系统提供动力电源。
　　·控制变压器，规格500VA，AC380V/AC220V，作用是给数控和伺服系统提供控制电源。
　　·开关电源，规格500VA，DC24V，AC220V/DC24V，作用是给控制回路提供直流控制电源。
　　·INPUT输入板，规格NPN型，可以连接按钮、行程开关、继电器触点等传感器信号。
　　·OUTPUT输出板，规格NPN型，作用是控制中间继电器、微型电磁阀等DC24V负载。
　　·中间继电器，规格DC24V，增加OUTPUT输出板的容量，线路保护。
　　·气动电磁阀，规格DC24V，控制机械手夹紧气缸和生产线其他辅助动作。
　　·按钮、开关若干，提供各种传感信号。

　　通过上述硬件配置和架构设计，中达电通六轴数控系统便能够通过速度模拟量电压命令和外部的I/O输出信号来控制一个六轴的机械手臂和一个独立的位移工作台运动了。

　　3.示教功能和手摇轮测试功能的实现

图3 示教盒

　　中达六轴数控系统具有“示教和手摇轮测试”功能，通过必要的PLC编辑便可以激活这两个功能，方便编译和效验程序。

　　当配合外部I/O和电子手摇轮，激活“示教”功能后，六轴机械手臂的工作方式是按“示教学习→生成NC程序→编辑修改NC程序→机械手臂再现执行”的过程来完成的，即由人用示教盒对机械手臂工作行为示教。示教过程中，数控系统会记录下机械手臂各运动关节终点的位置信息，并以NC代码的形式显示在CRT荧屏上。

　　当机械手臂完成一个示教流程结束后，数控系统便会以NC代码的形式记录下一个数据队列。用户可以通过数控系统的标准CNC键盘对当前的NC程序进行必要的编辑，如添加运动速度，数控外部I/O控制等指令，这样数控系统便生成了机械手臂工作所需要的完整信息。

　　当完成编辑后，激活数控系统的“自动运行”功能，数控系统便能自动依次读取这个数据队列和指令信息，并传达给下位伺服控制器和数控外部I/O控制机械手臂动作。

　　当我们对“示教”生成的数据信息进行编辑完成后，在执行“自动运行”功能前，可以通过激活“手摇轮测试”功能，来再次校正编辑完的程序。

　　当“手摇轮测试”功能被激活后，机械手臂会按照先前编辑的指令信息再现动作。伺服轴的运动速度由手摇轮的转动速度和MPG的倍率所决定，当手摇轮停止转动，伺服轴也会停止进给；如继续转动，伺服轴会继续执行动作，从而有效防止机械撞机。

　　测试完成后，激活“自动运行”功能，机械手臂便会按照程序中设定的速度正常运行。
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　　4.灵活的外部I/O控制和辅助机能的实现

　　机械手臂的末端执行机构是由电磁阀控制气体驱动气动缸完成机械手指的夹紧和放松动作。

　　对于中达电通六轴数控系统的灵活外部I/O控制，不但可以通过对数控系统内部的PLC程序编辑来完成，还能够通过在NC程序中直接插入适当的简易I/0控制指令来实现。

　　如G11 P1＊＊＊指定OUTPUT＊＊＊ON，下“RESET”指令无效。G12 P＊＊＊等待INPUT＊＊＊ON，程序才执行下一节指令，等等，通过这些指令用户可以灵活的实现外部I/O控制。

　　机械手臂工作流程和NC编程如图：

　　5.伺服系统的调节和指令平滑处理

　　对于伺服控制系统，因为在机械设计上，机械手臂在机械设计上采用6自由度空间坐标系，因而在六轴同时运动过程中，机械负载的惯量会因为机械力臂不同的而会发生较大范围的变化，这就要求伺服系统具有优异稳定性，响应性和对负载变化自适应能力。

　　通过台达-A系列伺服内置的“自动增益调节功能（PDFF强健式控制模式，参数2－32）”就能达到理想的调试效果，在此调节模式下，当负载的惯量在一定范围内任意变化时，伺服在1HZ的开回路增益能够保持稳定，频宽会随着负载惯量变化而做相应的调整，仍可以保持良好的相位边界，使得伺服的稳态追随误差不会随着负载惯量而有变化。

　　同时，对于机械手臂在运转时机械结构产生的冲击，（特别是D轴，因为采用内部指令来源），通过激活台达-A系列伺服内置的CURVE平滑功能（参数1－34～1－36）来得到很好的解决。位置P-CURVE和速度S－CURVE平滑功能，可以对运动命令进行平滑处理，使得电机所产生的速度和加速度是连续的。可以很好的改善电机加减速的特性，在机械结构的运转上也更加平顺。

图5 伺服系统的调节和指令平滑处理

四、结束语

　　基于以上架构的机械手控制方案具有控制精度高、系统稳定性高、用户操作灵活的优点，这也是中达数控系统和台达伺服独有的一个典型应用。

　　利用中达六轴数控系统自有的一些丰富功能，配合台达伺服系统优异性能，可以被广泛应用于各种工业自动化领域，完全能够为客户提供更有价值、“量身定做”的整合方案。