六軸數(shù)控系統(tǒng)和交流伺服在工業(yè)機(jī)械手臂中應(yīng)用
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圖一 先進(jìn)的FMS柔性無人加工車間
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)。
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(yùn)動(dòng)精度。
3.NC加工程序處理
因?yàn)椴捎?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。
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