針對(duì)目前工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)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(tái)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(tái)達(dá)伺服系統(tǒng)優(yōu)異性能,能夠?yàn)榭蛻?hù)提供有價(jià)值的整合方案。
隨著工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)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(lái)越多的應(yīng)用在涂漆、包裝、焊接、裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié),來(lái)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(lái)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(xiàn)的技術(shù)改造。
一、技術(shù)要求和難點(diǎn)分析
客戶(hù)采購(gòu)該六軸機(jī)械手臂,用于變壓器生產(chǎn)流水線(xiàn)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(wú)法修復(fù),故提出改造要求,并且需要控制系統(tǒng)和伺服滿(mǎn)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(hù)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(guò)絲杠用來(lái)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(xiàn)的任何地方,但不要求聯(lián)動(dòng)控制。客戶(hù)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(guò)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(lái)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(wú)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(guò)NC指令來(lái)控制多個(gè)氣動(dòng)電磁閥動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)能,并能根據(jù)需要添加檢測(cè)開(kāi)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(guò)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(mǎn)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(mǎn)足精度要求。
(3)最大響應(yīng)速度500KPPS編碼器反饋,能夠滿(mǎn)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(pán)可輕松對(duì)加工程序進(jìn)行編輯。
(6)通過(guò)六軸數(shù)控簡(jiǎn)易I/0控制指令和內(nèi)置PLC開(kāi)發(fā),能夠靈活的通過(guò)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(mǎn)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(guò)比較分析,中達(dá)電通六軸數(shù)控系統(tǒng)完全能夠滿(mǎn)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(guò)伺服內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)控制器和外部的I/O來(lái)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(lái)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(hù)用調(diào)試。
通過(guò)比較分析,臺(tái)達(dá)交流伺服系統(tǒng)也完全能夠滿(mǎn)足作為機(jī)械手臂做下位控制器要求。
通過(guò)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)
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(xiàn)性插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)控制外,還能夠進(jìn)行畫(huà)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(xiàn)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(lái)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(guò)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(lái)當(dāng)成位置指令來(lái)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(lái)控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn),并實(shí)時(shí)通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制的目的,來(lái)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。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
開(kāi)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)其他輔助動(dòng)作。
按鈕、開(kāi)關(guān)若干,提供各種傳感信號(hào)。
通過(guò)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(guò)速度模擬量電壓命令和外部的I/O輸出信號(hào)來(lái)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。
中達(dá)六軸數(shù)控系統(tǒng)具有“示教和手搖輪測(cè)試”功能,通過(guò)必要的PLC編輯便可以激活這兩個(gè)功能,方便編譯和效驗(yàn)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(guò)程來(lái)完成的,即由人用示教盒對(duì)機(jī)械手臂工作行為示教。示教過(guò)程中,數(shù)控系統(tǒng)會(huì)記錄下機(jī)械手臂各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)終點(diǎn)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(gè)示教流程結(jié)束后,數(shù)控系統(tǒng)便會(huì)以NC代碼的形式記錄下一個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列。用戶(hù)可以通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)CNC鍵盤(pán)對(duì)當(dāng)前的NC程序進(jìn)行必要的編輯,如添加運(yùn)動(dòng)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(dòng)運(yùn)行”功能,數(shù)控系統(tǒng)便能自動(dòng)依次讀取這個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)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(dòng)作。當(dāng)我們對(duì)“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(dòng)運(yùn)行”功能前,可以通過(guò)激活“手搖輪測(cè)試”功能,來(lái)再次校正編輯完的程序。
當(dāng)“手搖輪測(cè)試”功能被激活后,機(jī)械手臂會(huì)按照先前編輯的指令信息再現(xiàn)動(dòng)作。伺服軸的運(yùn)動(dòng)速度由手搖輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和MPG的倍率所決定,當(dāng)手搖輪停止轉(zhuǎn)動(dòng),伺服軸也會(huì)停止進(jìn)給;如繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),伺服軸會(huì)繼續(xù)執(zhí)行動(dòng)作,從而有效防止機(jī)械撞機(jī)。
測(cè)試完成后,激活“自動(dòng)運(yùn)行”功能,機(jī)械手臂便會(huì)按照程序中設(shè)定的速度正常運(yùn)行。
4.靈活的外部I/O控制和輔助機(jī)能的實(shí)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(dòng)氣動(dòng)缸完成機(jī)械手指的夾緊和放松動(dòng)作。
對(duì)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(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的PLC程序編輯來(lái)完成,還能夠通過(guò)在NC程序中直接插入適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)易I/0控制指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。
如G11 P1***指定OUTPUT***ON,下“RESET”指令無(wú)效。G12 P***等待INPUT***ON,程序才執(zhí)行下一節(jié)指令,等等,通過(guò)這些指令用戶(hù)可以靈活的實(shí)現(xiàn)外部I/O控制。
機(jī)械手臂工作流程和NC編程如圖四:
工作流程
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(guò)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(guò)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(kāi)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。
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(lái)源),通過(guò)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(lái)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(yǔ)
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(hù)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?hù)提供更有價(jià)值、“量身定做”的整合方案。
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