六軸數控系統(tǒng)和交流伺服在工業(yè)機械手臂中應用
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圖一 先進的FMS柔性無人加工車間
隨著工業(yè)生產線自動化程度的提高，并日趨向柔性化發(fā)展。工業(yè)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(huán)節(jié)，來代替人工完成惡劣環(huán)境下的勞動。本案介紹了利用中達電通六軸數控系統(tǒng)的六軸聯動和教導模式下自動生成NC程序等系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)損壞無法修復，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。
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(tǒng)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(tǒng)，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(qū)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(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(tǒng)和伺服系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定性外，還要求控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)、半閉環(huán)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(fā)，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(tǒng)完全能夠滿足作為機械手臂上位控制器要求。
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