六轴数控系统和交流伺服在工业机械手臂中应用
图一 先进的FMS柔性无人加工车间
随着工业生产线自动化程度的提高，并日趋向柔性化发展。工业机械手臂被越来越多的应用在涂漆、包装、焊接、装配等生产环节，来代替人工完成恶劣环境下的劳动。本案介绍了利用中达电通六轴数控系统的六轴联动和教导模式下自动生成NC程序等系统功能，配合台达ASDA系列交流伺服强健控制和内置的位置指令寄存器功能，来实现对六轴机械手臂的控制系统和自动生产线的技术改造。
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。
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