六軸數控系統和交流伺服在工業機械手臂中應用
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圖一 先進的FMS柔性無人加工車間
隨著工業生產線自動化程度的提高，并日趨向柔性化發展。工業機械手臂被越來越多的應用在涂漆、包裝、焊接、裝配等生產環節，來代替人工完成惡劣環境下的勞動。本案介紹了利用中達電通六軸數控系統的六軸聯動和教導模式下自動生成NC程序等系統功能，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，因控制系統損壞無法修復，故提出改造要求，并且需要控制系統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，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生較大范圍的變化，這就要求伺服系統具有優異穩定性、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。
要求控制系統和伺服系統能夠具有檢測反饋，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定性外，還要求控制系統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、半閉環控制，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，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完全能夠滿足作為機械手臂上位控制器要求。
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