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1、 TNC-A6 数控系统和 DELTA 交流伺服在工业机械手臂上的技术应用伺服数控产品处 张广伟 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 TNC-A6 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DELTAASDA 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。 1 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
2、提出改造要求。并且需要控制系统和伺服满足如下条件：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。另客户希望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。要求控制系统能够控制七个轴，并且其中至少六轴联动，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
3、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不同的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。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。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NC 程序进行编辑和存储。辅助功能 在辅助功能上，要求控制系统能够通
4、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。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。2 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 TNCA6 数控系统做上位控制器7 套 DELTA 交流伺服做下位控制器的 6AXIS1 AXIS 的控制架构，具体分析如下：TNCA6 数控系统的主要特点： （1） 6 个独立伺服轴接口，能够控制 16 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
5、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 TNC 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，
6、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，TNCA6 数控系统完全能够满足作为机械手臂上位控制器要求。DELTA 交流伺服系统的主要特点： （1） 具有多种控制模式，可与上位控制器灵活配合，应用广泛（2） 通过伺服内置的运动控制器和外部的 I/O 来自由规划的 8 组位置指令寄存器是实现对机械第七轴（D 轴）控制的关键。（3） 强健式的控制模式，在负载惯量大范围的变化时，系统仍然可以保持优异的性能。（4） 具有位置 P-CURVE 和速度 SCURVE 平滑功能，且命令来源不论是外部模
7、拟量输入还是内部寄存器设定均有平滑功能。（5） 丰富的软件功能，方便用户用调试。通过比较分析，DELTA 交流伺服系统也完全能够满足作为机械手臂做下位控制器要求。通过对机械结构、负载惯量、输出扭矩的分析计算，故选用下列伺服 ASDA 3KW*1颗、ASDA 2KW*1 颗、ASDA 1KW*2 颗、ASDA 200W*2 颗、ASDA 100KW*1 颗，共 7颗伺服驱动器做下位控制器。3 方案功能的实现控制系统 6AXIS1 AXIS 的架构 如图：6AXIS1 AXIS 的控制架构硬件的组成和 61 的设计架构实现 控制系统的硬件部分主要有 CNC 数控系统、伺服系统和其他辅助元件三部分组
8、成。（1）CNC 数控系统数控系统选用中达 TNCA6 6 数控系统，它是机械手臂的控制中心，除具有线性插补等运动控制外，还能够进行画面显示、参数设定、程序编辑、PLC 逻辑控制等。（2）伺服系统伺服系统选用 7 套 DELTAA 系列交流伺服驱动器和电机。其中 ASDA 3KW*1 颗、用于独立控制机械 D 轴位移工作台，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。其伺服控制模式采用 DELTA 交流伺服独有的 PR 控制模式。它的命令来源为 DELTA 交流伺服位置指令寄存器 8 组内部位置指令（参数 P1-15P130 设定） 。伺服电机运转的速度则由参数 P1-36P143
9、 设定。通过数控系统 I/O 输出 OUTPUT 点 Y0-Y3，配合伺服 CN1 接口的 I/O，POS0POS2与 GTRG，就可以选择 8 组中的一组来当成位置指令来源。当伺服 CTRG 信号上升沿触发后，伺服电机便会向给定目标运动。其余 6 颗伺服分别为：ASDA 2KW*1 颗，控制机械手臂 X 轴空间移动；ASDA 1KW*2 颗，控制机械手臂 Y、Z 轴的空间移动；ASDA 200W*2 颗，控制机械手臂 A、B轴的空间移动；ASDA 100KW*1 颗，控制机械手臂 C 轴的空间移动。6_AXISINPUTOUTPUTMPGUTCNC16 轴 SERVO DRIVER取料工序P
10、1点胶工序P2烘干工序P4XYZA位移工作台DB C6 AXIS 机械手臂位置开关信号9 寸 CRT 显示标准 CNC KEYV- commandY0Y3 D 轴 SERVO MPG 电子手轮这六颗伺服采用的是速度控制模式，数控系统的伺服轴口输出 +/-10V 的模拟量电压来控制伺服电机旋转，并实时通过伺服驱动器的 PG 分周比输出 OA/OB/OZ 信号将伺服运动状态反馈给数控系统，来实现半闭环控制的目的，来保证机械手臂的运动精度。（3）其他辅助元件其他辅助元件主要有：电子脉冲发生器（MPG 手摇轮） ，规格 DC5V，在手动和教导模式下，产生脉冲信号控制伺服轴位移。动力变压器，规格 7.5
11、KVA 三相 380V/三相 220V，作用是给伺服系统提供动力电源。控制变压器，规格 500VA AC380V/AC220V，作用是给数控和伺服系统提供控制电源。开关电源，规格 500VA DC24V AC220V/DC24V，作用是给控制回路提供直流控制电源。INPUT 输入板，规格 NPN 型，可以连接按钮、行程开关、继电器触点等传感器信号。OUTPUT 输出板，规格 NPN 型，作用是控制中间继电器、微型电磁阀等 DC24V 负载。中间继电器，规格 DC24V，增加 OUTPUT 输出板的容量，线路保护。气动电磁阀，规格 DC24V，控制机械手夹紧气缸和生产线其他辅助动作。按钮、开关若
12、干，提供各种传感信号。通过上述硬件配置和架构设计，TNCA6 6 数控系统便能够通过速度模拟量电压命令和外部的 I/O 输出信号来控制一个 6 轴的机械手臂和一个独立的位移工作台运动了。示教功能和手摇轮测试功能的实现 （此处插入示教盒图片） 中达 TNCA66 数控系统具有 “示教和手摇轮测试”功能，通过必要的 PLC 编辑便可以激活这两个功能。方便的编译和效验程序当配合外部 I/O 和电子手摇轮，激活 “示教”功能后，6 轴机械手臂的工作方式是按“示教学习生成 NC 程序编辑修改 NC 程序机械手臂再现执行” 的过程来完成的，即由人用示教盒对机械手臂工作行为示教。示教过程中，数控系统会记录下
13、机械手臂各运动关节终点的位置信息，并以 NC 代码的形式显示在 CRT 荧屏上。当机械手臂完成一个示教流程结束后，数控系统便会以 NC 代码的形式记录下一个数据队列。用户可以通过数控系统的标准 CNC 键盘对当前的 NC 程序进行必要的编辑，如添加运动速度，数控外部 I/O 控制等指令，这样数控系统便生成了机械手臂工作所需要的完整信息。当完成编辑后，激活数控系统的“自动运行”功能，数控系统便能自动依次读取这个数据队列和指令信息，并传达给下位伺服控制器和数控外部 I/O 控制机械手臂动作。当我们对“示教”生成的数据信息进行编辑完成后，在执行“自动运行”功能前，可以通过激活“手摇轮测试”功能，来再
14、次效正编辑完的程序。当“手摇轮测试”功能被激活后，机械手臂会按照先前编辑的指令信息再现动作。伺服轴的运动速度由手摇轮的转动速度和 MPG 的倍率所决定，当手摇轮停止转动，伺服轴也会停止进给；如继续转动，伺服轴会继续执行动作，从而有效防止机械撞机。测试完成后，激活“自动运行”功能，机械手臂便会按照程序中设定的速度正常运行。灵活的外部 I/O 控制和辅助机能的实现 机械手臂的末端执行机构是由电磁阀控制气体驱动气动缸完成机械手指的夹紧和放松动作。对于 TNCA66 数控系统的灵活外部 I/O 控制,不但可以通过对数控系统内部的 PLC程序编辑来完成，还能够通过在 NC 程序中直接插入适当的简易 I/
15、0 控制指令来实现。如 G11 P1* 指定 OUTPUT * ON，下 “RESET” 指令无效。G12 P* 等待 INPUT * ON，程序才执行下一节指令，等等。通过这些指令用户可以灵活的实现外部I/O 控制。机械手臂工作流程和 NC 编程如图：工作流程 P3 浸漆工序 1点 胶 工 位 X4 YESP4 烘干工序1. 机械手到浸漆位置2. 机械手到安全位置X3 YES1. 机械手到烘干位置2. 气缸放松 Y4 OFFX5 NO1. 机械手到安全位置P2 点胶工序X5 YES1. 机械手到点胶位置2. 点胶电磁阀动作 Y53. 机械手到安全位置X2 YES2. 机械手到安全位置点胶工序
16、 判断 X6YESNOX0 RUNP1 取料工序 X1 YES 1. 机械手取料到位2.气缸夹紧 Y4 OND 轴返回取料工序NC 程序举例O0000(主程序)G0X0.Y0.Z0.A0.B0C0M100 自定义 M 代码G12P00 检测 X1M98 P0001 调子程序 1G65L50 取消预抓G65L80P5/1 跳段和跳转M200 自定义 M 代码G12P02 检测 X2M98 P0002 调子程序 2N05M300 自定义 M 代码G12P03 检测 X3M98 P0003 调子程序 3M400 自定义 M 代码G12P03 检测 X4M98 P0004 调子程序 4M99O0001(取料子程序 1)G01XY
