摘要：西門子SINUMERIK 808D數(shù)控系統(tǒng)，因其豐富的功能，友好的人機(jī)界面，優(yōu)良的性能與實(shí)惠的價格，受到用戶的接受與喜愛，而活躍在M3市場上，廣泛的應(yīng)用于簡易車床，銑床，以及生產(chǎn)線桁架式機(jī)械手等特種機(jī)械的控制之中。
然而，由于808D系統(tǒng)的極限脈沖頻率的限制，系統(tǒng)所控制的進(jìn)給軸的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速只能是2000r/min，在一些控制場合影響了系統(tǒng)的應(yīng)用。尤其在高速桁架機(jī)械手的應(yīng)用中，影響更為突出。本文正是以桁架機(jī)械手為例，通過對808D系統(tǒng)的參數(shù)以及驅(qū)動器的參數(shù)進(jìn)行研究與試驗(yàn)，最終找到了讓808D系統(tǒng)的進(jìn)給軸電機(jī)突破2000rpm的辦法，并且在實(shí)踐中驗(yàn)證成功。
關(guān)鍵詞： SINUMERIK，808D，桁架式機(jī)械手，高速進(jìn)給，脈沖當(dāng)量
1、項(xiàng)目介紹
1.1項(xiàng)目背景
機(jī)械手（Robotic Arm），能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
桁架式機(jī)械手（Truss Type Manipulator），則指以桁架導(dǎo)軌為運(yùn)動路徑，主要進(jìn)行水平與垂直的直線移動，在生產(chǎn)線中穿插于不同加工機(jī)械之間，負(fù)責(zé)零件的抓取與上料工作的機(jī)械手。桁架式機(jī)械手能以較低的成本，將一個生產(chǎn)線的不同工藝單元靈活而有機(jī)的連接起來，在2014年以來的國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)自動化改革中扮演著越發(fā)重要的角色。
桁架式機(jī)械手與固定位置機(jī)械臂相比，雖無動作靈活性的與負(fù)載的優(yōu)勢，但是勝在可以大范圍移動。
本項(xiàng)目如圖1所用桁架式機(jī)械手，用戶車間用來連接兩臺磨床，一臺送料機(jī)，一臺車床，進(jìn)行上下料服務(wù)，組成生產(chǎn)線，生產(chǎn)圓塔狀汽車零件。對于動作控制的要求，主要在于水平X軸，上下Z軸的定位精度，以及移動速度。因?yàn)閄軸的行程長達(dá)8米，只有高速與高加速度的運(yùn)動才能保障零件搬運(yùn)的效率。設(shè)計運(yùn)行速度是90m/min。
1.2項(xiàng)目配置
本臺桁架式機(jī)械手使用配置如圖2：
圖2
華大130ST-M10025LF1B電機(jī)具體參數(shù)如圖3：
圖3
設(shè)計要求是X、Z軸運(yùn)行速度達(dá)到90m/min。
2、原理分析
2.1系統(tǒng)的設(shè)計對電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制
通常，電機(jī)的轉(zhuǎn)速遵循公式（1）：
N=A*60/B 公式（1）
式（1）中N：電機(jī)的轉(zhuǎn)速；
A：系統(tǒng)發(fā)出給步進(jìn)電機(jī)的頻率；
B：電機(jī)編碼器的線數(shù)
808D系統(tǒng)發(fā)出的步進(jìn)電機(jī)最高頻率在MD31350中設(shè)定為333333（見圖4），并且不可修改，為了提高電機(jī)的分辨率，編碼器至少在2500線，在系統(tǒng)中再進(jìn)行4倍頻，因此，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速就可以計算為
這也符合西門子1FL5電機(jī)最高轉(zhuǎn)速大多為2000r/min的事實(shí)，這是產(chǎn)品定位決定的。
圖4
2.2 傳動計算
齒輪齒條（Gear & Rack），是利用齒輪的旋轉(zhuǎn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動互相轉(zhuǎn)換的裝置見圖5，分為直齒和斜齒，不做贅述。
齒輪側(cè)每轉(zhuǎn)移動量Lg（M=模數(shù)，Z=齒輪齒數(shù)）：
電機(jī)側(cè)每轉(zhuǎn)移動量Lm（n=減速比）：
圖5
在參數(shù)設(shè)定時，將齒輪齒條結(jié)構(gòu)等效為絲杠結(jié)構(gòu)，那么除去傳動比影響的齒輪側(cè)每轉(zhuǎn)移動量Lg就相當(dāng)于絲杠螺距，因此參數(shù)設(shè)置如圖6：
圖6
電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm = 2000rpm所能實(shí)現(xiàn)的桁架線速度Vm：
設(shè)計移動線速度Vd = 90m/min所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速ωd：
因此，在現(xiàn)有傳動機(jī)構(gòu)下，當(dāng)前2000rpm的電機(jī)轉(zhuǎn)速最快只能使本桁架運(yùn)行到71.6m/min，現(xiàn)實(shí)的情況也就是如此，桁架運(yùn)行的最高速度被鉗制在了約70m/min，而設(shè)計要求的90m/min線速度需要至少2500rpm的電機(jī)轉(zhuǎn)速。
2.3控制原理
SINUMERIK 808D系統(tǒng)在控制華大SBF驅(qū)動器時，808D系統(tǒng)根據(jù)插補(bǔ)器的處理結(jié)果，給SBF驅(qū)動器發(fā)送一定數(shù)量的脈沖信號，華大驅(qū)動器就驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的角度，軸就前進(jìn)一定的距離。這個脈沖信號的個數(shù)，與電機(jī)轉(zhuǎn)動角度的對應(yīng)關(guān)系，由脈沖當(dāng)量來描述。
脈沖當(dāng)量（Pulse Equivalency）是當(dāng)控制器輸出一個定位控制脈沖時，所產(chǎn)生的定位控制移動的位移。對直線運(yùn)動來說，是指移動的距離，對圓周運(yùn)動來說，是指其轉(zhuǎn)動的角度。對于機(jī)床類設(shè)備而言，相對于每一脈沖信號的機(jī)床運(yùn)動部件的位移量稱為脈沖當(dāng)量，又稱作最小設(shè)定單位。
808D數(shù)控系統(tǒng)中，描述這個物理量的參數(shù)為圖7：
圖7
在華大SBF驅(qū)動器中，描述這個物理量的參數(shù)為圖8：
圖8
這樣，在SBF驅(qū)動中，位置指令脈沖分頻4:1的含義就是：每接收4個指令脈沖，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個最小移動量。而電機(jī)的最小移動量是多少呢？這由編碼器的分辨率決定。如果編碼器的精度到1°，驅(qū)動器是沒法控制電機(jī)轉(zhuǎn)到4.3°的。而此電機(jī)的編碼器一圈的線數(shù)是2500，那么每圈所需的脈沖數(shù)就是2500×4=10000，與808D的MD31400設(shè)置的10000脈沖/圈相等。
這在控制體系中非常重要。兩個設(shè)備（同品牌/不同品牌）之間要傳遞指令信息，不論信息的載體是什么或者中間經(jīng)過幾個傳遞環(huán)節(jié)，最重要的是要保證這些環(huán)節(jié)與載體都是“同意傳遞”，而非“同型傳遞”。
舉個例子：A是中國人，B是翻譯官，C是美國人，A對B說一句話，請B翻譯給C，那么可能出現(xiàn)以下的情況：
這就是為什么808D數(shù)控系統(tǒng)與SBF驅(qū)動器兩邊的設(shè)置都要統(tǒng)一為10000脈沖/圈的含義，只有這樣，808D控制器的位置指令才能得到SBF的正確執(zhí)行。
2.4問題的解決
沒有辦法提升最大脈沖輸出頻率，那么如果能修改脈沖當(dāng)量，讓每個脈沖所代表的旋轉(zhuǎn)角度更大，那么就可以讓333333Hz的脈沖能指令更快的電機(jī)速度了。
對于SBF驅(qū)動器，按圖9設(shè)置即可讓脈沖當(dāng)量擴(kuò)大一倍：
圖9
即：位置指令脈沖分頻變?yōu)?:1：每接收2個指令脈沖，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個最小移動量。這樣，對于編碼器2500線的電機(jī)來說，5000脈沖的指令就可以讓電機(jī)轉(zhuǎn)一圈。333333Hz的最大脈沖頻率可指令的最大的電機(jī)轉(zhuǎn)速由式（1）為：
滿足了控制要求！但是，這樣違反了“同意傳遞”的原則，即圖10：
圖10
這必然會導(dǎo)致系統(tǒng)指令1mm，機(jī)械運(yùn)動2mm。那么，如何在MD31400無法改變的情況下，增大808D側(cè)的脈沖當(dāng)量呢？我的思路是改變不了每個脈沖所代表的電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，就改變每個脈沖所代表的最終運(yùn)動距離，也是一樣的效果如圖11。
圖11
3、問題總結(jié)
3.1方法總結(jié)
最終的解決方案如圖12：
圖12
本次問題解決的思路是：分析參數(shù)傳遞本質(zhì)，找出恒定參數(shù)的替代參數(shù)。
3.2不足之處
擔(dān)心有可能導(dǎo)致丟脈沖的現(xiàn)象，影響精度，但是因?yàn)楦淖兠}沖當(dāng)量之后，一轉(zhuǎn)脈沖數(shù)5000仍然大于編碼器線數(shù)2500，所以這個可能性很小。需要現(xiàn)場檢驗(yàn)。
3.3現(xiàn)場檢驗(yàn)
通過如上參數(shù)修改，桁架軸順利開到90m/min以上，長時間拷機(jī)未發(fā)現(xiàn)丟脈沖等可能的因素引起的精度問題。
4、結(jié)語
SINUMERIK 808D（一代）從系統(tǒng)和電機(jī)兩個方面將進(jìn)給軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速限制在2000rpm，但是在非常規(guī)情況下，也可以繞開這個限制，從而使可控制的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速達(dá)到理論上的8000rpm，這個用法增加了808D系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。本文旨在介紹此次桁架式機(jī)械手項(xiàng)目的控制原理，分析和歸納808D系統(tǒng)的進(jìn)給軸電機(jī)突破2000rpm的原理及方法，得出解決方案。對于初接觸桁架式機(jī)械手的工程師，以及在其他的808D應(yīng)用案例中需要進(jìn)給電機(jī)2000rpm以上轉(zhuǎn)速的項(xiàng)目，或可有所幫助。
【參考文獻(xiàn)】
1.《SINUMERIK 808D 調(diào)試手冊》；
2.華大驅(qū)動說明書《SBF系列說明書9.6版》
