摘要：西門子SINUMERIK 808D數控系統，因其豐富的功能，友好的人機界面，優良的性能與實惠的價格，受到用戶的接受與喜愛，而活躍在M3市場上，廣泛的應用于簡易車床，銑床，以及生產線桁架式機械手等特種機械的控制之中。
然而，由于808D系統的極限脈沖頻率的限制，系統所控制的進給軸的電機最大轉速只能是2000r/min，在一些控制場合影響了系統的應用。尤其在高速桁架機械手的應用中，影響更為突出。本文正是以桁架機械手為例，通過對808D系統的參數以及驅動器的參數進行研究與試驗，最終找到了讓808D系統的進給軸電機突破2000rpm的辦法，并且在實踐中驗證成功。
關鍵詞： SINUMERIK，808D，桁架式機械手，高速進給，脈沖當量
1、項目介紹
1.1項目背景
機械手（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、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現的工業機器人，也是最早出現的現代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
桁架式機械手（Truss Type Manipulator），則指以桁架導軌為運動路徑，主要進行水平與垂直的直線移動，在生產線中穿插于不同加工機械之間，負責零件的抓取與上料工作的機械手。桁架式機械手能以較低的成本，將一個生產線的不同工藝單元靈活而有機的連接起來，在2014年以來的國內工業生產自動化改革中扮演著越發重要的角色。
桁架式機械手與固定位置機械臂相比，雖無動作靈活性的與負載的優勢，但是勝在可以大范圍移動。
本項目如圖1所用桁架式機械手，用戶車間用來連接兩臺磨床，一臺送料機，一臺車床，進行上下料服務，組成生產線，生產圓塔狀汽車零件。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。因為X軸的行程長達8米，只有高速與高加速度的運動才能保障零件搬運的效率。設計運行速度是90m/min。
1.2項目配置
本臺桁架式機械手使用配置如圖2：
圖2
華大130ST-M10025LF1B電機具體參數如圖3：
圖3
設計要求是X、Z軸運行速度達到90m/min。
2、原理分析
2.1系統的設計對電機最高轉速的限制
通常，電機的轉速遵循公式（1）：
N=A*60/B 公式（1）
式（1）中N：電機的轉速；
A：系統發出給步進電機的頻率；
B：電機編碼器的線數
808D系統發出的步進電機最高頻率在MD31350中設定為333333（見圖4），并且不可修改，為了提高電機的分辨率，編碼器至少在2500線，在系統中再進行4倍頻，因此，電機的最高轉速就可以計算為
這也符合西門子1FL5電機最高轉速大多為2000r/min的事實，這是產品定位決定的。
圖4
2.2 傳動計算
齒輪齒條（Gear & Rack），是利用齒輪的旋轉將旋轉運動與直線運動互相轉換的裝置見圖5，分為直齒和斜齒，不做贅述。
齒輪側每轉移動量Lg（M=模數，Z=齒輪齒數）：
電機側每轉移動量Lm（n=減速比）：
圖5
在參數設定時，將齒輪齒條結構等效為絲杠結構，那么除去傳動比影響的齒輪側每轉移動量Lg就相當于絲杠螺距，因此參數設置如圖6：
圖6
電機轉速ωm = 2000rpm所能實現的桁架線速度Vm：
設計移動線速度Vd = 90m/min所需要的電機轉速ωd：
因此，在現有傳動機構下，當前2000rpm的電機轉速最快只能使本桁架運行到71.6m/min，現實的情況也就是如此，桁架運行的最高速度被鉗制在了約70m/min，而設計要求的90m/min線速度需要至少2500rpm的電機轉速。
2.3控制原理
SINUMERIK 808D系統在控制華大SBF驅動器時，808D系統根據插補器的處理結果，給SBF驅動器發送一定數量的脈沖信號，華大驅動器就驅動電機轉動一定的角度，軸就前進一定的距離。這個脈沖信號的個數，與電機轉動角度的對應關系，由脈沖當量來描述。
脈沖當量（Pulse Equivalency）是當控制器輸出一個定位控制脈沖時，所產生的定位控制移動的位移。對直線運動來說，是指移動的距離，對圓周運動來說，是指其轉動的角度。對于機床類設備而言，相對于每一脈沖信號的機床運動部件的位移量稱為脈沖當量，又稱作最小設定單位。
808D數控系統中，描述這個物理量的參數為圖7：
圖7
在華大SBF驅動器中，描述這個物理量的參數為圖8：
圖8
這樣，在SBF驅動中，位置指令脈沖分頻4:1的含義就是：每接收4個指令脈沖，電機旋轉一個最小移動量。而電機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°，驅動器是沒法控制電機轉到4.3°的。而此電機的編碼器一圈的線數是2500，那么每圈所需的脈沖數就是2500×4=10000，與808D的MD31400設置的10000脈沖/圈相等。
這在控制體系中非常重要。兩個設備（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過幾個傳遞環節，最重要的是要保證這些環節與載體都是“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，那么可能出現以下的情況：
這就是為什么808D數控系統與SBF驅動器兩邊的設置都要統一為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量，讓每個脈沖所代表的旋轉角度更大，那么就可以讓333333Hz的脈沖能指令更快的電機速度了。
對于SBF驅動器，按圖9設置即可讓脈沖當量擴大一倍：
圖9
即：位置指令脈沖分頻變為2:1：每接收2個指令脈沖，電機旋轉一個最小移動量。這樣，對于編碼器2500線的電機來說，5000脈沖的指令就可以讓電機轉一圈。333333Hz的最大脈沖頻率可指令的最大的電機轉速由式（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
這必然會導致系統指令1mm，機械運動2mm。那么，如何在MD31400無法改變的情況下，增大808D側的脈沖當量呢？我的思路是改變不了每個脈沖所代表的電機旋轉角度，就改變每個脈沖所代表的最終運動距離，也是一樣的效果如圖11。
圖11
3、問題總結
3.1方法總結
最終的解決方案如圖12：
圖12
本次問題解決的思路是：分析參數傳遞本質，找出恒定參數的替代參數。
3.2不足之處
擔心有可能導致丟脈沖的現象，影響精度，但是因為改變脈沖當量之后，一轉脈沖數5000仍然大于編碼器線數2500，所以這個可能性很小。需要現場檢驗。
3.3現場檢驗
通過如上參數修改，桁架軸順利開到90m/min以上，長時間拷機未發現丟脈沖等可能的因素引起的精度問題。
4、結語
SINUMERIK 808D（一代）從系統和電機兩個方面將進給軸電機的轉速限制在2000rpm，但是在非常規情況下，也可以繞開這個限制，從而使可控制的電機最大轉速達到理論上的8000rpm，這個用法增加了808D系統應用的靈活性。本文旨在介紹此次桁架式機械手項目的控制原理，分析和歸納808D系統的進給軸電機突破2000rpm的原理及方法，得出解決方案。對于初接觸桁架式機械手的工程師，以及在其他的808D應用案例中需要進給電機2000rpm以上轉速的項目，或可有所幫助。
【參考文獻】
1.《SINUMERIK 808D 調試手冊》；
2.華大驅動說明書《SBF系列說明書9.6版》
