桁架式机械手的808D系统技术分析

1、项目介绍

1.1项目背景

机械手（Robotic Arm），能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

桁架式机械手（Truss Type Manipulator），则指以桁架导轨为运动路径，主要进行水平与垂直的直线移动，在生产线中穿插于不同加工机械之间，负责零件的抓取与上料工作的机械手。桁架式机械手能以较低的成本，将一个生产线的不同工艺单元灵活而有机的连接起来，在2014年以来的国内工业生产自动化改革中扮演着越发重要的角色。

桁架式机械手与固定位置机械臂相比，虽无动作灵活性的与负载的优势，但是胜在可以大范围移动。  

             

本项目如图1所用桁架式机械手，用户车间用来连接两台磨床，一台送料机，一台车床，进行上下料服务，组成生产线，生产圆塔状汽车零件。对于动作控制的要求，主要在于水平X轴，上下Z轴的定位精度，以及移动速度。因为X轴的行程长达8米，只有高速与高加速度的运动才能保障零件搬运的效率。设计运行速度是90m/min。

1.2项目配置

本台桁架式机械手使用配置如图2： 

   

图2

华大130ST-M10025LF1B电机具体参数如图3：

图3

设计要求是X、Z轴运行速度达到90m/min。

2、原理分析

2.1系统的设计对电机最高转速的限制

通常，电机的转速遵循公式（1）：

N=A*60/B                              公式（1）    

式（1）中N：电机的转速；

A：系统发出给步进电机的频率； 

B：电机编码器的线数

808D系统发出的步进电机最高频率在MD31350中设定为333333（见图4），并且不可修改，为了提高电机的分辨率，编码器至少在2500线，在系统中再进行4倍频，因此，电机的最高转速就可以计算为

这也符合西门子1FL5电机最高转速大多为2000r/min的事实，这是产品定位决定的。

图4

2.2 传动计算

齿轮齿条（Gear & Rack），是利用齿轮的旋转将旋转运动与直线运动互相转换的装置见图5，分为直齿和斜齿，不做赘述。

齿轮侧每转移动量Lg（M=模数，Z=齿轮齿数）：

电机侧每转移动量Lm（n=减速比）：

图5

在参数设定时，将齿轮齿条结构等效为丝杠结构，那么除去传动比影响的齿轮侧每转移动量Lg就相当于丝杠螺距，因此参数设置如图6：

图6

电机转速ωm = 2000rpm所能实现的桁架线速度Vm：

设计移动线速度Vd = 90m/min所需要的电机转速ωd：

因此，在现有传动机构下，当前2000rpm的电机转速最快只能使本桁架运行到71.6m/min，现实的情况也就是如此，桁架运行的最高速度被钳制在了约70m/min，而设计要求的90m/min线速度需要至少2500rpm的电机转速。

2.3控制原理

SINUMERIK 808D系统在控制华大SBF驱动器时，808D系统根据插补器的处理结果，给SBF驱动器发送一定数量的脉冲信号，华大驱动器就驱动电机转动一定的角度，轴就前进一定的距离。这个脉冲信号的个数，与电机转动角度的对应关系，由脉冲当量来描述。

脉冲当量（Pulse Equivalency）是当控制器输出一个定位控制脉冲时，所产生的定位控制移动的位移。对直线运动来说，是指移动的距离，对圆周运动来说，是指其转动的角度。对于机床类设备而言，相对于每一脉冲信号的机床运动部件的位移量称为脉冲当量，又称作最小设定单位。

808D数控系统中，描述这个物理量的参数为图7：

图7

在华大SBF驱动器中，描述这个物理量的参数为图8：

图8

这样，在SBF驱动中，位置指令脉冲分频4:1的含义就是：每接收4个指令脉冲，电机旋转一个最小移动量。而电机的最小移动量是多少呢？这由编码器的分辨率决定。如果编码器的精度到1°，驱动器是没法控制电机转到4.3°的。而此电机的编码器一圈的线数是2500，那么每圈所需的脉冲数就是2500×4=10000，与808D的MD31400设置的10000脉冲/圈相等。

这在控制体系中非常重要。两个设备（同品牌/不同品牌）之间要传递指令信息，不论信息的载体是什么或者中间经过几个传递环节，最重要的是要保证这些环节与载体都是“同意传递”，而非“同型传递”。

举个例子：A是中国人，B是翻译官，C是美国人，A对B说一句话，请B翻译给C，那么可能出现以下的情况：

这就是为什么808D数控系统与SBF驱动器两边的设置都要统一为10000脉冲/圈的含义，只有这样，808D控制器的位置指令才能得到SBF的正确执行。

2.4问题的解决

没有办法提升最大脉冲输出频率，那么如果能修改脉冲当量，让每个脉冲所代表的旋转角度更大，那么就可以让333333Hz的脉冲能指令更快的电机速度了。

对于SBF驱动器，按图9设置即可让脉冲当量扩大一倍：

图9

即：位置指令脉冲分频变为2:1：每接收2个指令脉冲，电机旋转一个最小移动量。这样，对于编码器2500线的电机来说，5000脉冲的指令就可以让电机转一圈。333333Hz的最大脉冲频率可指令的最大的电机转速由式（1）为：

满足了控制要求！但是，这样违反了“同意传递”的原则，即图10：

图10

这必然会导致系统指令1mm，机械运动2mm。那么，如何在MD31400无法改变的情况下，增大808D侧的脉冲当量呢？我的思路是改变不了每个脉冲所代表的电机旋转角度，就改变每个脉冲所代表的最终运动距离，也是一样的效果如图11。

图11

3、问题总结

3.1方法总结

最终的解决方案如图12：

图12

本次问题解决的思路是：分析参数传递本质，找出恒定参数的替代参数。

3.2不足之处

担心有可能导致丢脉冲的现象，影响精度，但是因为改变脉冲当量之后，一转脉冲数5000仍然大于编码器线数2500，所以这个可能性很小。需要现场检验。

3.3现场检验

通过如上参数修改，桁架轴顺利开到90m/min以上，长时间拷机未发现丢脉冲等可能的因素引起的精度问题。

4、结语

SINUMERIK 808D（一代）从系统和电机两个方面将进给轴电机的转速限制在2000rpm，但是在非常规情况下，也可以绕开这个限制，从而使可控制的电机最大转速达到理论上的8000rpm，这个用法增加了808D系统应用的灵活性。本文旨在介绍此次桁架式机械手项目的控制原理，分析和归纳808D系统的进给轴电机突破2000rpm的原理及方法，得出解决方案。对于初接触桁架式机械手的工程师，以及在其他的808D应用案例中需要进给电机2000rpm以上转速的项目，或可有所帮助。