1  前言

       伴隨著中國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，制造業(yè)領(lǐng)域?qū)Τ墒斓漠a(chǎn)業(yè)工人的需要越來越大，這勢(shì)必會(huì)帶來勞動(dòng)力成本的增加，隨之而來的還有人員的安全保障、操作工人的統(tǒng)一管理，以及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性等一系列問題，這些都制約著企業(yè)的高速發(fā)展。而隨著智能無人化工廠的興起，工業(yè)機(jī)械人的大量應(yīng)用能夠有效地解決這一難題。

       目前，各種機(jī)床制造商紛紛轉(zhuǎn)投工業(yè)機(jī)械人這一新興產(chǎn)業(yè)，去研發(fā)相關(guān)的機(jī)械人設(shè)備。但是，在市場(chǎng)上，他們面對(duì)的往往是通用型的控制系統(tǒng)，如PLC 伺服控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)只能構(gòu)建相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械手控制，并不能滿足復(fù)雜和可靠的運(yùn)動(dòng)控制。而專用的機(jī)械人系統(tǒng)，不但價(jià)格高，而且可開發(fā)性不足，往往不能滿足各行各業(yè)工藝客制化的需求。目前，臺(tái)達(dá)整體解決方案已經(jīng)能夠有效地解決這一問題。

2  機(jī)械設(shè)計(jì)和動(dòng)作要求

       機(jī)床上下料搬運(yùn)機(jī)械手多為桁架結(jié)構(gòu)，通常由2~4軸直角坐標(biāo)系機(jī)械模組組成，其中X軸為水平軸，多為齒輪齒條設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)將零件移動(dòng)到不同的機(jī)床工位，而Z軸為垂直軸，多為絲桿結(jié)構(gòu)或者齒輪齒條設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)將零件提升到安全高度或者下降到機(jī)床可裝夾高度。如果再配合機(jī)械手頂部配合旋轉(zhuǎn)A軸或者B軸機(jī)構(gòu)，還能夠?qū)崿F(xiàn)零件的反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向等更多復(fù)雜的裝夾動(dòng)作。而X軸最大行程可到達(dá)20米以上，能夠滿足整條生產(chǎn)線多臺(tái)機(jī)床之間的零件搬運(yùn)工作。

圖1 機(jī)床上下料搬運(yùn)機(jī)械手

3  機(jī)床上下料搬運(yùn)機(jī)械手的控制要求

       獨(dú)立性：機(jī)床搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)往往為獨(dú)立的控制系統(tǒng)，不依靠機(jī)床的控制器進(jìn)行控制，機(jī)械手的運(yùn)行只需根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)、CNC與機(jī)械手之間的I/O信號(hào)或者通訊總線交換數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，不影響機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)。

       可靠性：對(duì)于長(zhǎng)距離搬運(yùn)機(jī)械手安裝而言，當(dāng)采用齒輪和齒條設(shè)計(jì)時(shí)，X軸和Z軸伺服電機(jī)往往安裝在行走機(jī)構(gòu)上，跟隨機(jī)械手一起行走，但因?yàn)轵?qū)動(dòng)器和電機(jī)距離太遠(yuǎn)，這樣設(shè)計(jì)往往會(huì)引起編碼器線信號(hào)衰減問題。而如果將驅(qū)動(dòng)器也安裝到行走機(jī)構(gòu)上，控制器和驅(qū)動(dòng)器之間的命令信號(hào)也同樣會(huì)面臨信號(hào)衰減、雜訊干擾的風(fēng)險(xiǎn)。所以，如何穩(wěn)定可靠地解決命令傳輸問題也是衡量控制系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素。

       便捷性：當(dāng)驅(qū)動(dòng)器安裝在行走機(jī)構(gòu)上后，使用者往往希望驅(qū)動(dòng)器的體積更小，以減少整個(gè)機(jī)構(gòu)安裝的空間。

       高響應(yīng)和實(shí)時(shí)性：對(duì)于高端的控制系統(tǒng)，還需要諸如運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)實(shí)時(shí)反饋功能、示教功能，以及可靠度的安全防護(hù)功能等。

4  基于臺(tái)達(dá)高速運(yùn)動(dòng)總線的機(jī)械手整體解決方案

4.1控制架構(gòu)的創(chuàng)新

       在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)中，運(yùn)動(dòng)控制往往依賴于中央控制器，如PLC單元。同人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣，PLC系統(tǒng)扮演著大腦的角色，用戶由HMI輸入數(shù)據(jù)，PLC在負(fù)責(zé)將運(yùn)動(dòng)命令通過脈沖方式或者總線方式下達(dá)給伺服系統(tǒng)同時(shí)，還要處理外部的I/O邏輯命令，如急停、高速中斷響應(yīng)等?？刂频妮S數(shù)越多， PLC的負(fù)擔(dān)越重，處理速度越慢，而且成本也越高。

       與傳統(tǒng)的控制架構(gòu)不同，借助于分散式的設(shè)計(jì)理念，臺(tái)達(dá)機(jī)械手解決方案主要由HMC運(yùn)動(dòng)控制器和臺(tái)達(dá)M系列三合一伺服兩部分構(gòu)成，其中HMC運(yùn)動(dòng)控制器相當(dāng)于HMI人機(jī)單元和PLC的綜合體，負(fù)責(zé)完成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和排序，而M系列伺服則相當(dāng)于3臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)處理器的綜合體，負(fù)責(zé)完成運(yùn)動(dòng)控制的處理。串聯(lián)起它們的是臺(tái)達(dá)DMCNET高速運(yùn)動(dòng)總線。

圖2 傳統(tǒng)方案與臺(tái)達(dá)方案的控制結(jié)構(gòu)對(duì)比

       這樣設(shè)計(jì)的好處是每個(gè)部件都具有獨(dú)立思考的能力，大大減輕了運(yùn)動(dòng)控制器的負(fù)擔(dān)，同時(shí)借助于M系列內(nèi)建了PR內(nèi)部位置模式和內(nèi)部插補(bǔ)功能可以獨(dú)立完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，包含機(jī)械手單軸運(yùn)動(dòng)控制或者多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，而不需要上位控制器的參與和協(xié)調(diào)，這樣各個(gè)部件間的數(shù)據(jù)交換量減少，大大減少了多軸控制的掃描時(shí)間和提高了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)性。

4.2臺(tái)達(dá)高速運(yùn)動(dòng)總線DMCnet

       DMCnet是臺(tái)達(dá)自主研發(fā)的高速運(yùn)動(dòng)總線協(xié)議，已經(jīng)在臺(tái)達(dá)CNC、HMC運(yùn)動(dòng)控制器、運(yùn)動(dòng)軸卡、AH500plc運(yùn)動(dòng)模塊等產(chǎn)品上有廣泛的應(yīng)用。其通訊速率可以達(dá)到單向10M，有效通訊距離可以達(dá)到30米，單單借助于一根網(wǎng)線就能完成配線，相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的高速公路。相對(duì)于傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方式而言，大大簡(jiǎn)化了配線方式，這樣在機(jī)械手控制器安裝時(shí)就可以有效避免了信號(hào)衰減和雜訊干擾的風(fēng)險(xiǎn)，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

       其中HMC控制器借助于DMCnet網(wǎng)絡(luò)，控制12軸伺服并且完成12軸的資料更新僅需1ms。使用者可以方便在HMC界面上讀取各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，并借助于控制器自身的安全中斷和便利指令來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各種示教功能、安全機(jī)能、微調(diào)修正功能。

5   臺(tái)達(dá)HMC產(chǎn)品和M系列伺服產(chǎn)品介紹

5.1 臺(tái)達(dá)HMC產(chǎn)品

圖3 臺(tái)達(dá)HMC產(chǎn)品

       臺(tái)達(dá)HMC主要包括HMC08-N500S52 8寸面板安裝型和HMC07-N500H52 7寸手持單元兩種規(guī)格。HMC控制器集成了PLC處理器和HMI單元，使機(jī)械手控制器體積減小，節(jié)約了PLC的安裝空間。借助于DMCnet運(yùn)動(dòng)總線接口連接M系列伺服實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的交換，利用RS422接口可以連接HMC專用I/O模組來實(shí)現(xiàn)邏輯控制。同時(shí)借助于以太網(wǎng)接口連接PC可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端ERP數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)程故障診斷等功能。

       其中HMC07系列還可以通過外置的專用電纜、limit開關(guān)和E-STOP按鈕，做到最遠(yuǎn)10m的便利手持操作和可靠的中斷防護(hù)，而HMC08系列可以外置MPG電子手輪，能夠滿足機(jī)械手手輪示教功能。

       借助于臺(tái)達(dá)DOPSoft 軟件為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)者可以使用臺(tái)達(dá)HMI的編輯方式來設(shè)計(jì)友好、直觀的操作界面，使用兼容于臺(tái)達(dá)PLC的編程指令來規(guī)劃邏輯控制和運(yùn)動(dòng)指令，而無需去掌握高級(jí)的開發(fā)語言。同時(shí)利用HMC特定規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)寄存器，可以將復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制指令“化繁為簡(jiǎn)”，成為明晰的邏輯控制，并且可以同時(shí)運(yùn)行4個(gè)主程序，實(shí)現(xiàn)多軸間的分工協(xié)作。

5.2 M系列伺服

       M系列伺服是臺(tái)達(dá)A2系列伺服之后最新推出的內(nèi)置Motion的伺服，它除了兼容A2系列伺服的全部功能外，還具有三軸運(yùn)動(dòng)控制功能，其中，DSP設(shè)計(jì)使其能夠在不依賴上位機(jī)參與協(xié)調(diào)的情況下獨(dú)立的來完成3軸螺旋插補(bǔ)、直線插補(bǔ)、兩軸圓弧插補(bǔ)等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。未來，臺(tái)達(dá)在M系列還將規(guī)劃內(nèi)置PLC功能和G代碼功能使其能夠滿足更靈活的運(yùn)動(dòng)控制方式。

       同時(shí)，采用共直流電源設(shè)計(jì)，只需一組電源接入、一顆驅(qū)動(dòng)器就能夠同時(shí)拖動(dòng)3顆不同或者相同功率的伺服電機(jī)，減少了機(jī)械手驅(qū)動(dòng)器的安裝空間和配線。

6  結(jié)束語

       “顯控一體，簡(jiǎn)捷高效”是臺(tái)達(dá)HMC運(yùn)動(dòng)控制器獨(dú)特之處，除了機(jī)器手控制領(lǐng)域，在其他產(chǎn)業(yè)機(jī)器領(lǐng)域HMC同樣也可以發(fā)揮功能強(qiáng)大，開發(fā)便捷的優(yōu)勢(shì)。

       從遠(yuǎn)古“木牛流馬”開始，人類就一直追隨著機(jī)器取代人類和超越人類的夢(mèng)想，隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，相信在未來，臺(tái)達(dá)會(huì)有更多更好的控制解決方案應(yīng)運(yùn)而生。

作者簡(jiǎn)介：

張廣偉，1976年出生，畢業(yè)于洛陽拖拉機(jī)學(xué)院數(shù)控技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任臺(tái)達(dá)集團(tuán)--中達(dá)電通股份有限公司高級(jí)應(yīng)用工程師，從事伺服數(shù)控產(chǎn)品的應(yīng)用支持和產(chǎn)品營(yíng)銷工作，十多年電氣相關(guān)職業(yè)經(jīng)驗(yàn)。