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(jià)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(duì)808D系統(tǒng)的參數(shù)以及驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)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(dòng)路徑，主要進(jìn)行水平與垂直的直線移動(dòng)，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(gè)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(dòng)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(dòng)作靈活性的與負(fù)載的優(yōu)勢，但是勝在可以大范圍移動(dòng)。  

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(tái)磨床，一臺(tái)送料機(jī)，一臺(tái)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(duì)于動(dòng)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(dòng)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(dòng)才能保障零件搬運(yùn)的效率。設(shè)計(jì)運(yùn)行速度是90m/min。

1.2項(xiàng)目配置

本臺(tái)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(jì)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(jì)對(duì)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(jì)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(dòng)計(jì)算

齒輪齒條（Gear & Rack），是利用齒輪的旋轉(zhuǎn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)量Lg（M=模數(shù)，Z=齒輪齒數(shù)）：

電機(jī)側(cè)每轉(zhuǎn)移動(dòng)量Lm（n=減速比）：

圖5

在參數(shù)設(shè)定時(shí)，將齒輪齒條結(jié)構(gòu)等效為絲杠結(jié)構(gòu)，那么除去傳動(dòng)比影響的齒輪側(cè)每轉(zhuǎn)移動(dòng)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(jì)移動(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)器時(shí)，808D系統(tǒng)根據(jù)插補(bǔ)器的處理結(jié)果，給SBF驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一定數(shù)量的脈沖信號(hào)，華大驅(qū)動(dòng)器就驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，軸就前進(jìn)一定的距離。這個(gè)脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的對(duì)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(gè)定位控制脈沖時(shí)，所產(chǎn)生的定位控制移動(dòng)的位移。對(duì)直線運(yùn)動(dòng)來說，是指移動(dòng)的距離，對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)來說，是指其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。對(duì)于機(jī)床類設(shè)備而言，相對(duì)于每一脈沖信號(hào)的機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(gè)物理量的參數(shù)為圖7：

圖7

在華大SBF驅(qū)動(dòng)器中，描述這個(gè)物理量的參數(shù)為圖8：

圖8

這樣，在SBF驅(qū)動(dòng)中，位置指令脈沖分頻4:1的含義就是：每接收4個(gè)指令脈沖，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)最小移動(dòng)量。而電機(jī)的最小移動(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)例子：A是中國人，B是翻譯官，C是美國人，A對(duì)B說一句話，請(qǐng)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(dòng)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(gè)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(duì)于SBF驅(qū)動(dòng)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(gè)指令脈沖，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)最小移動(dòng)量。這樣，對(duì)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)指令1mm，機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(gè)脈沖所代表的電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，就改變每個(gè)脈沖所代表的最終運(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)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(dòng)說明書《SBF系列說明書9.6版》