【摘要】本文介紹了臺達(dá)最新推出的基于高速運(yùn)動總線的機(jī)械手整體解決方案，該方案已經(jīng)應(yīng)用在機(jī)床上下料協(xié)作領(lǐng)域，并配合CNC實(shí)現(xiàn)全自動加工的無縫連接。
【Abstract】This paper introduces Delta's new solution of manipulator based on high speed bus, this solution has been used in loading and unloading of machine tools, and realizes the seamless connection of automatic processing cooperating with CNC.
【關(guān)鍵字】直角坐標(biāo)系機(jī)械手；分布式控制；運(yùn)動總線；多軸運(yùn)動控制
【Keywords】rectangular coordinate system manipulator; distributed control; motion Bus; multi axis motion control

1  前言
      伴隨著中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，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，這勢必會帶來勞動力成本的增加，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，在市場上，他們面對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)建相對簡單的機(jī)械手控制，并不能滿足復(fù)雜和可靠的運(yùn)動控制。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：對于長距離搬運(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)動器和電機(jī)距離太遠(yuǎn)，這樣設(shè)計(jì)往往會引起編碼器線信號衰減問題。而如果將驅(qū)動器也安裝到行走機(jī)構(gòu)上，控制器和驅(qū)動器之間的命令信號也同樣會面臨信號衰減、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)動器安裝在行走機(jī)構(gòu)上后，使用者往往希望驅(qū)動器的體積更小，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：對于高端的控制系統(tǒng)，還需要諸如運(yùn)動坐標(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  基于臺達(dá)高速運(yùn)動總線的機(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)動控制架構(gòu)中，運(yùn)動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，臺達(dá)機(jī)械手解決方案主要由HMC運(yùn)動控制器和臺達(dá)M系列三合一伺服兩部分構(gòu)成，其中HMC運(yùn)動控制器相當(dāng)于HMI人機(jī)單元和PLC的綜合體，負(fù)責(zé)完成運(yùn)動數(shù)據(jù)的采集、存儲和排序，而M系列伺服則相當(dāng)于3臺伺服驅(qū)動器和運(yùn)動處理器的綜合體，負(fù)責(zé)完成運(yùn)動控制的處理。串聯(lián)起它們的是臺達(dá)DMCNET高速運(yùn)動總線。

圖2 傳統(tǒng)方案與臺達(dá)方案的控制結(jié)構(gòu)對比

      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)動控制，包含機(jī)械手單軸運(yùn)動控制或者多軸插補(bǔ)運(yùn)動，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臺達(dá)高速運(yùn)動總線DMCnet
      DMCnet是臺達(dá)自主研發(fā)的高速運(yùn)動總線協(xié)議，已經(jīng)在臺達(dá)CNC、HMC運(yùn)動控制器、運(yùn)動軸卡、AH500plc運(yùn)動模塊等產(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)動數(shù)據(jù)的高速公路。相對于傳統(tǒng)的運(yùn)動控制方式而言，大大簡化了配線方式，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   臺達(dá)HMC產(chǎn)品和M系列伺服產(chǎn)品介紹
5.1 臺達(dá)HMC產(chǎn)品

圖3 臺達(dá)HMC產(chǎn)品

臺達(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)動總線接口連接M系列伺服實(shí)現(xiàn)運(yùn)動數(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。
      借助于臺達(dá)DOPSoft 軟件為開發(fā)平臺，開發(fā)者可以使用臺達(dá)HMI的編輯方式來設(shè)計(jì)友好、直觀的操作界面，使用兼容于臺達(dá)PLC的編程指令來規(guī)劃邏輯控制和運(yùn)動指令，而無需去掌握高級的開發(fā)語言。同時(shí)利用HMC特定規(guī)劃的運(yùn)動寄存器，可以將復(fù)雜的運(yùn)動控制指令“化繁為簡”，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)動控制。未來，臺達(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)動器就能夠同時(shí)拖動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)動器的安裝空間和配線。

6  結(jié)束語
      “顯控一體，簡捷高效”是臺達(dá)HMC運(yùn)動控制器獨(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。
      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想，隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，相信在未來，臺達(dá)會有更多更好的控制解決方案應(yīng)運(yùn)而生。

作者簡介：
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)任臺達(dá)集團(tuán)--中達(dá)電通股份有限公司高級應(yīng)用工程師，從事伺服數(shù)控產(chǎn)品的應(yīng)用支持和產(chǎn)品營銷工作，十多年電氣相關(guān)職業(yè)經(jīng)驗(yàn)。