淺談并聯(lián)機(jī)器人開放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建

蘇勇

摘 要：并聯(lián)機(jī)器人是新型自動(dòng)化加工設(shè)備，并聯(lián)機(jī)器人具有并聯(lián)在很大程度上解決了純并聯(lián)機(jī)床在作業(yè)空間小的限制，為并聯(lián)機(jī)床帶來了很大的發(fā)展空間。控制系統(tǒng)采用“PC+Turbo PMAC”的開放模式，形成以PC機(jī)為上位機(jī)、Turbo PMAC多軸控制卡為下位機(jī)的分布式控制。在伺服系統(tǒng)中主要使用了伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，通過主軸系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)一般零件的加工，并數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制器部分是系統(tǒng)的核心，它的功能將直接影響著數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。并聯(lián)機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)利用了Turbo PMAC提供的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算功能，通過Turbo PMAC提供的段細(xì)分功能實(shí)現(xiàn)。給出機(jī)器人PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及I/O點(diǎn)分配與設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)器人 數(shù)控系統(tǒng) 組成方案

中圖分類號(hào)：TG65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（c）-0018-02

并聯(lián)機(jī)器人是新型自動(dòng)化加工設(shè)備，與傳統(tǒng)并聯(lián)數(shù)控機(jī)床相比，并聯(lián)機(jī)器人具有并聯(lián)在很大程度上解決了純并聯(lián)機(jī)床在作業(yè)空間小的限制，為并聯(lián)機(jī)床帶來了很大的發(fā)展空間。下面，談?wù)勗谶@方面的心得體會(huì)。

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)工作原理

本著構(gòu)建開放式數(shù)控系統(tǒng)的思想，該數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)建模式為“PC+Turbo PMAC”，PC機(jī)作為上位機(jī)主要完成管理工作，而數(shù)控的核心工作由下位機(jī)Turbo PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器完成。

并聯(lián)機(jī)床的控制比傳統(tǒng)機(jī)床的控制更為復(fù)雜。傳統(tǒng)數(shù)控系，每一臺(tái)設(shè)備都成為自動(dòng)化的“孤島”，對(duì)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化和信息化發(fā)展是一個(gè)障礙；由于并聯(lián)機(jī)床具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但數(shù)學(xué)模型復(fù)雜的特點(diǎn)，所以必須通過機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行變換，將虛軸的規(guī)劃量轉(zhuǎn)換為實(shí)軸的控制量，該過程又稱為虛實(shí)映射。

數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制器部分是系統(tǒng)的核心，它的功能將直接影響著數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。并聯(lián)機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)利用了Turbo PMAC提供的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算功能，通過Turbo PMAC提供的段細(xì)分功能實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控程序可直接進(jìn)入Turbo PMAC中，只需要在Turbo PMAC中進(jìn)行簡(jiǎn)單的代碼轉(zhuǎn)換，就可以替換成Turbo PMAC指令格式，由Turbo PMAC自動(dòng)完成粗插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)學(xué)變換和實(shí)軸電機(jī)控制。

2 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成方案

控制系統(tǒng)采用“PC+Turbo PMAC”的開放模式，形成以PC機(jī)為上位機(jī)、Turbo PMAC多軸控制卡為下位機(jī)的分布式控制。主要硬件模塊包括工控機(jī)、PMAC卡、I/O板、伺服驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)、主軸驅(qū)動(dòng)等。I/0板連接到Turbo PMAC上，通過內(nèi)置的PLC功能控制機(jī)器的輔助功能設(shè)備、主軸啟停、檢測(cè)機(jī)床限位、驅(qū)動(dòng)指示裝置和報(bào)警裝置、檢測(cè)控制面板輸入指令信號(hào)等。

3 系統(tǒng)硬件組成介紹

3.1 Turbo PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器

Turbo PMAC是美國Delta Tau公司在PMAC的基礎(chǔ)上推出的基于工業(yè)PC和Windows操作系統(tǒng)的開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器。Turbo PMAC既可單獨(dú)執(zhí)行存儲(chǔ)于控制器內(nèi)部的程序，也可執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序。

3.2 Turbo PMAC

PC工控機(jī)選用研華AWS-2848VTP作為數(shù)控系統(tǒng)上位機(jī)，完成數(shù)控系統(tǒng)的控制管理和任務(wù)調(diào)度功能。AWS-2848VTP是一體化工作站，集成了CPU卡、防水觸摸鍵盤和15″TFT液晶顯示器，14-SLOT底板包含PCI和ISA總線接口，鍵盤控制器可實(shí)現(xiàn)一體化鍵盤的管理和功能鍵的硬件編程定義，LCD控制器完成對(duì)一體化顯示器的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)換。選用配置為：內(nèi)存256 M、硬盤40 G、CPU-P4/1.8 G。

3.3 伺服系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包含六套伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分別用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三組直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和工作臺(tái)的兩組交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，均采用光柵尺進(jìn)行位置檢測(cè)。直線電機(jī)為TB3810-ES-A4-C0-TH，筒式結(jié)構(gòu)，三相交流驅(qū)動(dòng)輸入，霍爾元件模擬換相，輸出推力為3 960/880/223 N。驅(qū)動(dòng)器為Copley 7426AC，霍爾元件換相檢測(cè)，單相AC220 V供電，三相驅(qū)動(dòng)輸出。交流伺服電機(jī)為GYS401DC2-T2，最大轉(zhuǎn)速3 000 rpm，三相交流輸入，功率0.4 kW；驅(qū)動(dòng)器為RYC401D3-VVT2，單相AC220 V供電，三相驅(qū)動(dòng)輸出。光柵尺型號(hào)為RGH22S30D15，分辨力0.1μm，有零位和雙極限檢測(cè)，直流5 V供電。通過Turbo PMAC的五個(gè)伺服控制通道，實(shí)現(xiàn)五組伺服系統(tǒng)的全閉環(huán)控制。

3.4 主軸系統(tǒng)

主軸系統(tǒng)包括變頻調(diào)速器和電主軸，變頻器為西門子MM440，功率2.2 kW，單相220 V供電，三相輸出，頻率范圍0～650 Hz；電主軸為80XD24C，最高轉(zhuǎn)速24 000 rpm，功率1 kW。利用Turbo PMAC的第7號(hào)伺服通道進(jìn)行變頻器的開環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電主軸無級(jí)調(diào)速，以支持?jǐn)?shù)控代碼中的主軸速度（S指令）和控制指令（M指令）。

P0006=1 顯示方式，運(yùn)行準(zhǔn)備時(shí)顯示設(shè)定頻率，運(yùn)行時(shí)顯示實(shí)際輸出頻率；P0205=0恒轉(zhuǎn)矩應(yīng)用；P0304=220電機(jī)額定電壓220 V；P0305=3.5電機(jī)額定電流3.5 A；P0307=1電機(jī)額定功率1 kW；P0310=400電機(jī)額定頻率400 Hz；P0311=24 000電機(jī)額定轉(zhuǎn)速24 000 rpm；P0700=2端子排數(shù)字端子輸入命令；P0701=1 選擇數(shù)字輸入1（DIN1）控制電機(jī)正轉(zhuǎn)/停止；P0756=0單極性0～10 V電壓輸入；P0757=0控制電壓0 V；P0758=0%基準(zhǔn)頻率，即0 Hz；P0759=10控制電壓10 V；P0760=100%基準(zhǔn)頻率，即400 Hz；P1000=2選擇模擬端子1（AIN1）進(jìn)行頻率設(shè)定；P1080=5電機(jī)最小頻率5 Hz（約300 rpm），該值用來限制低速運(yùn)行；P1082=400電機(jī)最大頻率400 Hz（24 000 rpm），該值用來限制高速運(yùn)行；P1300=0線性V/f控制；P2000=400基準(zhǔn)頻率400 Hz。

3.5 I/O控制

實(shí)現(xiàn)I/O控制的ACC-34AA為外置32入/32出輸入輸出接口板，在每一位進(jìn)行單獨(dú)隔離，在輸入點(diǎn)有1 ms的RC濾波，連接到Turbo PMAC的JTHW端口上，與Turbo PMAC串行通訊，并具有奇偶校驗(yàn)。通過Turbo PMAC內(nèi)置的PLC功能控制機(jī)器的輔助功能設(shè)備、主軸啟停、驅(qū)動(dòng)指示裝置和報(bào)警裝置，檢測(cè)控制面板輸入信號(hào)等。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由多桿支承，與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。并聯(lián)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工業(yè)，解決傳統(tǒng)并聯(lián)數(shù)控機(jī)床的不足。在伺服系統(tǒng)中主要使用了伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，通過主軸系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)一般零件的加工，并給出機(jī)器人PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及I/O點(diǎn)分配與設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

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