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    【摘要】本文介紹了臺達最新推出的基于高速運動總線的機械手整體解決方案，該方案已經應用在機床上下料協作領域，并配合CNC實現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.

    【關鍵字】直角坐標系機械手；分布式控制；運動總線；多軸運動控制

    【Keywords】rectangular coordinate system manipulator; distributed control; motion Bus; multi axis motion control

    1 前言

    伴隨著中國制造業的轉型升級，制造業領域對成熟的產業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、操作工人的統一管理，以及產品質量的穩定性等一系列問題，這些都制約著企業的高速發展。而隨著智能無人化工廠的興起，工業機械人的大量應用能夠有效地解決這一難題。

    目前，各種機床制造商紛紛轉投工業機械人這一新興產業，去研發相關的機械人設備。但是，在市場上，他們面對的往往是通用型的控制系統，如PLC+伺服控制系統，這些系統只能構建相對簡單的機械手控制，并不能滿足復雜和可靠的運動控制。而專用的機械人系統，不但價格高，而且可開發性不足，往往不能滿足各行各業工藝客制化的需求。目前，臺達整體解決方案已經能夠有效地解決這一問題。

    2 機械設計和動作要求

    機床上下料搬運機械手多為桁架結構，通常由2~4軸直角坐標系機械模組組成，其中X軸為水平軸，多為齒輪齒條設計，負責將零件移動到不同的機床工位，而Z軸為垂直軸，多為絲桿結構或者齒輪齒條設計，負責將零件提升到安全高度或者下降到機床可裝夾高度。如果再配合機械手頂部配合旋轉A軸或者B軸機構，還能夠實現零件的反轉、轉向等更多復雜的裝夾動作。而X軸最大行程可到達20米以上，能夠滿足整條生產線多臺機床之間的零件搬運工作。


                    

                                  圖1 機床上下料搬運機械手

    3 機床上下料搬運機械手的控制要求

    獨立性：機床搬運機械手的控制系統往往為獨立的控制系統，不依靠機床的控制器進行控制，機械手的運行只需根據預設參數、CNC與機械手之間的I/O信號或者通訊總線交換數據來實現運行，不影響機床運轉。

    可靠性：對于長距離搬運機械手安裝而言，當采用齒輪和齒條設計時，X軸和Z軸伺服電機往往安裝在行走機構上，跟隨機械手一起行走，但因為驅動器和電機距離太遠，這樣設計往往會引起編碼器線信號衰減問題。而如果將驅動器也安裝到行走機構上，控制器和驅動器之間的命令信號也同樣會面臨信號衰減、雜訊干擾的風險。所以，如何穩定可靠地解決命令傳輸問題也是衡量控制系統可靠性的關鍵因素。

    便捷性：當驅動器安裝在行走機構上后，使用者往往希望驅動器的體積更小，以減少整個機構安裝的空間。

    高響應和實時性：對于高端的控制系統，還需要諸如運動坐標實時反饋功能、示教功能，以及可靠度的安全防護功能等。

    4 基于臺達高速運動總線的機械手整體解決方案

    4.1控制架構的創新

    在傳統的運動控制架構中，運動控制往往依賴于中央控制器，如PLC單元。同人的神經網絡一樣，PLC系統扮演著大腦的角色，用戶由HMI輸入數據，PLC在負責將運動命令通過脈沖方式或者總線方式下達給伺服系統同時，還要處理外部的I/O邏輯命令，如急停、高速中斷響應等。控制的軸數越多， PLC的負擔越重，處理速度越慢，而且成本也越高。

    與傳統的控制架構不同，借助于分散式的設計理念，臺達機械手解決方案主要由HMC運動控制器和臺達M系列三合一伺服兩部分構成，其中HMC運動控制器相當于HMI人機單元和PLC的綜合體，負責完成運動數據的采集、存儲和排序，而M系列伺服則相當于3臺伺服驅動器和運動處理器的綜合體，負責完成運動控制的處理。串聯起它們的是臺達DMCNET高速運動總線。


                    

                                  圖2 傳統方案與臺達方案的控制結構對比

    這樣設計的好處是每個部件都具有獨立思考的能力，大大減輕了運動控制器的負擔，同時借助于M系列內建了PR內部位置模式和內部插補功能可以獨立完成復雜的運動控制，包含機械手單軸運動控制或者多軸插補運動，而不需要上位控制器的參與和協調，這樣各個部件間的數據交換量減少，大大減少了多軸控制的掃描時間和提高了整個系統的響應性。

    4.2臺達高速運動總線DMCnet

    DMCnet是臺達自主研發的高速運動總線協議，已經在臺達CNC、HMC運動控制器、運動軸卡、AH500plc運動模塊等產品上有廣泛的應用。其通訊速率可以達到單向10M，有效通訊距離可以達到30米，單單借助于一根網線就能完成配線，相當于運動數據的高速公路。相對于傳統的運動控制方式而言，大大簡化了配線方式，這樣在機械手控制器安裝時就可以有效避免了信號衰減和雜訊干擾的風險，提高了控制系統的實時性和可靠性。

    其中HMC控制器借助于DMCnet網絡，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界面上讀取各個運動軸的實時坐標，并借助于控制器自身的安全中斷和便利指令來實現機械手各種示教功能、安全機能、微調修正功能。

    5 臺達HMC產品和M系列伺服產品介紹

    5.1 臺達HMC產品


                    

                                         圖3 臺達HMC產品

    臺達HMC主要包括HMC08-N500S52 8寸面板安裝型和HMC07-N500H52 7寸手持單元兩種規格。HMC控制器集成了PLC處理器和HMI單元，使機械手控制器體積減小，節約了PLC的安裝空間。借助于DMCnet運動總線接口連接M系列伺服實現運動數據的交換，利用RS422接口可以連接HMC專用I/O模組來實現邏輯控制。同時借助于以太網接口連接PC可以實現遠端ERP數據管理、遠程故障診斷等功能。

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

    借助于臺達DOPSoft 軟件為開發平臺，開發者可以使用臺達HMI的編輯方式來設計友好、直觀的操作界面，使用兼容于臺達PLC的編程指令來規劃邏輯控制和運動指令，而無需去掌握高級的開發語言。同時利用HMC特定規劃的運動寄存器，可以將復雜的運動控制指令“化繁為簡”，成為明晰的邏輯控制，并且可以同時運行4個主程序，實現多軸間的分工協作。

    5.2 M系列伺服

    M系列伺服是臺達A2系列伺服之后最新推出的內置Motion的伺服，它除了兼容A2系列伺服的全部功能外，還具有三軸運動控制功能，其中，DSP設計使其能夠在不依賴上位機參與協調的情況下獨立的來完成3軸螺旋插補、直線插補、兩軸圓弧插補等復雜的運動控制。未來，臺達在M系列還將規劃內置PLC功能和G代碼功能使其能夠滿足更靈活的運動控制方式。

    同時，采用共直流電源設計，只需一組電源接入、一顆驅動器就能夠同時拖動3顆不同或者相同功率的伺服電機，減少了機械手驅動器的安裝空間和配線。

    6 結束語

    “顯控一體，簡捷高效”是臺達HMC運動控制器獨特之處，除了機器手控制領域，在其他產業機器領域HMC同樣也可以發揮功能強大，開發便捷的優勢。

    從遠古“木牛流馬”開始，人類就一直追隨著機器取代人類和超越人類的夢想，隨著機器人技術的飛速發展，相信在未來，臺達會有更多更好的控制解決方案應運而生。

    作者簡介：

    張廣偉，1976年出生，畢業于洛陽拖拉機學院數控技術專業，現任臺達集團--中達電通股份有限公司高級應用工程師，從事伺服數控產品的應用支持和產品營銷工作，十多年電氣相關職業經驗。