□黃偉□賈志聞

杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司研究院杭州310018

動(dòng)梁式龍門機(jī)器人雙驅(qū)同步控制研究

□黃偉□賈志聞

杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司研究院杭州310018

介紹了動(dòng)梁式龍門機(jī)器人系統(tǒng)，分析了龍門機(jī)器人雙驅(qū)同步控制存在的問(wèn)題。針對(duì)存在的問(wèn)題，采用六種同步方式進(jìn)行對(duì)比，最終確認(rèn)并采用了最合適的同步方式，滿足了實(shí)際生產(chǎn)要求。

雙伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)在動(dòng)梁式龍門數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用較為廣泛[1]。針對(duì)飲料生產(chǎn)線的實(shí)際情況，動(dòng)梁式龍門機(jī)器人跨度達(dá)到2.5 m，實(shí)際可用行程約為2.2 m。若采用傳統(tǒng)的單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，需要較長(zhǎng)的傳動(dòng)軸，跨梁結(jié)構(gòu)體積大。采用雙驅(qū)結(jié)構(gòu)跨梁結(jié)構(gòu)體積小、簡(jiǎn)潔，且保持了單驅(qū)機(jī)構(gòu)加速度較高等優(yōu)點(diǎn)，但是，由于雙驅(qū)結(jié)構(gòu)中齒輪、齒條等部件存在制造及安裝誤差，以及其它因素（摩擦力、負(fù)載偏心、環(huán)境因素等）的影響，使得龍門框架的移動(dòng)不能保證一致，即產(chǎn)生兩同步軸不同步誤差[2-3]。同時(shí)，橫梁這種大型移動(dòng)部件造成的機(jī)械耦合受到不同步誤差影響會(huì)引起兩軸的拉扯，從而使不同步誤差進(jìn)一步擴(kuò)大[4]。

為提高同步控制精度及運(yùn)行平穩(wěn)性，筆者使用了6種雙驅(qū)同步控制方式進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，從實(shí)際扭矩曲線出發(fā)，找出最適合的控制方式。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，動(dòng)梁式龍門碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)負(fù)載300 kg，X軸行程4 300 mm，Y軸行程2 200 mm，Z軸行程1 850 mm。X軸采用雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Y、Z、R軸采用單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。X、Y、Z軸均為齒輪齒條結(jié)構(gòu)，伺服電機(jī)通過(guò)行星減速器輸出扭矩，減速器輸出端安裝斜齒輪。R軸位于Z軸末端，采用RV減速器，使抓具360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)采用西門子SIMOTION D435可編程序運(yùn)動(dòng)控制器，各種傳感器連接到分布式從站模塊，控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。夾具將輸出線上的產(chǎn)品搬運(yùn)至棧板上，按預(yù)定的碼垛規(guī)則進(jìn)行碼垛。

圖1 動(dòng)梁式龍門機(jī)器人

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

2 同步方案對(duì)比測(cè)試

由于X軸兩側(cè)齒輪齒條制造精度及機(jī)械安裝精度所限，兩側(cè)存在著位置誤差。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，兩側(cè)位置誤差達(dá)3.2 mm，換算到伺服電機(jī)軸上有100°的位置差。采用普通的位置控制模式會(huì)出現(xiàn)拉扯現(xiàn)象[5-6]，扭矩圖上表現(xiàn)為兩臺(tái)伺服電機(jī)的出力方向不一致，一個(gè)為正一個(gè)為負(fù)。由于龍門式結(jié)構(gòu)在跨度、傳動(dòng)方式、負(fù)載質(zhì)量及慣量等方面存在差異，采用同一種同步方式，結(jié)果也不一樣，需要用不同的同步方式進(jìn)行試驗(yàn)。筆者針對(duì)機(jī)器人X軸雙驅(qū)同步，采用了6種同步方式試驗(yàn)。通過(guò)觀察扭矩曲線，目標(biāo)為兩臺(tái)伺服電機(jī)均作正功，其中一臺(tái)伺服電機(jī)不作為另一臺(tái)伺服電機(jī)的負(fù)載，平均扭矩低于伺服電機(jī)額定值為最佳。

（1）方案一，采用電子齒輪位置同步方式。建立一虛擬軸，雙實(shí)軸同時(shí)跟隨虛擬軸進(jìn)行電子齒輪位置同步，在0～4 200 mm范圍內(nèi)力矩檢測(cè)如圖3所示。

圖3 方案一力矩圖

圖3中黃色和紅色曲線分別表示兩軸力矩實(shí)測(cè)值，從圖3中可發(fā)現(xiàn)，行程中100～120 s位置紅色力矩增大，黃色力矩負(fù)向增大，存在拉扯；在140 s位置則反向，亦存在拉扯。不同的位置出現(xiàn)了伺服電機(jī)作為負(fù)載的情況，雙軸存在拉扯現(xiàn)象。

（2）方案二，采用力矩跟隨控制方式。X軸中的一個(gè)軸作為主軸，采用位置控制。另外一個(gè)軸作為從軸，采用力矩控制。主軸力矩實(shí)際值作為從軸的力矩給定值。

測(cè)試結(jié)果為機(jī)器人抖動(dòng)非常劇烈，雙軸出現(xiàn)共振現(xiàn)象，主軸及從軸力矩在-20～20 N·m之間波動(dòng)。

（3）方案三，主軸位置控制，從軸與主軸采用速度齒輪同步，速度齒輪比為1.05，使從軸速度略大于主軸，并將主軸力矩作為從軸力矩限幅。

低速時(shí)兩臺(tái)伺服電機(jī)的力矩值均比較小，沒(méi)有出現(xiàn)拉扯，高速時(shí)力矩曲線則出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 方案三力矩圖

（4）方案四，采用電子凸輪方式。主軸位置控制，從軸繪制凸輪曲線，跟隨凸輪同步，以消除雙軸兩側(cè)機(jī)械誤差。

由于西門子SCOUT軟件沒(méi)有生成實(shí)際凸輪曲線的工具[7]，因此采用手工繪制由有限點(diǎn)生成的凸輪曲線不能完全抵消機(jī)械實(shí)際偏差。力矩曲線如圖5所示。

圖5 方案四力矩圖

（5）方案五，主軸位置控制，從軸速度環(huán)同步主軸，即將主軸的實(shí)際速度作為從軸的速度設(shè)定值。

起步階段雙軸力矩波動(dòng)過(guò)大，某些位置依然存在拉扯現(xiàn)象，力矩曲線如圖6所示。

圖6 方案五力矩圖

（6）方案六，速度環(huán)同步于主軸，并且將主軸實(shí)際扭矩與從軸差值乘以一個(gè)因數(shù)作為補(bǔ)償值，同時(shí)在拉扯時(shí)對(duì)從軸扭矩限幅[8-10]。速度給定值程序代碼如下：

扭矩限幅代碼如下：

力矩曲線如圖7所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用速度跟隨、速度補(bǔ)償及扭矩限幅的方式，在運(yùn)行過(guò)程中針對(duì)加速段、減速段、恒速段進(jìn)行速度補(bǔ)償調(diào)整及扭矩限制，可以防止出現(xiàn)拉扯現(xiàn)象，在伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行比較平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

圖7 方案六力矩圖

[1]馮文龍，沈牧文，姚曉棟，等.大型龍門機(jī)床的直線度誤差建模及誤差補(bǔ)償[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,47（7）: 31-36.

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[3]王書森，梅瑛，李瑞琴.新型3T2R龍門式混聯(lián)機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016,52（15）:81-90.

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（編輯：丁罡）

Introduced the walking-beam gantry robot system and analyzed the double-drive synchronous control of the gantry robot.In viewof the existing problems,six synchronizing systems were compared,and finally the most appropriate synchronizing systemwas confirmed and used tomeet the actual production requirements.

機(jī)器人；自動(dòng)控制；研究

Robot；Automatic control；Research

TH122

A

1672-0555（2017）02-029-03

2016年12月

黃偉（1983—），男，碩士，工程師，主要從事機(jī)器人開發(fā)及工業(yè)控制工作。