黃 健，李占賢

(華北理工大學(xué) 河北省工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

伺服系統(tǒng)是構(gòu)成自動化體系的基本環(huán)節(jié)，是自動控制系統(tǒng)的一個分支，近幾十年來，伴隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及電力半導(dǎo)體和電機(jī)制造技術(shù)的巨大進(jìn)步，使得伺服技術(shù)在許多高科技領(lǐng)域都有發(fā)揮，尤其在機(jī)器人研究領(lǐng)域更是得到廣泛應(yīng)用[1]。目前機(jī)器人開發(fā)朝著智能機(jī)器人的方向發(fā)展，要求機(jī)器人能完成更加復(fù)雜和更加精細(xì)的工作。這就使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行,同時也對機(jī)器人控制性能提出了更高要求[2]，伺服控制技術(shù)就成了其中的關(guān)鍵技術(shù)之一,因此本文對串聯(lián)機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 機(jī)械臂

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖1所示。該空間機(jī)械臂主要由安裝底座、大臂、小臂、手腕、手爪順次串聯(lián)組成。安裝底座和大臂之間、大臂和小臂之間、小臂和手腕之間均構(gòu)成轉(zhuǎn)動副[3],手腕和手爪之間沒有相對轉(zhuǎn)動。其中安裝底座、大臂和小臂均在一個平面內(nèi)，而手腕則垂直于該平面,手爪與手腕也是互相垂直的關(guān)系。機(jī)械臂各連桿相互連接的關(guān)節(jié)軸分別由伺服電機(jī)驅(qū)動，一共使用3個伺服電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動，從而使各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。各關(guān)節(jié)的運(yùn)動累積可以使手爪完成一定的動作。

圖1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)

查閱機(jī)電系列設(shè)計(jì)手冊和各商家的產(chǎn)品使用說明書，選擇西門子品牌的電氣硬件。該串聯(lián)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)主要由SIMOTION運(yùn)動控制模塊、SINAMICS S120驅(qū)動模塊和伺服電機(jī)組成[4],與之相配套的設(shè)備還有直流24 V電源、裝載有SIMOTION SCOUT軟件的PC機(jī)以及電源線和通訊線等。

SIMOTION控制模塊主要具有邏輯控制功能(PLC)、運(yùn)動控制功能以及其他工藝功能。SIMOTION有3種硬件平臺，即基于控制器的SIMOTION-C、基于PC的SIMOTION-P和基于驅(qū)動的SIMOTION-D[5]。

SINAMICS S120驅(qū)動模塊包括用于單軸的AC/AC變頻器和用于公共直流母線的逆變器，它由電源模塊和電機(jī)模塊組成。電源模塊又分為基本型(BLM)、智能型(SLM)和主動型(ALM)。電機(jī)模塊即為逆變單元，分為書本型和裝機(jī)柜型，其中書本型又分為單軸電機(jī)模塊和雙軸電機(jī)模塊。 SINAMICS S120模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大量部件和功能之間具有相互協(xié)調(diào)性，因此用戶可以組合使用，以構(gòu)成最佳方案[6]。用直流24 V電源給控制模塊供電，裝載有SIMOTION SCOUT軟件的PC機(jī)用來編寫控制程序，將其下載到控制器模塊中控制伺服電機(jī)。通訊線通常使用DRIVE-CLiQ電纜，用它來傳遞信號，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸、交流與反饋。

3 用SIMOTION SCOUT軟件配置硬件

3.1 配置控制模塊

SIMOTION有三種硬件平臺，本文選擇SIMOTION D，它是基于驅(qū)動的運(yùn)動控制系統(tǒng)，其中集成了SINAMICS S120伺服驅(qū)動器的一個驅(qū)動單元，它有多種型號，本文選取了D425，具體參數(shù)見表1。

表1 SIMOTIOND4x5技術(shù)參數(shù)

SIMOTION D425內(nèi)部集成了一個CU320，可以控制6個伺服軸，它與外部非集成的CU320有相同的功能。因?yàn)楸疚男枰刂?個伺服軸，選擇D425足以滿足使用要求。集成D425配置圖如圖2所示。

圖2 集成D425配置圖

3.2 配置驅(qū)動模塊

3.2.1 電源模塊

電源模塊Supply1的訂貨號為6SL3130-7TE21-6Axx，參數(shù)如圖3所示。

圖3 電源模塊Supply1參數(shù)

電源模塊Supply2的訂貨號為6SL3130-7TE21-6Axx，參數(shù)如圖4所示。

3.2.2 電機(jī)模塊

(1) 雙軸電機(jī)模塊。雙軸電機(jī)模塊控制大臂和小臂電機(jī)，訂貨號為6SL3120-2TE15-0Axx，參數(shù)如圖5所示。

(2) 單軸電機(jī)模塊。單軸電機(jī)模塊控制手腕電機(jī)，訂貨號為6SL3120-1TE13-0Axx，參數(shù)如圖6所示。

3.3 配置伺服電機(jī)

為使機(jī)械臂在工作面上推動水泥袋運(yùn)動，取水泥袋與工作面摩擦因數(shù)μ=0.5，水泥質(zhì)量m=50 kg，大臂質(zhì)量m1=5 kg，小臂質(zhì)量m2=5 kg，手爪的質(zhì)量m3=3 kg。認(rèn)為質(zhì)心在各連桿幾何中心，l1、l2、l3分別為各連桿質(zhì)心到水泥袋質(zhì)心的距離，其中l(wèi)1=1 100 mm，l2=600 mm，l3=300 mm。取減速器傳動效率η=90%，安全系數(shù)為1.2,一個工作行程時間為Δt=1.5 s。

圖4 電源模塊Supply2參數(shù)

3.3.1 大臂電機(jī)及其減速器選型計(jì)算

大臂轉(zhuǎn)動慣量:

工作時大臂轉(zhuǎn)動角度Δω=20°，所用時間Δt=1.5 s。

大臂電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩：

水泥袋摩擦產(chǎn)生力矩:

T12=μmgl1=275 N·m.

總力矩T1=T11+T12=276.89 N·m，取T1=300 N·m。

則減速器所需輸出最小轉(zhuǎn)矩為：

Tmin1=1.2T1=360 N·m.

選擇減速器型號為PS142，傳動比i1=100∶1。

則伺服電機(jī)需輸出力矩為：

選擇大臂電機(jī)訂貨號為1FT7044-5AF7x-1xxx，參數(shù)如圖7所示。

圖5 雙軸電機(jī)模塊參數(shù)

圖6 單軸電機(jī)模塊參數(shù)

圖7 大臂電機(jī)參數(shù)

3.3.2 小臂電機(jī)及其減速器選型計(jì)算

小臂轉(zhuǎn)動慣量為:

工作時小臂轉(zhuǎn)動角度從ω0=0°到ω1=150°，所用時間Δt=1.5 s。

小臂電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩為:

水泥袋摩擦產(chǎn)生力矩為:

T22=μmgl2=150 N·m.

總力矩T2=T21+T22=153.61 N·m，取T2=170 N·m。

則減速器所需的輸出最小轉(zhuǎn)矩為：

Tmin2=1.2T2=204 N·m.

選擇紐士達(dá)特公司生產(chǎn)的行星減速器，其型號為PS115，傳動比i2=100∶1。

則伺服電機(jī)需輸出的力矩為：

選擇小臂電機(jī)訂貨號為1FK7042-2AF71-1xxx，參數(shù)如圖8所示。

圖8 小臂電機(jī)參數(shù)

3.3.3 手腕電機(jī)及其減速器選型計(jì)算

手腕電機(jī)輸出力矩約為小臂電機(jī)輸出力矩的60%，可得手腕電機(jī)輸出力矩為:

Tout3=0.6Tout2=1.362 N·m.

選擇手腕電機(jī)訂貨號為1FK7034-2AF21-1Axx，參數(shù)如圖9所示。

綜上所述，選型電機(jī)詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

4 結(jié)語

該串聯(lián)機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的核心是SIMOTION D控制模塊和SINAMICS S120多軸驅(qū)動模塊。

該控制模塊是具有高度集成化的系統(tǒng)，把CPU集成到其中節(jié)省了空間，提高了設(shè)備的利用效率。驅(qū)動模塊是高度模塊化的系統(tǒng)，各組成模塊都有系列產(chǎn)品可供選擇，根據(jù)使用要求合理選擇各模塊，然后拼接在一起使用。伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確定位，可用于精度要求很高的場合。整套控制系統(tǒng)可以使機(jī)械臂精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)預(yù)定動作。

圖9 手腕電機(jī)參數(shù)

電機(jī)訂貨號額定轉(zhuǎn)速r/min額定轉(zhuǎn)矩N·m額定功率kW大臂1FT7044?5AF7x?1xxx30004．31．35小臂1FK7042?2AF71?1xxx30002．60．8手腕1FK7034?2AF21?1Axx30001．450．5

參考文獻(xiàn)：

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