張玉修

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110117）

0 引言

1 光纖棒機械手總體裝配

根據(jù)現(xiàn)場空間和工件的形狀、質(zhì)量等條件，設計有Y軸水平移動、Z軸豎直運動和T軸旋轉(zhuǎn)運行，為了保證±0.2 mm的定位精度，根據(jù)各軸的結(jié)構(gòu)特點，Y軸采用齒輪齒條傳動，Z軸采用滾珠絲杠傳動，T軸旋轉(zhuǎn)采用減速機直連控制。機械手的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖棒機械手總體裝配

1.1 Y軸結(jié)構(gòu)設計和電機選型計算

Y軸為齒輪齒條傳動，減速機輸出端選取模數(shù)為2、齒數(shù)為20的左旋斜齒輪齒條，并將減速機設計為豎直方向位置可調(diào)，以便調(diào)節(jié)正確的齒隙，通過連接導軌滑塊做水平方向的直線運動，負載包括光纖棒工件、Z軸和Y軸機械臂，重量共約300 kg，選擇標準30H四方導軌以及相應滑塊可以滿足負載要求，齒輪效率取0.9，齒輪分度圓直徑為40 mm，根據(jù)公式（1），計算齒輪負載折算到減速機側(cè)的慣量。

選取減速機的減速比為10，根據(jù)公式（2）可得負載減速機折算到電機側(cè)的慣量。

選取的電機和減速機的慣量如公式（3）、公式（4）所示。

慣量比如公式（5）所示。

一個國家的制度安排與制度設計，只有深深植根于該國的文化歷史與社會現(xiàn)實中，才能夠具有旺盛的生命力。同樣，一個國家的審計體制也必須與該國的政治體制、歷史文化傳統(tǒng)以及現(xiàn)實社會實踐等相適應。中國特色國家審計制度是國家審計與中國特色社會主義制度相結(jié)合的產(chǎn)物，不僅要合乎審計的本質(zhì)要求，而且要符合中國國情，體現(xiàn)中國特色社會主義政治制度的本質(zhì)要求。組建中央審計委員會，為黨統(tǒng)一指揮審計工作提供了制度依據(jù)和體制保障，是加強黨的全面領導這一政治原則在審計工作的體現(xiàn)，是符合新時代中國特色社會主義政治制度本質(zhì)要求的審計制度創(chuàng)新?！脖疚氖艿侥暇徲嫶髮W首批政府審計學院中標課題(GASA161001)資助〕

式中：JL→R為折算到減速機側(cè)的慣量；mL為負載質(zhì)量；ηG為齒輪傳動效率；DG為齒輪的直徑 ；JR→M為負載減速機折算到電機側(cè)的慣量；R為減速比；ηR為減速機效率；JM為選取電機的慣量；JR為選取減速機的慣量。

1.2 Z軸結(jié)構(gòu)設計和電機選型計算

Z軸是在豎直方向上的運動，由于從燒結(jié)車間加工的玻璃棒或者由沉積車間加工的粉棒材料比較脆弱，為了保證棒體不受損傷，機械手在搬運過程中低速度運行，因此采用滾珠絲杠傳動，在豎直方向，滾珠絲杠傳動在發(fā)生斷電等特殊狀況時，可以在沒有抱閘的情況下避免出現(xiàn)墜落的危險，該設計選取導程為5 mm，直徑為32 mm的滾珠絲杠。

滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)主要包括固定座、支撐座、絲桿以及絲母等，絲桿的動力輸入端與電機輸出軸通過聯(lián)軸器進行連接，另外值得注意的一點是由于絲桿的螺紋有一定的深度，因此在連接聯(lián)軸器時，要把與聯(lián)軸器進行連接的部分的螺紋全部去除，否則會出現(xiàn)連接不牢固的情況。

負載折算到絲桿上的慣量如公式（6）所示。

絲桿本身的慣量，如公式（7）所示。

聯(lián)軸器的慣量如公式（8）所示。

選取的電機的慣量和剎車慣量如公式（9）所示。

低速部件的慣量如公式（10）所示。

慣量比如公式（11）所示。

式中：JL→M為負載折算到絲桿上的慣量；mL為負載質(zhì)量；ηs為絲桿傳動的效率??；JS為絲桿本身的慣量；P為螺距；ms為絲桿質(zhì)量RS為絲桿半徑；Jc為聯(lián)軸器的慣量；mC為聯(lián)軸器質(zhì)量；RC為聯(lián)軸器半徑。

1.3 T軸結(jié)構(gòu)設計和電機選型計算

T軸采取減速機直聯(lián)的方式，即將減速機輸出軸連接在T軸的機械臂上，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能，機械臂長度為550 mm，抓取工件后，會產(chǎn)生軸向傾覆力矩，對減速機造成損傷，為了避免該情況的發(fā)生，在輸出軸增加回轉(zhuǎn)支撐，承擔了負載對減速機的側(cè)傾力矩。

由于機械手定位精度的要求為1 mm，因此要確保T軸旋轉(zhuǎn)的精度＜1 mm，選擇減速機的定位精度為5′，把角度精度轉(zhuǎn)換成機械手的移動精度，按公式（12）計算得到機械臂末端的精度。

式中：R為機械臂長度（回轉(zhuǎn)半徑），R=540 mm；α為定位精度，α=5′。

選用電機的慣量為2.9 kg·cm2，減速比為200，計算慣量如公式（13）～公式（15）所示。

慣量比如公式（16）所示。

式中：JR→M為減速機折算到電機上的慣量；JL為負載的慣量；R為減速機減速比；ηR為減速機的效率；JM為電機的慣量；JR為減速機慣量。

由上述選型計算可知，Y軸、Z軸和T軸的傳動機構(gòu)已經(jīng)確定了慣量等重要參數(shù)，并滿足結(jié)構(gòu)和動力載荷等要求，Y軸選擇的傳動方式是電機減速機與齒輪齒條傳動，慣量比為3.5；Z軸選擇的是電機直聯(lián)滾珠絲杠傳動，慣量比為1；T軸旋轉(zhuǎn)軸選擇的是電機減速機直聯(lián)的方式，慣量比為2.59；上述慣量比均小于慣量比為5的經(jīng)驗值。

2 電氣部分設計

電氣部分包括PLC編程和電氣原理圖2個部分。

2.1 PLC編程部分

2.1.1 工藝對象配置伺服電機軸

PLC在運動控制中使用了軸的概念，通過將軸的組態(tài)（包括硬件接口、位置定義、動態(tài)特征以及機械特性等）與相關的指令塊進行組合使用，可實現(xiàn)絕對位置、相對位置、點動、轉(zhuǎn)速控制和自動尋找參考點的功能。該文通過將PLC的CPU作為控制器的操作方法來實現(xiàn)驅(qū)動器S120對伺服電機的運行控制。

該設計通過PROFIdrive通信協(xié)議控制器控制電機，PROFIdrive是在PROFIBUS和PROFINET基礎上開發(fā)的一種驅(qū)動控制協(xié)議，它為驅(qū)動器產(chǎn)品提供了一致的規(guī)范，通過認證后，產(chǎn)品可以方便地接入PROFIBUS和PROFINET網(wǎng)絡。

每個定位軸通過PROFIdrive報文或模擬設定點接口分配一個驅(qū)動器，并通過PROFIdrive報文分配一個編碼器[1]。編碼器值與定義位置之間的關系是通過編碼器設置的參數(shù)值和歸位操作而建立的。該工藝對象也可以在沒有位置關系的情況下進行運動或者在沒有home狀態(tài)的情況下進行相對位置運動。定位軸可以配置為直線軸或旋轉(zhuǎn)軸，這取決于力學和結(jié)構(gòu)設計。具體的操作方法是在工藝對象中選擇positioning Axis，選擇驅(qū)動設備SINAMICS-S120-CU320-2PN，最后進行組態(tài)設置，操作示意圖如圖2所示。

圖2 工藝對象配置伺服電機軸示意圖

2.1.2 PLC的軸組態(tài)和點動控制流程

FB2000軸控函數(shù)塊由廠商提供庫文件調(diào)用到程序文件，也可由電氣設計者進行編制，F(xiàn)B2000軸控函數(shù)塊是FC軸控函數(shù)的基礎程序，包括輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、歸位工藝對象、設定歸位位置、啟用/禁用工藝對象、確認報警、重新啟動工藝對象、暫停軸、停止軸并禁止新的運動作業(yè)、絕對定位軸和以點動模式移動軸。

2.1.3 機械手運動控制程序

在FB2000軸控函數(shù)塊和工藝對象都完成配置伺服電機軸之后，將FB2000軸控函數(shù)塊拖拽到FC函數(shù)中，生成軸控制函數(shù)，并在DB2000數(shù)據(jù)塊中選擇軸，數(shù)據(jù)類型為數(shù)組，找到程序塊中相應管腳的對應數(shù)據(jù)，將DB2000數(shù)據(jù)塊中的各數(shù)據(jù)拖拽到相應的管腳上[2]。程序包括以下程序段：1）基于FB2000的軸控制。2）軸上使能。3）軸下使能。4）停止軸。5）軸復位。在FC函數(shù)中生成的最終程序應包括以下內(nèi)容。

2.2 電氣圖紙部分

S120電控系統(tǒng)是新一代的驅(qū)動產(chǎn)品，它是集V/F控制、矢量控制以及伺服控制為一體的多軸驅(qū)動系統(tǒng)，具有模塊化的設計。各模塊間（包括控制單元模塊、整流/回饋模塊、電機模塊、傳感器模塊和電機編碼器等）通過高速驅(qū)動接口DRIVE-CLIQ相互連接。

控制器與驅(qū)動器之間通過PROFIdrive協(xié)議進行周期性數(shù)據(jù)交換，控制器發(fā)送控制命令，驅(qū)動器返回命令執(zhí)行的狀態(tài)及自身的狀態(tài)，并形成閉環(huán)控制。通過周期性地交換PROFIdrive報文，控制器可以實現(xiàn)啟動、停止驅(qū)動器、以設定的速度運行、獲取編碼器位置以及讀取變頻器參數(shù)等功能。

西門子S120驅(qū)動器的控制單元CU320-2PN使用了工業(yè)以太網(wǎng)，可實現(xiàn)現(xiàn)場級的實時通訊，也可將企業(yè)級網(wǎng)絡信息集成進來。利用現(xiàn)有的IT標準，PROFINET實現(xiàn)同步運動控制應用，提高了設備的可用性，工業(yè)以太網(wǎng)支持分布式自動化和控制器之間的通訊，出現(xiàn)故障后會進行反饋，保障了設備的安全性。

伺服電機的三相U、V、W和地線PE分別與控制器相應的端子連接，電機的編碼器通過網(wǎng)線與控制器的網(wǎng)口X202進行連接[3]。控制單元CU320-2PN通過網(wǎng)線與變頻器網(wǎng)口X200進行連接。電機與控制器接線如圖3所示。

圖3 伺服電機和變頻器接線圖

3 結(jié)論

桁架機器人在工業(yè)自動化的應用十分廣泛，具有精度高、成本低以及效率高的特點，適合于搬運、機床上下料等各種場合。桁架的自動化設計需要根據(jù)不同的工件、不同的負載和環(huán)境來做各軸的結(jié)構(gòu)設計，并進行電機的選型計算，電氣控制編程也至關重要，整體考慮才能滿足用戶的實際需求。該文從總體上介紹了桁架機械和電氣設計的方法，并講解了設計過程中重點關鍵過程，對于自動化行業(yè)技術的提高與創(chuàng)新具有積極作用。