摘要：西門子SINUMERIK 808D數控係統，因其豐富的功能，友好的人機界麵，優良的性能與實惠的價格，受到用戶的接受與喜愛，而活躍在M3市場上，廣泛的應用於簡易車床，銑床，以及生產線桁架式機械手等特種機械的控製之中。
然而，由於808D係統的極限脈衝頻率的限製，係統所控製的進給軸的電機最大轉速隻能是2000r/min，在一些控製場合影響了係統的應用。尤其在高速桁架機械手的應用中，影響更為突出。本文正是以桁架機械手為例，通過對808D係統的參數以及驅動器的參數進行研究與試驗，最終找到了讓808D係統的進給軸電機突破2000rpm的辦法，並且在實踐中驗證成功。
關鍵詞： SINUMERIK，808D，桁架式機械手，高速進給，脈衝當量
1、項目介紹
1.1項目背景
機械手（Robotic Arm），能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬(ban)運(yun)物(wu)件(jian)或(huo)操(cao)作(zuo)工(gong)具(ju)的(de)自(zi)動(dong)操(cao)作(zuo)裝(zhuang)置(zhi)。機(ji)械(xie)手(shou)是(shi)最(zui)早(zao)出(chu)現(xian)的(de)工(gong)業(ye)機(ji)器(qi)人(ren)，也(ye)是(shi)最(zui)早(zao)出(chu)現(xian)的(de)現(xian)代(dai)機(ji)器(qi)人(ren)，它(ta)可(ke)代(dai)替(ti)人(ren)的(de)繁(fan)重(zhong)勞(lao)動(dong)以(yi)實(shi)現(xian)生(sheng)產(chan)的(de)機(ji)械(xie)化(hua)和(he)自(zi)動(dong)化(hua)，能(neng)在(zai)有(you)害(hai)環(huan)境(jing)下(xia)操(cao)作(zuo)以(yi)保(bao)護(hu)人(ren)身(shen)安(an)全(quan)，因(yin)而(er)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)機(ji)械(xie)製(zhi)造(zao)、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
桁架式機械手（Truss Type Manipulator），則(ze)指(zhi)以(yi)桁(heng)架(jia)導(dao)軌(gui)為(wei)運(yun)動(dong)路(lu)徑(jing)，主(zhu)要(yao)進(jin)行(xing)水(shui)平(ping)與(yu)垂(chui)直(zhi)的(de)直(zhi)線(xian)移(yi)動(dong)，在(zai)生(sheng)產(chan)線(xian)中(zhong)穿(chuan)插(cha)於(yu)不(bu)同(tong)加(jia)工(gong)機(ji)械(xie)之(zhi)間(jian)，負(fu)責(ze)零(ling)件(jian)的(de)抓(zhua)取(qu)與(yu)上(shang)料(liao)工(gong)作(zuo)的(de)機(ji)械(xie)手(shou)。桁(heng)架(jia)式(shi)機(ji)械(xie)手(shou)能(neng)以(yi)較(jiao)低(di)的(de)成(cheng)本(ben)，將(jiang)一(yi)個(ge)生(sheng)產(chan)線(xian)的(de)不(bu)同(tong)工(gong)藝(yi)單(dan)元(yuan)靈(ling)活(huo)而(er)有(you)機(ji)的(de)連(lian)接(jie)起(qi)來(lai)，在(zai)2014年以來的國內工業生產自動化改革中扮演著越發重要的角色。
桁架式機械手與固定位置機械臂相比，雖無動作靈活性的與負載的優勢，但是勝在可以大範圍移動。
本項目如圖1所(suo)用(yong)桁(heng)架(jia)式(shi)機(ji)械(xie)手(shou)，用(yong)戶(hu)車(che)間(jian)用(yong)來(lai)連(lian)接(jie)兩(liang)台(tai)磨(mo)床(chuang)，一(yi)台(tai)送(song)料(liao)機(ji)，一(yi)台(tai)車(che)床(chuang)，進(jin)行(xing)上(shang)下(xia)料(liao)服(fu)務(wu)，組(zu)成(cheng)生(sheng)產(chan)線(xian)，生(sheng)產(chan)圓(yuan)塔(ta)狀(zhuang)汽(qi)車(che)零(ling)件(jian)。對(dui)於(yu)動(dong)作(zuo)控(kong)製(zhi)的(de)要(yao)求(qiu)，主(zhu)要(yao)在(zai)於(yu)水(shui)平(ping)X軸，上下Z軸的定位精度，以及移動速度。因為X軸的行程長達8米，隻有高速與高加速度的運動才能保障零件搬運的效率。設計運行速度是90m/min。
1.2項目配置
本台桁架式機械手使用配置如圖2：
圖2
華大130ST-M10025LF1B電機具體參數如圖3：
圖3
設計要求是X、Z軸運行速度達到90m/min。
2、原理分析
2.1係統的設計對電機最高轉速的限製
通常，電機的轉速遵循公式（1）：
N=A*60/B 公式（1）
式（1）中N：電機的轉速；
A：係統發出給步進電機的頻率；
B：電機編碼器的線數
808D係統發出的步進電機最高頻率在MD31350中設定為333333（見圖4），並且不可修改，為了提高電機的分辨率，編碼器至少在2500線，在係統中再進行4倍頻，因此，電機的最高轉速就可以計算為
這也符合西門子1FL5電機最高轉速大多為2000r/min的事實，這是產品定位決定的。
圖4
2.2 傳動計算
齒輪齒條（Gear & Rack），是利用齒輪的旋轉將旋轉運動與直線運動互相轉換的裝置見圖5，分為直齒和斜齒，不做贅述。
齒輪側每轉移動量Lg（M=模數，Z=齒輪齒數）：
電機側每轉移動量Lm（n=減速比）：
圖5
在參數設定時，將齒輪齒條結構等效為絲杠結構，那麼除去傳動比影響的齒輪側每轉移動量Lg就相當於絲杠螺距，因此參數設置如圖6：
圖6
電機轉速ωm = 2000rpm所能實現的桁架線速度Vm：
設計移動線速度Vd = 90m/min所需要的電機轉速ωd：
因此，在現有傳動機構下，當前2000rpm的電機轉速最快隻能使本桁架運行到71.6m/min，現實的情況也就是如此，桁架運行的最高速度被鉗製在了約70m/min，而設計要求的90m/min線速度需要至少2500rpm的電機轉速。
2.3控製原理
SINUMERIK 808D係統在控製華大SBF驅動器時，808D係統根據插補器的處理結果，給SBF驅qu動dong器qi發fa送song一yi定ding數shu量liang的de脈mai衝chong信xin號hao，華hua大da驅qu動dong器qi就jiu驅qu動dong電dian機ji轉zhuan動dong一yi定ding的de角jiao度du，軸zhou就jiu前qian進jin一yi定ding的de距ju離li。這zhe個ge脈mai衝chong信xin號hao的de個ge數shu，與yu電dian機ji轉zhuan動dong角jiao度du的de對dui應ying關guan係xi，由you脈mai衝chong當dang量liang來lai描miao述shu。
脈衝當量（Pulse Equivalency）shidangkongzhiqishuchuyigedingweikongzhimaichongshi，suochanshengdedingweikongzhiyidongdeweiyi。duizhixianyundonglaishuo，shizhiyidongdejuli，duiyuanzhouyundonglaishuo，shizhiqizhuandongdejiaodu。duiyujichuangleishebeieryan，xiangduiyumeiyimaichongxinhaodejichuangyundongbujiandeweiyiliangchengweimaichongdangliang，youchengzuozuixiaoshedingdanwei。
808D數控係統中，描述這個物理量的參數為圖7：
圖7
在華大SBF驅動器中，描述這個物理量的參數為圖8：
圖8
這樣，在SBF驅動中，位置指令脈衝分頻4:1的含義就是：每接收4個指令脈衝，電機旋轉一個最小移動量。而電機的最小移動量是多少呢？這由編碼器的分辨率決定。如果編碼器的精度到1°，驅動器是沒法控製電機轉到4.3°的。而此電機的編碼器一圈的線數是2500，那麼每圈所需的脈衝數就是2500×4=10000，與808D的MD31400設置的10000脈衝/圈相等。
這在控製體係中非常重要。兩個設備（同品牌/不同品牌）之間要傳遞指令信息，不論信息的載體是什麼或者中間經過幾個傳遞環節，最重要的是要保證這些環節與載體都是“同意傳遞”，而非“同型傳遞”。
舉個例子：A是中國人，B是翻譯官，C是美國人，A對B說一句話，請B翻譯給C，那麼可能出現以下的情況：
這就是為什麼808D數控係統與SBF驅動器兩邊的設置都要統一為10000脈衝/圈的含義，隻有這樣，808D控製器的位置指令才能得到SBF的正確執行。
2.4問題的解決
沒有辦法提升最大脈衝輸出頻率，那麼如果能修改脈衝當量，讓每個脈衝所代表的旋轉角度更大，那麼就可以讓333333Hz的脈衝能指令更快的電機速度了。
對於SBF驅動器，按圖9設置即可讓脈衝當量擴大一倍：
圖9
即：位置指令脈衝分頻變為2:1：每接收2個指令脈衝，電機旋轉一個最小移動量。這樣，對於編碼器2500線的電機來說，5000脈衝的指令就可以讓電機轉一圈。333333Hz的最大脈衝頻率可指令的最大的電機轉速由式（1）為：
滿足了控製要求！但是，這樣違反了“同意傳遞”的原則，即圖10：
圖10
這必然會導致係統指令1mm，機械運動2mm。那麼，如何在MD31400無法改變的情況下，增大808D側的脈衝當量呢？我的思路是改變不了每個脈衝所代表的電機旋轉角度，就改變每個脈衝所代表的最終運動距離，也是一樣的效果如圖11。
圖11
3、問題總結
3.1方法總結
最終的解決方案如圖12：
圖12
本次問題解決的思路是：分析參數傳遞本質，找出恒定參數的替代參數。
3.2不足之處
擔心有可能導致丟脈衝的現象，影響精度，但是因為改變脈衝當量之後，一轉脈衝數5000仍然大於編碼器線數2500，所以這個可能性很小。需要現場檢驗。
3.3現場檢驗
通過如上參數修改，桁架軸順利開到90m/min以上，長時間拷機未發現丟脈衝等可能的因素引起的精度問題。
4、結語
SINUMERIK 808D（一代）從係統和電機兩個方麵將進給軸電機的轉速限製在2000rpm，但是在非常規情況下，也可以繞開這個限製，從而使可控製的電機最大轉速達到理論上的8000rpm，這個用法增加了808D係統應用的靈活性。本文旨在介紹此次桁架式機械手項目的控製原理，分析和歸納808D係統的進給軸電機突破2000rpm的原理及方法，得出解決方案。對於初接觸桁架式機械手的工程師，以及在其他的808D應用案例中需要進給電機2000rpm以上轉速的項目，或可有所幫助。
【參考文獻】
1.《SINUMERIK 808D 調試手冊》；
2.華大驅動說明書《SBF係列說明書9.6版》
