串聯機械臂伺服控制系統的研究

黃 健，李占賢

(華北理工大學 河北省工業機器人產業技術研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

伺服系統是構成自動化體系的基本環節，是自動控制系統的一個分支，近幾十年來，伴隨著微電子技術和計算機技術的飛速發展，以及電力半導體和電機制造技術的巨大進步，使得伺服技術在許多高科技領域都有發揮，尤其在機器人研究領域更是得到廣泛應用[1]。目前機器人開發朝著智能機器人的方向發展，要求機器人能完成更加復雜和更加精細的工作。這就使得機器人的研究在高水平上進行,同時也對機器人控制性能提出了更高要求[2]，伺服控制技術就成了其中的關鍵技術之一,因此本文對串聯機械臂伺服控制系統進行了研究。

1 機械臂

機械臂結構如圖1所示。該空間機械臂主要由安裝底座、大臂、小臂、手腕、手爪順次串聯組成。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成轉動副[3],手腕和手爪之間沒有相對轉動。其中安裝底座、大臂和小臂均在一個平面內，而手腕則垂直于該平面,手爪與手腕也是互相垂直的關系。機械臂各連桿相互連接的關節軸分別由伺服電機驅動，一共使用3個伺服電機，電機驅動關節軸轉動，從而使各關節轉動。各關節的運動累積可以使手爪完成一定的動作。

圖1 機械臂結構

2 控制系統

查閱機電系列設計手冊和各商家的產品使用說明書，選擇西門子品牌的電氣硬件。該串聯機械臂的控制系統主要由SIMOTION運動控制模塊、SINAMICS S120驅動模塊和伺服電機組成[4],與之相配套的設備還有直流24 V電源、裝載有SIMOTION SCOUT軟件的PC機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和基于驅動的SIMOTION-D[5]。

SINAMICS S120驅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)。電機模塊即為逆變單元，分為書本型和裝機柜型，其中書本型又分為單軸電機模塊和雙軸電機模塊。 SINAMICS S120模塊化系統設計的大量部件和功能之間具有相互協調性，因此用戶可以組合使用，以構成最佳方案[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。通訊線通常使用DRIVE-CLiQ電纜，用它來傳遞信號，實現信息的傳輸、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，它是基于驅動的運動控制系統，其中集成了SINAMICS S120伺服驅動器的一個驅動單元，它有多種型號，本文選取了D425，具體參數見表1。

表1 SIMOTIOND4x5技術參數

SIMOTION D425內部集成了一個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。因為本文需要控制3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，參數如圖3所示。

圖3 電源模塊Supply1參數

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

3.2.2 電機模塊

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

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

3.3 配置伺服電機

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

圖4 電源模塊Supply2參數

3.3.1 大臂電機及其減速器選型計算

大臂轉動慣量:

工作時大臂轉動角度Δω=20°，所用時間Δt=1.5 s。

大臂電機啟動轉矩：

水泥袋摩擦產生力矩:

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。

則伺服電機需輸出力矩為：

選擇大臂電機訂貨號為1FT7044-5AF7x-1xxx，參數如圖7所示。

圖5 雙軸電機模塊參數

圖6 單軸電機模塊參數

圖7 大臂電機參數

3.3.2 小臂電機及其減速器選型計算

小臂轉動慣量為:

工作時小臂轉動角度從ω0=0°到ω1=150°，所用時間Δt=1.5 s。

小臂電機啟動轉矩為:

水泥袋摩擦產生力矩為:

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矩為：

Tmin2=1.2T2=204 N·m.

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

則伺服電機需輸出的力矩為：

選擇小臂電機訂貨號為1FK7042-2AF71-1xxx，參數如圖8所示。

圖8 小臂電機參數

3.3.3 手腕電機及其減速器選型計算

手腕電機輸出力矩約為小臂電機輸出力矩的60%，可得手腕電機輸出力矩為:

Tout3=0.6Tout2=1.362 N·m.

選擇手腕電機訂貨號為1FK7034-2AF21-1Axx，參數如圖9所示。

綜上所述，選型電機詳細參數如表2所示。

4 結語

該串聯機械臂伺服控制系統的核心是SIMOTION D控制模塊和SINAMICS S120多軸驅動模塊。

該控制模塊是具有高度集成化的系統，把CPU集成到其中節省了空間，提高了設備的利用效率。驅動模塊是高度模塊化的系統，各組成模塊都有系列產品可供選擇，根據使用要求合理選擇各模塊，然后拼接在一起使用。伺服電機可以實現精確定位，可用于精度要求很高的場合。整套控制系統可以使機械臂精準實現預定動作。

圖9 手腕電機參數

電機訂貨號額定轉速r/min額定轉矩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：

[1] 王耀南.機器人智能控制工程[M].北京：科學出版社，2004.

[2] 范永,譚民.機器人控制器的現狀及展望[J].機器人,1999(1)：75-80.

[3] 熊有倫.機器人技術基礎[M].武漢：華中理工大學出版社，1996．

[4] 郭慶鼎,王成元.交流伺服系統[M].北京：機械工業出版社，1994.

[5] 劉苗,楊文明,梅江平.基于SIMOTION的高速裝箱機的控制系統開發[J].機器人技術與應用,2015(4)：31-33.

[6] 杜強，李繼方.基于S120驅動控制系統的多電機共直流母線實驗系統的研究[J].通信電源技術，2011(5)：36-39.