動梁式龍門機器人雙驅同步控制研究

□黃偉□賈志聞

杭州娃哈哈集團有限公司研究院杭州310018

動梁式龍門機器人雙驅同步控制研究

□黃偉□賈志聞

杭州娃哈哈集團有限公司研究院杭州310018

介紹了動梁式龍門機器人系統，分析了龍門機器人雙驅同步控制存在的問題。針對存在的問題，采用六種同步方式進行對比，最終確認并采用了最合適的同步方式，滿足了實際生產要求。

雙伺服電機同步驅動在動梁式龍門數控機床中的應用較為廣泛[1]。針對飲料生產線的實際情況，動梁式龍門機器人跨度達到2.5 m，實際可用行程約為2.2 m。若采用傳統的單伺服電機驅動方式，需要較長的傳動軸，跨梁結構體積大。采用雙驅結構跨梁結構體積小、簡潔，且保持了單驅機構加速度較高等優點，但是，由于雙驅結構中齒輪、齒條等部件存在制造及安裝誤差，以及其它因素（摩擦力、負載偏心、環境因素等）的影響，使得龍門框架的移動不能保證一致，即產生兩同步軸不同步誤差[2-3]。同時，橫梁這種大型移動部件造成的機械耦合受到不同步誤差影響會引起兩軸的拉扯，從而使不同步誤差進一步擴大[4]。

為提高同步控制精度及運行平穩性，筆者使用了6種雙驅同步控制方式進行對比測試，從實際扭矩曲線出發，找出最適合的控制方式。

1 系統結構

如圖1所示，動梁式龍門碼垛機器人設計負載300 kg，X軸行程4 300 mm，Y軸行程2 200 mm，Z軸行程1 850 mm。X軸采用雙伺服電機驅動，Y、Z、R軸采用單伺服電機驅動。X、Y、Z軸均為齒輪齒條結構，伺服電機通過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°范圍內旋轉。控制系統采用西門子SIMOTION D435可編程序運動控制器，各種傳感器連接到分布式從站模塊，控制系統架構如圖2所示。夾具將輸出線上的產品搬運至棧板上，按預定的碼垛規則進行碼垛。

圖1 動梁式龍門機器人

圖2 控制系統架構

2 同步方案對比測試

由于X軸兩側齒輪齒條制造精度及機械安裝精度所限，兩側存在著位置誤差。經實際測試，兩側位置誤差達3.2 mm，換算到伺服電機軸上有100°的位置差。采用普通的位置控制模式會出現拉扯現象[5-6]，扭矩圖上表現為兩臺伺服電機的出力方向不一致，一個為正一個為負。由于龍門式結構在跨度、傳動方式、負載質量及慣量等方面存在差異，采用同一種同步方式，結果也不一樣，需要用不同的同步方式進行試驗。筆者針對機器人X軸雙驅同步，采用了6種同步方式試驗。通過觀察扭矩曲線，目標為兩臺伺服電機均作正功，其中一臺伺服電機不作為另一臺伺服電機的負載，平均扭矩低于伺服電機額定值為最佳。

（1）方案一，采用電子齒輪位置同步方式。建立一虛擬軸，雙實軸同時跟隨虛擬軸進行電子齒輪位置同步，在0～4 200 mm范圍內力矩檢測如圖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測值，從圖3中可發現，行程中100～120 s位置紅色力矩增大，黃色力矩負向增大，存在拉扯；在140 s位置則反向，亦存在拉扯。不同的位置出現了伺服電機作為負載的情況，雙軸存在拉扯現象。

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

測試結果為機器人抖動非常劇烈，雙軸出現共振現象，主軸及從軸力矩在-20～20 N·m之間波動。

（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。

低速時兩臺伺服電機的力矩值均比較小，沒有出現拉扯，高速時力矩曲線則出現抖動現象，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，以消除雙軸兩側機械誤差。

由于西門子SCOUT軟件沒有生成實際凸輪曲線的工具[7]，因此采用手工繪制由有限點生成的凸輪曲線不能完全抵消機械實際偏差。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，從軸速度環同步主軸，即將主軸的實際速度作為從軸的速度設定值。

起步階段雙軸力矩波動過大，某些位置依然存在拉扯現象，力矩曲線如圖6所示。

圖6 方案五力矩圖

（6）方案六，速度環同步于主軸，并且將主軸實際扭矩與從軸差值乘以一個因數作為補償值，同時在拉扯時對從軸扭矩限幅[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 結束語

根據試驗結果，采用速度跟隨、速度補償及扭矩限幅的方式，在運行過程中針對加速段、減速段、恒速段進行速度補償調整及扭矩限制，可以防止出現拉扯現象，在伺服電機額定轉速下運行比較平穩，實現預期功能。

圖7 方案六力矩圖

[1]馮文龍，沈牧文，姚曉棟，等.大型龍門機床的直線度誤差建模及誤差補償[J].哈爾濱工業大學學報，2015,47（7）: 31-36.

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[3]王書森，梅瑛，李瑞琴.新型3T2R龍門式混聯機床動力學模型[J].機械工程學報，2016,52（15）:81-90.

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[9]YU D M，LIU D，HU Q.Synchronous Control for a Dual Linear Motor of Moving Gantry Machining Centers Based on Improved Sliding Mode Variable Structure and Decoupling Control[C].2012 24th Chinese Control and Decision Conference（CCDC），Tai Yuan，2012.

[10]MITROVIC N,KOSTIC V,PETRONIJEVICM,et al. Practical Implementation of Multi-motor Drives-for Wide Span Gantry Cranes[J].Iranian Journal of Science and Technology Transaction B:Engineering,2010，34（6）：649-654.

（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.

機器人；自動控制；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，主要從事機器人開發及工業控制工作。