成形机专用机械手在市场上按照驱动类型主要分为两种：一种是气动元件驱动比较单纯地做低速点对点运动控制的低端机械手;另一种就是需要采用高性能伺服系统作为驱动元件的高速精确定位高性能机械手。本文论述的是第二种机电伺服控制机械手，机械手基于台达伺服系统技术。伺服系统在机械手上的应用有很多与一般伺服应用场合的不同之处，比较客户使用的日系系列伺服系统，台达伺服通过合理的设计能够达到更高的性能指标，同时又能降低客户的成本，提高其产品的性价比。

图1 高精度伺服控制成形机械手

台达伺服系统应用设计

1.工艺要求

机械手的工艺要求伺服在带动机头做定位运行的过程中运行要平稳滑顺，伺服的运行速度将决定机械手的工作效率是否能够满足客户的应用要求，在高速定位时伺服电机不能出现过冲，振荡以及整定时间过长。以上的要求全都是在负载惯量比接近70的条件下实现的。高性能伺服系统作为驱动元件高速精确定位高性能成形机械手(参见图1)。

2.伺服系统

本项目机械手是单轴结构的机械手，基本的硬件配置分为控制部分和驱动部分。

(1)控制器。控制器由单片机开发而成的手持式控制系统，采用模拟量控制伺服驱动器。

(2)驱动器。 台达ASD-A0421LA伺服驱动器+ECMA-C3060402ES伺服电机，也就是台达伺服的ASD-A的驱动器驱动和ASD-B的电机的A+B的配置。

(3)传动结构。伺服与负载之间的传动结构是采用5:1减速机和T型齿型钢丝PU皮带传动。

(4)系统框图。伺服控制系统框图设计参见图2。

图2  伺服控制系统框图

伺服运动稳定性调试

首先使用台达调试软件估测出负载惯量比为68.6，在这样的惯量情况下要实现伺服的高速响应，必须要提高伺服增益以保证伺服的控制机能，但是在将增益调整到一定的高度以后就必然会出现机械共振，至于通过FFT软件抓取了机械共振点在189 Hz 的频率附近，所以，设定了陷波滤波器的频率为189Hz和衰减率为4dB以后,可以将伺服的速度控制增益调高到5000rad/s以上。

但是在这样的增益下，电机运行特性仍然很不好，电机在定位时出现反复振荡，不能快速定位，只能继续提高速度控制增益，但是在增大速度控制增益的时候，由于电流饱和而使电机又出现了振动，在这样的情况下只能将共振低通滤波和外部干扰抵抗增益降低。这样就把速度控制增益提高到7000rad/s以上，伺服可以快速而准确地定位，不再反复振荡。

图3、图4两条曲线是由ASD-A伺服调试软件抓取的实时曲线，在这样的运行情况，伺服的运行并不平稳，伺服的运行情况是，在加速时电机会出现高速加速，伺服以1600rpm速度运行，在运行到中间时伺服会出现一个明显加速过程，伺服的运行速度在1000rpm左右，这样的运行情况是无法满足客户要求的。

通过观察两条曲线(控制器速度命令曲线1和电机运行速度曲线1)可以发现，伺服电机几乎是完全按照上位机速度运行命令在运动的，可是，为什么会出现这种加减速过程呢?

通过与其他工程师沟通和共同研究，发现由于负载惯量过大，造成伺服速度响应不够快，使得速度误差过大，所以伺服在不断地针对速度误差进行积分整定，而该机械手控制器在做位置控制时接受伺服编码器信号做积分整定的积分环节时，控制器在采集到伺服编码型号以后对位置误差的积分整定非常缓慢从而造成命令处理速度过慢，而使速度命令出现波动也同时使伺服电机运行不平稳滑顺。针对这种现象将伺服的速度积分补偿调至0,使伺服驱动器对于速度误差不进行积分整定，而使得电机运行平稳，同时由于上位机做位置控制，使得伺服电机定位并没有明显的影响。降低速度积分补偿参数以后发现曲线明显变化，电机运行也相对平滑多了，图5中的曲线是用伺服示波器抓取的波形。

图5  控制命令与电机速度曲线2

总结

台达ASD-A伺服运行效果，在极限测试时可以完全超过日系某名牌伺服系统的运行效果，最高速度可以达到2800rpm，定位的整定时间在80ms以内。在整个1800mm行程内，从启动加速、中间平稳运行到快速定位，整个过程及机头保持高速而又运动平稳，伺服电机运行稳定滑顺。