一种用于注塑机的五轴机械手控制系统的测试方法技术领域
本发明涉及注塑机的智能控制领域，尤指一种用于注塑机的五轴机械手控制系统
的测试方法。
背景技术
数据显示，目前全球注塑机的生产总量占整体塑料成型设备的50%，而注塑制品占
全球塑料制品总量的30%。着我国经济持续稳定发展，塑料机械工业得到了迅速的发展，产
业规模不断扩大，其发展速度与所创主要经济指标在机械工业中名列前茅。据不完全统计，
目前中国有546家本土塑料机械生产商，注塑机年产量已占世界注塑机年产量的62.97%，向
大型、超大型注塑机发展迅速。随着国民经济的快速增长以及塑料消费的快速扩大，预计未
来几年中国注塑机将迎来新一轮的产量“爆发”期。因此，注塑机成为塑料加工厂主要的能
耗设备。
注塑机能使塑料制品一次成型，在提高生产效率的同时还易于实现自动化。随着
塑料加工行业的迅速发展，注塑成型设备的自动化程度也越来越高。现代化的注塑机越来
越多的配置机械手。作为注塑生产专门配备的自动化设备，注塑机械手能够模仿人手和手
臂的功能,按照固定的程序抓取，输送物件或操作工具的自动装置,它可以部分或全部代替
人力,从事一些枯燥，繁重的重复性劳动，从而减轻繁重的体力劳动、改善生产环境和保证
生产安全，避免因人为操作失误而造成损失；同时还可以提高注塑生产效率、稳定产品质
量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力，因此，注塑机械手在注塑生产中的作用
变得越来越重要。
在我国注塑行业中，比较常用的主要是从模具中快速抓取制品并将制品传送到下
一个生产工序上去的取件机械手，这些机械手大部分采用液压驱动或者气压驱动。根据生
产产品以及模具的需求，针对一些较大型的注塑机，一些生产厂家不得不引进五轴伺服甚
至以上的机械手，该类机械手横行、引拔行、上下行均采用伺服电机进行控制,运行稳定,可
以进行更复杂的处理。目前，国内虽然也有企业在生产采用伺服驱动的注塑用机械手,但在
性能方面跟国外同类产品还存在较大的差距。
当今数字化信息化高速发展的趋势下，特别是“工业4.0”的提出对工业控制器、信
息资源共享、多功能应用等方面提出了更高的要求。网络化操作和远程控制成为“工业4.0”
的重要内容。要实现对现场设备进行管理和控制，就需要与这些设备进行通讯连接，进行相
关数据交换，以达到管理、控制和监控的目的。而对机械手的管理和操控通常是通过程序来
完成的，故一套机械手能否稳定可靠地进行工作，需要对控制系统进行各项常规测试方可
确定整套机械手是否合格。
发明内容
为了实现注塑机的智能控制，本发明旨在提供一种测试传统注塑机实现智能化的
机械手控制系统的方法，尤指一种用于注塑机的五轴机械手控制系统的测试方法。
本发明采用的技术方案是：一种用于注塑机的五轴机械手控制系统的测试方法，
所述的测试方法主要包括顺序进行的空载实验测试、控制程序测试、负载生产测试和其他
部件测试；测试的对象为X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴，其中Z 轴为机械手的横入、横出轴；
X1 为机械手主臂的前进、后退轴；Y1 轴为机械手主臂的上升、下降轴；X2 轴为机械手副臂
的前进、后退轴；Y2 轴为机械手副臂的上升、下降轴；其中所述的空载实验测试主要包括以
下步骤：
（1）设定参数：将伺服电机组装好，根据采用的电子齿轮，设定伺服驱动器中电子齿轮
比参数，使得伺服驱动器中相关参数与伺服系统控制器中电机参数保持一致。
（2）组装机械手：将机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴零点感应块固定安装在轴
轨道上，将机械手的机械位置与伺服电机轴端编码器反馈的脉冲信号一一对应，使得机械
手每次执行工作归零后的电气原点都是相同的机械位置。
（3）测试机械手单次精度：对机械手进行单次定位精度测试是为了检测机械手在
定位过程中，伺服系统控制器实际发送的命令脉冲数与理论计算脉冲数是否相同，具体操
作步骤如下所示：
1）记录脉冲数：单次定位精度测试时，机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴首先要执行
归零功能，归零完成后，记录每个轴在零点时伺服驱动器上读取的伺服电机编码器反馈脉
冲数。
2）计算脉冲数：令机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴分别以全速速度从零点开
始，定位移动到若干个不同的设定好的距离进行定位，并记录各个轴定位完成后在伺服驱
动器上读取的伺服电机编码器反馈脉冲数，计算得出伺服系统控制器发送的脉冲数。
3）判断单次定位精度合格率：通过比较设定的若干个距离相对于零点的理论脉冲
数与伺服系统控制器发送的脉冲数，以判断机械手单次定位精度是否合格。
（4）测试重复定位精度：通过单次定位精度测试时，再进行重复定位测试，以保证
机械手运作的稳定性和可靠性，具体方法如下步骤所示：
1）机械手各轴往复运动：令机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴以全速速度在零点和预
先设定的指定坐标点之间往复运动，取其中20-30次的数据做测试。
2）记录各轴反馈脉冲数：记录其中20-30次往复运动中通过从伺服驱动器上读取
的伺服电机编码器反馈脉冲数，检测各轴相对于指定坐标点的重复定位精度。
3）判断机械手的重复定位合格率：通过记录伺服驱动器显示的脉冲数，观察脉冲
数的变化，如数据之间的差距在±1之间，则可判断各个轴在重复定位中精度合格。
所述的控制程序测试是在停止状态下，点击控制显示屏中档案按钮即可进入档案
页面，在该页面可进行新建程序、复制程序、载入程序、修改程序和模拟程序，具体的操作步
骤如下所示：
（1）新建程序：在控制显示屏中的新建文件名文本框输入所要新建的模具名称，建一个
空白的模具程序，并对程序模具进行命名。
（2）复制程序：命名模具名称后，点击已存储的模具名称，即可将已存储的模具程
序复制到新建的模具程序里并进行保存。
（3）载入程序：点击已保存的模具程序，点击载入按钮，即可将载入选中的模具程
序，自动运行时即运行该选定的程序。
（4）修改程序：点击已存储的模具程序，再点击修改按钮，即可对已载入的程序进
行修改。
（5）模拟程序：在新的程序载入完毕之后，点击控制显示屏上的模拟程序开关，屏
幕上会显示出机械手的形状，并对程序控制的动作进行模拟，如果屏幕上显示的机械手在
设定的程序中正常运行，则控制程序测试植入测试合格。
所述的负载生产测试主要是将伺服电机安装在机械手上并电性相连，令伺服电机
处于负载运行状态，然后测试机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴的各种精度，具体操作步
骤如下所示：
（1）调节参数：调节伺服驱动器中电子齿轮比相关参数，使伺服驱动器中相关参数与伺
服系统控制器中电机参数保持一致，然后调整伺服驱动器中位置控制相关的增益参数。
（2）测试各轴归零精度：机械手归零精度测试时，将机械手通电后通过手动操作将
机械手中X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴移动到任意位置，然后执行归零功能，待归零完成后，
记录伺服驱动器显示面板上显示的脉冲数，然后再次将机械手移动到任意位置，再次执行
归零功能并记录归零完成后的脉冲数，如此反复操作，重复执行20-30次归零操作，记录每
一次归零完成后的伺服驱动器显示的脉冲数，当最大脉冲偏差个数为±1时，机械手归零精
度合格。
（3）测试各轴原点修正精度：在控制面板上手动操作，首先将各个轴的零点偏差值
设定为零，然后执行归零功能，待归零完成后，记录各个轴在零点时伺服驱动器所显示的脉
冲数，然后设置各个轴的零点偏差值，然后重复执行归零功能20-30次，记录每次归零完成
后伺服驱动器所显示的脉冲数，原点修正后各轴归零后伺服驱动器显示脉冲值可以计算得
出原点修正前后脉冲数差值，记录脉冲数最大差值和最小差值， 当修正前后的脉冲数差值
为±1时原点修正精度合格。
（4）测试重复定位精度：通过各轴的归零精度、原点修正精度测试后，再进行重复
定位测试，以保证机械手运作的稳定性和可靠性，具体方法如下步骤所示：
1）机械手各轴往复运动：令机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴以全速速度在零点和预
先设定的指定坐标点之间往复运动，取其中20-30次的参数做测试试验。
2）记录各轴反馈脉冲数：记录其中20-30次往复运动中通过从伺服驱动器上读取
的伺服电机编码器反馈脉冲数，检测各轴相对于指定坐标点的重复定位精度。
3）判断机械手的重复定位合格率：通过记录伺服驱动器显示的脉冲数，观察脉冲
数的变化，以判断各个轴在重复定位中精度是合格。
所述的其他部件测试主要是将载入的程序控制机械手的运作，然后控制其他部件
来取出注塑成品和料头，机械手停在注塑机模具的上方，机械手的五个电动轴起始位置都
为0，治具垂直，注塑机开模后，机械手取出成品和料头，横出将料头放进破碎机，将成品放
到输送带，具体的操作步骤如下所示：
（1）测试模具：载入程序后，先将机械手调试到起点位置，将机械手调到自动运行状态，
等待注塑机开模，然后程序控制Z轴用吸盘取出成品，夹具取出料头，机械手通过X1、X2、Y1、
Y2 轴的运动离开模具范围，成功取出物料后系统控制输出允许关模信号，然后机械手将料
头和成品分别放入指定位置，每放一个成品到输送带上启动输送带允行3 秒，机械手返回
起点位置待机吸盘、夹具塑机锁模、顶针、抽芯动作。
（2）测试夹具：当夹具开关正相测试时，夹具取物成功，则夹具检测信号为通；取物
失败，则夹具检测信号为断，当进行夹具开关反相测试时，夹具取物成功，则夹具检测信号
为断；取物失败，则夹具检测信号为通。
（3）测试吸盘：当进行吸盘开关正相检测，吸盘取物成功，则吸盘检测信号为通；取
物失败，则吸盘检测信号为断；当进行吸盘开关反相检测时，吸盘取物成功，则吸盘检测信
号为断；取物失败，则吸盘检测信号为通。
（4）测试安全门：使用安全门时，在机械手在自动运行时，对安全门信号进行全程
检测，如没有安全门信号立即报警；不使用安全门时，机械手在自动运行时，对安全门信号
仅在手臂模内下降动作时进行检测，如没有安全门信号立即报警，其它动作时不进行检测。
（5）测试压力：使用气压缸时，启动程序，机械手检测气体压力，如气体压力未达到
设定值，则会报警，不使用气压缸时，机械手不检测气体压力，无论气体压力是否达到设定
值都不会报警。
（6）测试中模板：使用中模板时，启动程序，机械手对中模板的信号进行检测，手臂
模内下降时无中模板信号会报警，不使用中模板时，机械手对中模板的信号不进行检测。
本发明的有益效果：本发明的控制系统的测试方法主要包括顺序进行的空载实验
测试、控制程序测试、负载生产测试和其他部件测试，只有在前置的测试合格后方会进行下
一步骤的测试，以确保机械手及其控制系统运行的稳定性和可靠性，避免发生生产事故，减
少人力物力的浪费。
具体实施方式
一种用于注塑机的五轴机械手控制系统,主要包括触摸屏、五轴伺服控制从板、I/
O控制主板、驱动装置、电源装置和通讯线；触摸屏通过通讯线与I/O控制主板进行通讯；I/O
控制主板通过通讯线与五轴伺服控制从板进行通讯，五轴伺服控制从板与驱动装置电性相
连，电源装置分两部分，所述的驱动装置为设置有伺服驱动器的伺服电机；触摸屏上设置有
按键区域、状态选择开关、显示区域和紧急停止开关；打开状态选择开关时显示区域会显示
机械手的状态，包括模具的实时状态以及Z轴、X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴的实时位置状态，并能
通过按键区域的按键操作向I/O 控制主板上的芯片植入控制程序，并对各个机械轴进行位
置设定；在本发明的五轴注塑机机械手伺服控制系统中，X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴选用富士
ALPHA5SMART伺服系统；Z轴选用台达ASDA-AB伺服系统。伺服系统控制器通过DB25接头与伺
服驱动器CN1 端口连接，控制伺服驱动器运行同时接收伺服驱动器的状态信息。
一种用于注塑机的五轴机械手控制系统的测试方法，所述的测试方法主要包括顺
序进行的空载实验测试、控制程序测试、负载生产测试和其他部件测试；测试的对象为X1
轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴，其中Z 轴为机械手的横入、横出轴；X1 为机械手主臂的前进、后
退轴；Y1 轴为机械手主臂的上升、下降轴；X2 轴为机械手副臂的前进、后退轴；Y2 轴为机
械手副臂的上升、下降轴；其中所述的空载实验测试主要包括以下步骤：
（1）设定参数：将伺服电机组装好，根据采用的电子齿轮，设定伺服驱动器中电子齿轮
比参数，使得伺服驱动器中相关参数与伺服系统控制器中电机参数保持一致。
（2）组装机械手：将机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴零点感应块固定安装在轴
轨道上，将机械手的机械位置与伺服电机轴端编码器反馈的脉冲信号一一对应，使得机械
手每次执行工作归零后的电气原点都是相同的机械位置。
（3）测试机械手单次精度：对机械手进行单次定位精度测试是为了检测机械手在
定位过程中，伺服系统控制器实际发送的命令脉冲数与理论计算脉冲数是否相同，具体操
作步骤如下所示：
1）记录脉冲数：单次定位精度测试时，机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴首先要执行
归零功能，归零完成后，记录每个轴在零点时伺服驱动器上读取的伺服电机编码器反馈脉
冲数。
2）计算脉冲数：令机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴分别以全速速度从零点开
始，定位移动到若干个不同的设定好的距离进行定位，并记录各个轴定位完成后在伺服驱
动器上读取的伺服电机编码器反馈脉冲数，计算得出伺服系统控制器发送的脉冲数。
3）判断单次定位精度合格率：通过比较设定的若干个距离相对于零点的理论脉冲
数与伺服系统控制器发送的脉冲数，以判断机械手单次定位精度是否合格。
（4）测试重复定位精度：通过单次定位精度测试时，再进行重复定位测试，以保证
机械手运作的稳定性和可靠性，具体方法如下步骤所示：
1）机械手各轴往复运动：令机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴以全速速度在零点和预
先设定的指定坐标点之间往复运动，取其中20-30次的数据做测试。
2）记录各轴反馈脉冲数：记录其中20-30次往复运动中通过从伺服驱动器上读取
的伺服电机编码器反馈脉冲数，检测各轴相对于指定坐标点的重复定位精度。
3）判断机械手的重复定位合格率：通过记录伺服驱动器显示的脉冲数，观察脉冲
数的变化，如数据之间的差距在±1之间，则可判断各个轴在重复定位中精度合格。
所述的控制程序测试是在停止状态下，点击控制显示屏中档案按钮即可进入档案
页面，在该页面可进行新建程序、复制程序、载入程序、修改程序和模拟程序，具体的操作步
骤如下所示：
（1）新建程序：在控制显示屏中的新建文件名文本框输入所要新建的模具名称，建一个
空白的模具程序，并对程序模具进行命名。
（2）复制程序：命名模具名称后，点击已存储的模具名称，即可将已存储的模具程
序复制到新建的模具程序里并进行保存。
（3）载入程序：点击已保存的模具程序，点击载入按钮，即可将载入选中的模具程
序，自动运行时即运行该选定的程序。
（4）修改程序：点击已存储的模具程序，再点击修改按钮，即可对已载入的程序进
行修改。
（5）模拟程序：在新的程序载入完毕之后，点击控制显示屏上的模拟程序开关，屏
幕上会显示出机械手的形状，并对程序控制的动作进行模拟，如果屏幕上显示的机械手在
设定的程序中正常运行，则控制程序测试植入测试合格。
所述的负载生产测试主要是将伺服电机安装在机械手上并电性相连，令伺服电机
处于负载运行状态，然后测试机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴的各种精度，具体操作步
骤如下所示：
（1）调节参数：调节伺服驱动器中电子齿轮比相关参数，使伺服驱动器中相关参数与伺
服系统控制器中电机参数保持一致，然后调整伺服驱动器中位置控制相关的增益参数。
（2）测试各轴归零精度：机械手归零精度测试时，将机械手通电后通过手动操作将
机械手中X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴移动到任意位置，然后执行归零功能，待归零完成后，
记录伺服驱动器显示面板上显示的脉冲数，然后再次将机械手移动到任意位置，再次执行
归零功能并记录归零完成后的脉冲数，如此反复操作，重复执行20-30次归零操作，记录每
一次归零完成后的伺服驱动器显示的脉冲数，当最大脉冲偏差个数为±1时，机械手归零精
度合格。
（3）测试各轴原点修正精度：在控制面板上手动操作，首先将各个轴的零点偏差值
设定为零，然后执行归零功能，待归零完成后，记录各个轴在零点时伺服驱动器所显示的脉
冲数，然后设置各个轴的零点偏差值，然后重复执行归零功能20-30次，记录每次归零完成
后伺服驱动器所显示的脉冲数，原点修正后各轴归零后伺服驱动器显示脉冲值可以计算得
出原点修正前后脉冲数差值，记录脉冲数最大差值和最小差值， 当修正前后的脉冲数差值
为±1时原点修正精度合格。
（4）测试重复定位精度：通过各轴的归零精度、原点修正精度测试后，再进行重复
定位测试，以保证机械手运作的稳定性和可靠性，具体方法如下步骤所示：
1）机械手各轴往复运动：令机械手X1轴、X2轴、Y1轴、Y2轴和Z轴以全速速度在零点和预
先设定的指定坐标点之间往复运动，取其中20-30次的参数做测试试验。
2）记录各轴反馈脉冲数：记录其中20-30次往复运动中通过从伺服驱动器上读取
的伺服电机编码器反馈脉冲数，检测各轴相对于指定坐标点的重复定位精度。
3）判断机械手的重复定位合格率：通过记录伺服驱动器显示的脉冲数，观察脉冲
数的变化，以判断各个轴在重复定位中精度是合格。
所述的其他部件测试主要是将载入的程序控制机械手的运作，然后控制其他部件
来取出注塑成品和料头，机械手停在注塑机模具的上方，机械手的五个电动轴起始位置都
为0，治具垂直，注塑机开模后，机械手取出成品和料头，横出将料头放进破碎机，将成品放
到输送带，具体的操作步骤如下所示：
（1）测试模具：载入程序后，先将机械手调试到起点位置，将机械手调到自动运行状态，
等待注塑机开模，然后程序控制Z轴用吸盘取出成品，夹具取出料头，机械手通过X1、X2、Y1、
Y2 轴的运动离开模具范围，成功取出物料后系统控制输出允许关模信号，然后机械手将料
头和成品分别放入指定位置，每放一个成品到输送带上启动输送带允行3 秒，机械手返回
起点位置待机吸盘、夹具塑机锁模、顶针、抽芯动作。
（2）测试夹具：当夹具开关正相测试时，夹具取物成功，则夹具检测信号为通；取物
失败，则夹具检测信号为断，当进行夹具开关反相测试时，夹具取物成功，则夹具检测信号
为断；取物失败，则夹具检测信号为通。
（3）测试吸盘：当进行吸盘开关正相检测，吸盘取物成功，则吸盘检测信号为通；取
物失败，则吸盘检测信号为断；当进行吸盘开关反相检测时，吸盘取物成功，则吸盘检测信
号为断；取物失败，则吸盘检测信号为通。
（4）测试安全门：使用安全门时，在机械手在自动运行时，对安全门信号进行全程
检测，如没有安全门信号立即报警；不使用安全门时，机械手在自动运行时，对安全门信号
仅在手臂模内下降动作时进行检测，如没有安全门信号立即报警，其它动作时不进行检测。
（5）测试压力：使用气压缸时，启动程序，机械手检测气体压力，如气体压力未达到
设定值，则会报警，不使用气压缸时，机械手不检测气体压力，无论气体压力是否达到设定
值都不会报警。
（6）测试中模板：使用中模板时，启动程序，机械手对中模板的信号进行检测，手臂
模内下降时无中模板信号会报警，不使用中模板时，机械手对中模板的信号不进行检测。
本发明的控制系统的测试方法主要包括顺序进行的空载实验测试、控制程序测
试、负载生产测试和其他部件测试，只有在前置的测试合格后方会进行下一步骤的测试，本
发明中的伺服驱动器采用位置控制模式，选择脉冲命令方式控制，伺服控制系统主要由伺
服系统控制器和伺服系统构成，其中系统性能测试环节是检测系统设计能否满足性能要求
的重要步骤，以确保机械手及其控制系统运行的稳定性和可靠性，避免发生生产事故，减少
人力物力的浪费。