基于歐姆龍NJ控制器的門架式機(jī)器人控制系統(tǒng)

姬海翔，張 倩，王紹宗，靳云發(fā)，莊 圓

（機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心 先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

基于歐姆龍NJ控制器的門架式機(jī)器人控制系統(tǒng)

姬海翔，張 倩，王紹宗，靳云發(fā)，莊 圓

（機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心 先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

為提高鋼構(gòu)行業(yè)的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)出門架式鋼板自動(dòng)分揀機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了切割后鋼板的自動(dòng)分揀。門架式機(jī)器人的控制系統(tǒng)選用歐姆龍NJ控制器，采用EtherCAT總線方式連接伺服控制器和I/O模塊，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)控制、多電機(jī)直線插補(bǔ)；通過Ethernet連接觸摸屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互；增加MODBUS通訊模塊與企業(yè)MES系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)信息的實(shí)時(shí)通訊。

NJ控制器；伺服電機(jī)；直線插補(bǔ)

0　引言

在傳統(tǒng)鋼構(gòu)加工車間內(nèi)，切割后的鋼板分揀以手工操作為主，工作環(huán)境惡劣，對(duì)工人的身體健康造成極大的危害。因此，利用自動(dòng)化、數(shù)字化等現(xiàn)代技術(shù)改造傳統(tǒng)鋼構(gòu)加工已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文結(jié)合鋼板自動(dòng)分揀的具體需求，開發(fā)出鋼板自動(dòng)分揀機(jī)器人，并開發(fā)出基于歐姆龍NJ控制器的門架式機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼板的自動(dòng)分揀，提高了鋼構(gòu)加工的生產(chǎn)技術(shù)水平和生產(chǎn)效率。

1　門架式機(jī)器人結(jié)構(gòu)

門架式機(jī)器人主要由門架結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和鋼板抓取機(jī)構(gòu)組成。機(jī)器人總體尺寸為16900mm×10200mm ×8300mm，行程長、跨距大是其主要特點(diǎn)。門架結(jié)構(gòu)為整個(gè)機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)，采用型材焊接而成，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及電磁吸盤等均安裝在門架結(jié)構(gòu)上。

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由X軸、Y軸、Z軸和A軸組成。X軸、Y軸各設(shè)計(jì)有兩臺(tái)伺服電機(jī)；Z軸和A軸各設(shè)計(jì)有一臺(tái)伺服電機(jī)。各運(yùn)動(dòng)軸均由伺服電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，根據(jù)實(shí)際情況采用不同的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)形式，X軸采用輪式行走方式，Y軸和Z軸采用直線導(dǎo)軌形式，利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪在齒務(wù)上運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)及外形尺寸緊湊合理；A軸采用回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)。鋼板抓取機(jī)構(gòu)為雙電磁吸盤形式，以保證對(duì)不同重量、不同尺寸的物料進(jìn)行自動(dòng)分揀。門架式機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)和主要控制元件如圖1所示。

圖1　門架式機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)和主要控制元件

2　門架式分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)要求

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求及工藝需要，所開發(fā)的門架式分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)需要滿足以下技術(shù)要求：

1）接受MES系統(tǒng)發(fā)送的任務(wù)并完成任務(wù)執(zhí)行；

2）實(shí)時(shí)將機(jī)器人工作狀態(tài)向MES系統(tǒng)進(jìn)行反饋；

3）高速運(yùn)行情況下，分別實(shí)現(xiàn)X軸與Y軸的同步運(yùn)動(dòng)；

4）滿足變負(fù)載狀態(tài)下，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位；

5）具有多重安全防護(hù)措施，保證生產(chǎn)安全。

2.2硬件組成

NJ控制器是歐姆龍最新推出的新一代PLC，NJ系列PLC產(chǎn)品集成了EtherCAT技術(shù)的開放式網(wǎng)絡(luò)控制器，以及EtherNET/IP網(wǎng)絡(luò)的開放式網(wǎng)絡(luò)信息和通訊技術(shù)并建立了統(tǒng)一的自動(dòng)化軟件平臺(tái)Sysmac Studio，該軟件完美結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制與邏輯控制，可實(shí)現(xiàn)最多64軸的運(yùn)動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)直線、圓弧等的插補(bǔ)動(dòng)作功能，通過簡(jiǎn)單的設(shè)定，即可完成對(duì)控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服以及其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的配置，通過內(nèi)部功能塊即可完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制［1，2］。

根據(jù)門架式機(jī)器人的控制系統(tǒng)要求，在控制系統(tǒng)硬件選型中，控制器選用歐姆龍NJ控制器，采用EtherCAT總線方式連接伺服控制器和I/O模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)控制、多電機(jī)直線插補(bǔ)；通過Ethernet連接觸摸屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互；增加MODBUS通訊模塊與企業(yè)MES系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)信息的實(shí)時(shí)通訊。圖2為控制系統(tǒng)硬件組成。

圖2　控制系統(tǒng)硬件組成

3　軟件設(shè)計(jì)及開發(fā)

3.1網(wǎng)絡(luò)配置及設(shè)備組態(tài)

控制系統(tǒng)采用編程軟件Sysmac Studio進(jìn)行系統(tǒng)配置和軟件設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置和設(shè)置，將控制系統(tǒng)中的總線設(shè)備按照物理連接順序依次配置到網(wǎng)絡(luò)中。其中，對(duì)于使用非歐姆龍廠商的第三方設(shè)備，配備時(shí)需將設(shè)備的*.xml文件導(dǎo)入到編程軟件，并添加控制需要的PDO映射，如圖3所示。

圖3　PDO映射

編輯CPU/擴(kuò)展機(jī)架，將實(shí)際硬件的控制器和模塊添加到機(jī)架中，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。其中，添加需要控制的伺服軸、虛擬軸和編碼器軸，選擇對(duì)應(yīng)的輸出設(shè)備，并正確分配PDO映射到各軸的詳細(xì)設(shè)置中，并根據(jù)實(shí)際情況添加需要控制的軸組，確保軸和軸組設(shè)置正確無誤。

3.2多電機(jī)直線插補(bǔ)的方案分析

為保證運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精確定位，需要確保運(yùn)動(dòng)軸在運(yùn)動(dòng)過程中的同步運(yùn)動(dòng)控制。在本控制系統(tǒng)中，采用多電機(jī)直線插補(bǔ)的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)同步控制。

在實(shí)現(xiàn)多電機(jī)直線插補(bǔ)時(shí)，應(yīng)充分考慮方案實(shí)際操作的方便性，以及對(duì)同步性和定位精度的影響。有三種實(shí)現(xiàn)方案，示意圖如圖4所示，其方案內(nèi)容及對(duì)應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

圖4　方案示意圖

綜合分析三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況，在本控制方案中，選用方案三實(shí)現(xiàn)電機(jī)直線插補(bǔ)。

3.3控制系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的控制要求，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定及生產(chǎn)的安全，在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過調(diào)用Sysmac Studio編程軟件中的基于PLCopen開發(fā)的內(nèi)部功能模塊，如：可運(yùn)行（MC_Power）、微動(dòng)移動(dòng)（MC_MoveJog）、原點(diǎn)復(fù)位（MC_Home）、絕對(duì)值定位（MC_MoveAbsolute）、齒輪動(dòng)作開始（MC_ GearIn）、齒輪動(dòng)作解除（MC_GearOut）、啟用軸組（MC_GroupEnable）、直線插補(bǔ)（MC_MoveLinear）等命令完成運(yùn)動(dòng)控制，通過梯形圖指令、ST語句指令等進(jìn)行邏輯流程的編寫。其中，Y軸絕對(duì)值定位控制程序圖如圖5所示。

表1　多電機(jī)直線插補(bǔ)方案分析

圖5　Y軸絕對(duì)值定位控制程序圖

4　監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人機(jī)界面用于設(shè)備與操作人員之間的溝通，操作人員可通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)門架式機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置，查看運(yùn)行信息、實(shí)時(shí)位置和故障報(bào)警等。人機(jī)界面的開發(fā)通過NB-Designer實(shí)現(xiàn)，確保與控制器之間高效、穩(wěn)定連接。其中的自動(dòng)設(shè)置界面，如圖6所示，可進(jìn)行板料厚度、X、Y、Z、A軸運(yùn)行速度、運(yùn)行的板料數(shù)量等參數(shù)設(shè)置；另外，運(yùn)行信息界面顯示了門架式機(jī)器人的當(dāng)前運(yùn)行信息和近幾次完成任務(wù)的位置信息；在報(bào)警信息界面，可進(jìn)行運(yùn)行中故障信息的實(shí)時(shí)報(bào)警，并給出報(bào)警解決方法。

圖6　門架式機(jī)器人人機(jī)界面

5　結(jié)束語

本文開發(fā)的門架式機(jī)器人應(yīng)用于鋼構(gòu)車間切割后鋼板的自動(dòng)分揀。利用電機(jī)直線插補(bǔ)方案，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在大車行程13.1米，速度850mm/s、小車行程8米，速度650mm/s下，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)定位精度可達(dá)到±5mm，滿足了用戶使用要求。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)使用，本機(jī)器人有效降低操作人員和維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了鋼構(gòu)加工的生產(chǎn)效率。

圖7　門架式機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)

［1］ 王月芹.基于歐姆龍NJ控制器機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013（3）：28-29.

［2］ 王琦，陳志杰.歐姆龍NJ控制器在太陽能線切割機(jī)中的應(yīng)用［J］.太陽能，2012（21）：32-34.

［3］ 史金良，徐世許，吳琳婧.并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014（10）：46-47.

［4］ 歐姆龍NJ系列指令基準(zhǔn)手冊(cè)［Z］.2013.

Gantry robot control system based on the OMRON NJ controller

JI Hai-xiang， ZHANG Qian， WANG Shao-zong， JIN Yun-fa， ZHUANG Yuan

TP242.2

A

1009-0134（2016）10-0007-03

2016-06-20

姬海翔（1989 -），男，北京人，助理工程師，本科，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。