化纖長絲生產(chǎn)線天軌機器人快速定位控制設(shè)計

路文紀，鄒　鯤，舒　暢

(東華大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201620)

0　引言

隨著工業(yè)自動化領(lǐng)域的快速發(fā)展，生產(chǎn)線上采用多機器人取代人工已經(jīng)成為一種趨勢。多機器人之間通過相互配合，可以更為高效、準確地完成一個完整的工藝流程[1]。近年來，多機器人系統(tǒng)的研究在通信、體系結(jié)構(gòu)、任務(wù)分配和控制等方面都取得了較大的進步，使得多機器人系統(tǒng)擁有更高的數(shù)據(jù)冗余度和更好的魯棒性[2-5]。某化纖長絲生產(chǎn)線使用多機器人系統(tǒng)替代人工，搬運卷裝的絲餅。機器人采用天軌移動的承載方式，從卷繞機上獲取絲餅并放置到絲架車。由于機器人自重過大，在天軌上的加、減速較慢，定位穩(wěn)定時間長，嚴重影響了生產(chǎn)效率。本文提出在天軌移動方向增加一個可移動機構(gòu)，采用雙電機位置閉環(huán)控制算法，以縮短自動化落筒機器人穩(wěn)定時間、減少能耗和生產(chǎn)成本。

1　系統(tǒng)通信及硬件設(shè)計

搬運系統(tǒng)由落筒機器人和投擲機器人組成。每臺機器人包含五臺伺服電機。其中，天軌與推座電機為沿天軌方向運動的電機，推座電機負責(zé)推動裝載絲餅的桿，行程有限，可輔助天軌電機快速定位。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。落筒機器人負責(zé)從卷繞機上接過絲餅，然后再交給投擲機器人，最終由投擲機器人將絲餅放上貨架。兩臺機器人絲餅的交接定位，由天軌電機和推座電機共同配合完成。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　System structure

控制系統(tǒng)上位機使用計算機，并采用NI公司的LabVIEW軟件進行上位機開發(fā)。上位機通過基于對象嵌入與鏈接的過程控制(object linking and embedding for process control,OPC)技術(shù)，使用工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET與TCP/IP協(xié)議和下位機的PLC進行數(shù)據(jù)交換[6-8]。多臺機器人間的PLC通信也是通過工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET實現(xiàn)的。

圖2為系統(tǒng)通信架構(gòu)圖。

圖2　系統(tǒng)通信架構(gòu)圖Fig.2　Communication structure of system

鑒于不同廠家設(shè)備的通信協(xié)議不同，不能直接進行數(shù)據(jù)交換。LabVIEW與ET200S間使用OPC技術(shù)解決此問題[9]，以LabVIEW作為OPC客戶端,而PLC作為OPC服務(wù)器端[10]。通過OPC軟件TOP Server創(chuàng)建通信標簽，添加上、下位機共享變量，再配置各機器人以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的IP地址、子網(wǎng)掩碼，如表1所示，就可實現(xiàn)上、下位機的數(shù)據(jù)交換[11-12]。當PLC收到上位機發(fā)來的指令后，通過PROFIBUS總線與S120進行通信，從而控制電機運動并讀取電機的運動狀態(tài)。

表1　地址分配Tab.1　Address assignment

下位機的控制系統(tǒng)均為ET200S和S120組合，每個S120控制器根據(jù)其控制單元(control unit,CU)控制單元選型，可控制數(shù)個伺服電機。S120適用于多軸控制，其強大的定位功能可以準確地實現(xiàn)軸的絕對定位、相對定位，適用于對運動精度要求較高的系統(tǒng)，完全能夠滿足本套系統(tǒng)的要求。S120控制器選配電源模塊、電機模塊、編碼器和可以控制六根軸的CU320-2DP控制單元，具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Hardware structure

ET200S與S120之間采用PROFIBUS總線[13-15]。因為此套系統(tǒng)使用了大量分散的I/O設(shè)備，如限位開關(guān)、接近開關(guān)等，所以系統(tǒng)采用適用于可編程控制器與現(xiàn)場級分散I/O設(shè)備之間通信的DP協(xié)議，以ET200S作為主站、S120作為從站。在系統(tǒng)中配置好站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式，以確保系統(tǒng)通信的有序、高效。

2　S120與ET200S通信方法

使用西門子的STEP7 SP2.V5.5版本作為組態(tài)軟件。首先創(chuàng)建PLC站點，然后進行硬件配置。根據(jù)系統(tǒng)實際需求，配置包括IM151-8F CPU在內(nèi)的所有模塊、S120的DP從站及各個機器人PROFIBUS地址。

S120的配置軟件為STARTER V4.1.3。S120通過111報文來實現(xiàn)類似點動、回零、MDI等基本定位功能。111報文的發(fā)送和接收各有12個字節(jié)，共24個字節(jié)，如表2所示。發(fā)送為控制字，即PLC傳遞給S120的數(shù)據(jù)。接收為狀態(tài)字，即PLC讀取S120返回的狀態(tài)信息，但PLC不能對狀態(tài)字進行修改。控制字中，可以通過修改OVERRIDE、MDI_TARPOS、MDI_VELOCITY、MDI_ACC、MDI_DEC等字，進而修改電機的運動速率、目標位置、運動速度、加減速度等參數(shù)。通過查看狀態(tài)字ZSW1中的相應(yīng)位，可以獲取軸的實際位置和速度等狀態(tài)信息。當PLC和S120完成組態(tài)后，在STARTER中配置111報文的地址，使其與PLC 對應(yīng)的地址區(qū)建立映射。該地址即為所對應(yīng)的電機。使用STEP 7中的系統(tǒng)功能SFC14(讀取DP標準從站的連續(xù)數(shù)據(jù))與SFC15(向DP標準從站寫入數(shù)據(jù))，建立兩者間的通信。通過SFC14可讀取PLC中DB2數(shù)據(jù)塊從DB2.DBW0到 DB2.DBW23的這24個字節(jié)。在DB2中將這24個字節(jié)分別定義為111報文所對應(yīng)的狀態(tài)字，并通過S120中111報文地址W#16#182與這24個字節(jié)建立聯(lián)系。 同樣地，在SFC15中，從DB1.DBW0到DB1.DBW23的這24個字節(jié)代表111報文中的控制字，通過地址W#16#182與S120 建立聯(lián)系。這樣就可通過修改PLC中DB1數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的控制字參數(shù)，修改111報文和讀取DB2中對應(yīng)的狀態(tài)字參數(shù)，實現(xiàn)對相應(yīng)電機的控制和各種狀態(tài)的讀取。

表2　111報文Tab.2　111 messages

3　雙電機快速定位設(shè)計

3.1　工藝需求

化纖長絲自動化生產(chǎn)線機器人負責(zé)把絲餅從卷繞機搬運到絲架車上，自動化落筒機器人采用伺服電機半閉環(huán)控制方式。天軌驅(qū)動電機采用功率為1.5 W的異步電機；推座采用功率為240 kW的異步電機。驅(qū)動方式為帶編碼器反饋的矢量控制，編碼器為1 024線帶零位脈沖的增量編碼器。天軌電機運行一圈，機器人前進34.159 mm；推座電機運行一圈，推座前進10 mm。

機器人天軌運動采用電機帶動減速機驅(qū)動齒輪運行。其速度、位置設(shè)定值和測量值使用西門子STARTER軟件獲取。電機速度、位置的設(shè)定值與測量值曲線如圖4所示。

電機運行的位置單位為 LU,即 Length UNIT。電機運行一圈為10 000 LU。機器人自重大，天軌加、減速時間長，消耗較多時間。以絲餅轉(zhuǎn)運典型工藝為例，采用單天軌電機定位方式，行程600 000 LU，機器人天軌方向定位時間超過10 s，其中減速調(diào)整時間大于4 s，天軌電機速度位置曲線如圖4(a)所示。

推座子系統(tǒng)質(zhì)量小，電機加減速時間小于500 ms，其速度位置曲線如圖4(b)所示。但由于推座行程小，單獨使用推座子系統(tǒng)無法完成絲餅輸送工藝。若天軌使用大功率電機，將增加系統(tǒng)能耗；提高減速機的減速比雖能提高驅(qū)動系統(tǒng)扭矩，縮短天軌定位穩(wěn)定時間，但會降低系統(tǒng)最大運行速度，對生產(chǎn)效率產(chǎn)生負面影響。所以需要采用合適的控制方法提高機器人天軌定位速度。

圖4　電機速度、位置曲線Fig.4　Curves of speed and position of the motors

3.2　子系統(tǒng)建模

根據(jù)機器人位置設(shè)定值和測量值信息，采用單入單出(single input single output，SISO) 傳遞函數(shù)參數(shù)估計方法，建立機器人各運動子系統(tǒng)仿真模型。在控制系統(tǒng)建模和仿真中，如天軌電機定位精度小于5 000 LU，即可滿足絲餅轉(zhuǎn)運工藝要求。用STARTER軟件獲取驅(qū)動器的監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過LabVIEW對天軌電機和推座電機子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進行參數(shù)估計[16-19]。天軌運行子系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)采用雙級滯后比例環(huán)節(jié)，計算得到如式(1)所示的傳遞函數(shù)[20]。推座子系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)為單級滯后比例環(huán)節(jié)，計算得傳遞函數(shù)如式(2)所示。

(1)

(2)

把天軌行程為600 000 LU和450 000 LU 的下位機控制器的位移設(shè)定值輸入天軌電機子系統(tǒng)仿真模型，計算得到位移過程量仿真值和測量之間的誤差絕對值不超過0.01%。經(jīng)驗證，依照此模型仿真獲取的位置計算值和測量值的差值滿足要求，能在此模型基礎(chǔ)上進行研究。推座電機子系統(tǒng)同理可證。

3.3　快速定位控制過程設(shè)計及仿真

根據(jù)天軌、推座子模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使用AMESim建立雙電機控制系統(tǒng)模型。雙電機位置環(huán)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。推座電機位置環(huán)定位控制器根據(jù)天軌電機子系統(tǒng)位置的當前值和設(shè)定值的差值計算推座子系統(tǒng)位置的設(shè)定值，采用比例控制器，增益為20。由于推座電機子系統(tǒng)行程有限，對控制器的輸入輸出進行限幅，范圍為-190 000～+238 000。推座電機速度限幅為2 000 r/min，天軌電機速度限幅為1 000 r/min。天軌電機、推座電機子模型位置輸出之和為系統(tǒng)位置輸出。

圖5　雙電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5　Structure block diagram of double motor control system

PLC定位程序設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6　程序流程圖Fig.6　Program flowchart

在進入主程后，PLC先與S120驅(qū)動器建立通信，然后進行參數(shù)初始化，給111報文賦初值，配置電機的加減速、定位速度速率等參數(shù)并使能JOG、回參考點、軟硬限位、接近開關(guān)等功能。參數(shù)賦值具體如表3所示。其中，控制字STW1必須在第一個周期內(nèi)由高位到低位寫入二進制數(shù)0000010001111110，即47E，然后在第二周期寫入47F，以驅(qū)動電機。

表3　參數(shù)賦值Tab.3　Parameter assignment

雙電機定位仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　雙電機定位仿真結(jié)果Fig.7　Positioning simulation results of double motor

定位開始時，天軌電機開始運動，不斷判斷它與目標位置的距離，并對推座電機進行限幅。一旦滿足推座電機子系統(tǒng)的限幅,天軌電機開始減速。與此同時，推座電機開始運動。推座電機運動距離通過不斷讀取天軌電機與目標距離的差值獲得。當兩者的運動總距離達到目標位置后停止，定位結(jié)束。

對于600 000 LU行程，雙電機定位時間比天軌單電機定位時間縮短3.4 s。研究結(jié)果表明，雙電機定位控制能降低天軌電機因減速時間過長帶來的影響，提高系統(tǒng)的定位速度。

4　結(jié)束語

ET200S與S120組成的多機器人控制系統(tǒng)，通過PROFIBUS-DP協(xié)議，由111報文協(xié)議實現(xiàn)控制伺服電機的回零、加減速、JOG等一系列功能。

在天軌移動方向上，該多機器人控制系統(tǒng)采用高動態(tài)響應(yīng)環(huán)節(jié)的子系統(tǒng)對低動態(tài)響應(yīng)的系統(tǒng)進行補償，以提高系統(tǒng)整體動態(tài)響應(yīng)性能；采用全閉環(huán)控制能提高系統(tǒng)的定位精度，適用于更高精度需求的控制系統(tǒng)。通過雙電機位置控制，可在能耗有限的條件下，縮短機器人天軌移動定位時間，提高生產(chǎn)線效率和企業(yè)的經(jīng)濟效益。該研究對于廣大長絲生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)高效絲餅自動化搬運具有指導(dǎo)性意義。

參考文獻:

[1] 吳軍，徐昕，連傳強，等.協(xié)作多機器人系統(tǒng)研究進展綜述[J].智能系統(tǒng)學(xué)報，2011,6(1):13-27.

[2] 原魁，李園，房立新.多移動機器人系統(tǒng)研究發(fā)展近況[J].自動化學(xué)報，2007，33(8)：785-794.

[3] 吳軍,徐昕,王健,等.面向多機器人系統(tǒng)的增強學(xué)習(xí)研究進展綜述[J].控制與決策，2011(11):1604-1608.

[4] WEI W,GANG W,CHAO Y.A calibration method of kinematic parameters for serial industrial robots[J].Industrial Robot,2014,2(4):157-165.

[5] KABUKA M R,ARENAS A E.Position verification of a mobile

robotusing standard pattern [J].IEEE Journal on Robotics & Automation,2003,3(6):505-516.

[6] 崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南(下冊)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[7] FERRARI P,FLAMMINI A,VITTURI S.Performance analysis of PROFINET networks[J].Computer Standards & Interfaces,2006,28(4):369-385.

[8] 吉順平.西門子PLC 與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[9] DANA S,SAGAHYROON A.Development of a monitoring and control platform for PLC-based applications[J].Computer Standards & Interfaces,2008,30(3):157-166.

[10]BARSOUM N N,ROLAND J A.Ethernet control AC motor via PLC using LabVIEW[J].Intelligent Control & Automation,2011,2(4):330-339.

[11]馬西沛，劉偉.基于TCP/IP和CAN Bus協(xié)議的機電一體化試驗平臺的研究[J].機械設(shè)計與制造，2010，4(4)：85-86.

[12]PETER K,AXEL A,HEINZ L,et al.FPGA configuration by TCP/IP and ethernet[C]//2007 15th IEEE-NPSS Real-Time Conference,2007:1-4.

[13]崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南(上冊)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004.

[14]鄭卓，張東，劉旭東,等.Profibus和Profinet在工業(yè)鍋爐監(jiān)控中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2010,31(3):38-40.

[15]張俊彪,王鴻輝,何長安.基于 OPC Server 的PC與S7-300/400的通信[J].電力自動化設(shè)備,2007,4(4):83-86.

[16]李亮.基于LabVIEW的系統(tǒng)辨識[C]//全國先進制造技術(shù)高層論壇暨第八屆制造業(yè)自動化與信息化技術(shù)研討會,2009:3.

[17]倪博溢，蕭德云.基于LabVIEW的辨識仿真實驗平臺[J].計算機仿真，2006,23(5):259-263.

[18]HASAN G,IBRAHIM T,FIKRET A.Designing intelligent mechanical ventilator and user interface using LabVIEW[J].Arabian Journal for Science & Engineering,2014,39(6):4805-4813.[19]BITTER R,MOHIUDDIN T,NAWROKI M.LabVIEW advanced programming techniques [M].Boca Raton: CRC Press,2007.

[20]施密特.機械制造裝備控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.