高速鋼坯搬運機器人控制系統的設計及應用

徐益平

【摘 要】目前國內鋼坯搬運裝備存在節奏慢、精度低、產能匹配性差等缺點。為了解決上述問題，國內鋼鐵企業研發和使用了新型的高速鋼坯搬運機器人，該鋼坯搬運機器人采用了專用的控制系統，該控制系統采用雙層網絡的形式，對機器人部件進行了分布式控制和數據采集，并通過協同控制的方式，實現了各機構間的動作協調問題。該系統通過長時間的生產運行，工作穩定，滿足各型號產品的生產指標，滿足企業生產的要求。

【關鍵詞】鋼坯搬運;機器人;控制系統;協同控制

中圖分類號： TG269文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）21-0015-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.006

Design and Application of Control System for High-speed Robot for Billet Handling

XU Yi-ping

（Nanjing Iron and Steel Group CO.，LTD.，Nanjing Jiangsu 210000，China）

【Abstract】At present，domestic billet handling equipment has the disadvantages of slow rhythm，low accuracy，and poor matching ability.In order to solve the problems，a new type of s high-speed robot for billet handling is invented， which adopts a special control system.The control system uses a double layer network to control and data collection.By collaborative control，the coordination between different agencies is realized.The system works stably and meet the requirements of various types of products.

【Key words】Billet handling;Robot;Control system;Collaborative control

0 引言

目前國內鋼坯搬運多為半自動作業，存在速度低、工藝節奏慢、位置精度低、抗干擾能力弱、鋼坯搬運產能與軋制工藝產能匹配性差等缺點[1]。高速鋼坯搬運機器人是一種冶金行業專用機器人，用于解決上述鋼坯搬運的各種問題[2]。

高速鋼坯搬運機器人控制系統是一個非常復雜的多輸入多輸出系統，不僅具有大慣性、測量誤差、機械振動等系統本身的不確定因素，還受到原料質量、外界運行環境、擾動等因素的影響，具有高度非線性、時變、強耦合等特性。因此，該設備很難建立完整準確的被控對象動力學模型，這對搬運裝備的控制也帶來了極大的困難，嚴重降低系統的控制品質。隨著鋼鐵產業升級和自動化水平的提升，對搬運裝備的控制性能和控制精度提出的要求越來越高，需要設計高精度、高品質的控制系統，使搬運機器人的運行有良好的動態品質，并保證機械手及各機構能夠精確跟蹤給定的期望軌跡[3]。

1 高速鋼坯搬運機器人介紹

高速鋼坯搬運機器人是一種冶金行業搬運工序專用機器人，主要由高速重載機械手、末端執行器、收集臺架、移送機構等組成。其中機械手主體采用高強度型材和連桿式關節型結構。

高速鋼坯搬運機器人控制的主要問題是使搬運機器人的各運動機構及機械手關節和末端執行器位置能夠以理想的動態品質跟蹤給定的軌跡或穩定在預定的位置上。針對難以建立精確模型的鋼坯搬運問題，那些傳統的基于被控對象精確數學模型的控制理論，往往不能保證搬運機器人控制的最佳特性。

2 高速鋼坯搬運機器人控制系統的硬件結構

高速鋼坯搬運機器人控制系統的硬件和網絡結構見圖1。由于搬運機器人由多個運動機構組成，而各機構之間存在空間距離和相對運動，為方便設備布線和減少信號干擾，本控制系統的IO采集使用現場總線結構。根據機械結構和功能劃分，本設計將整個機組劃分為機械手機構、進料機構、收集機構和外運機構4個子系統，每個部分通過布置在機上的現場總線模塊進行傳感器信號采集。搬運機各驅動機構通過變頻器或伺服放大器驅動，變頻器或伺服放大器也通過網絡與主控制器通訊。

2.1 硬件構成

考慮到與傳統鋼鐵冶金企業控制系統的融合和維護問題，高速鋼坯搬運機器人采用PLC控制方式運行，以滿足實時控制的計算要求[4][5]。本控制系統采用基于Profinet接口協議的通訊模塊，與現場總線模塊、變頻器、伺服器進行通訊。

對于控制精度要求不高的移送機構，為了在滿足性能要求的前提下降低硬件成本，本控制系統采用變頻器控制。對于控制精度要求較高的機器人執行機構，本控制系統采用伺服驅動器，用來實現高精度部位的精確伺服控制。按照機組子系統的劃分，在機上設置機械臂現場總線箱、進料現場總線箱、收集現場總線箱和外運現場總線箱四個分布式I/O系統，該現場總線采用Profinet網絡構成設備級子網絡。

2.2 網絡結構

高速鋼坯搬運機器人控制系統設計了兩層配合的網絡結構。

如圖1所示，本控制系統設計了兩個獨立網段的Profinet網絡，分別是：

1）用于設備級控制器通訊網，以及用于分布式數據采集的下級網絡;

2）用于車間級基礎自動化系統，用于連接上級系統網絡。

這兩個Profinet網絡以控制器的網絡通訊硬件作為分割界面，對上下級網絡分別采用獨立的網段，以保護設備訪問和操作的權限，并節約車間的網絡地址資源。下級網包括控制器和機組范圍內的Profinet通訊設備，通過主控制器對其進行控制。上級網包括控制器和智能化服務器，用于信息系統的存儲、智能控制系統的計算、人機界面的數據傳輸和車間自動化系統的通訊。上下級網絡在PLC控制器中進行數據交換和共享。

3 高速鋼坯搬運機器人的控制效果

高速鋼坯搬運機器人應用的場合是鋼鐵企業的軋鋼工序，搬運對象是連鑄出產的鋼坯。工業現場的控制系統其控制器和執行機構間通過控制信號相互溝通，實際工作的系統還需要加入信號限幅、信號傳輸延時、執行器死區和噪聲干擾等處理手段。圖2是高速鋼坯搬運機器人的橫移機構、伸縮機構和機械手機構的理想運行軌跡和實際運行軌跡對比圖。

a.橫移機構運行軌跡

b.伸縮機構運行軌跡

c.機械手結構運行軌跡

經過現場運行效果可以看到，本文設計的高速鋼坯搬運機器人控制系統性能優秀。位置跟蹤誤差可以很快收斂到零，同時很大程度上減少了振蕩調節環節，而減少振蕩環節可以避免反復變換方向帶來的執行機構的物理損傷，延長了設備使用壽命。由于控制系統硬件條件的制約，信號延遲和處理器運算周期不能忽略，所以會造成換向階段的延時誤差（誤差曲線的尖峰），但該偏差時間較短，且在搬運機器人運行節奏所允許的范圍之內，故而不影響設備性能。

【參考文獻】

[1]劉統珂，趙立偉.型鋼搬運機自動控制系統的位置檢測與變頻器控制[J].沈陽師范大學學報（自然科學版），2004，22（3）：190-192.

[2]Martin H？覿gele，Klas Nilsson，J.Norberto Pires，and Rainer Bischoff.Industrial Robotics[M].Springer Handbook of Robotics.2016：1386-1389.

[3]V.Nabat1，S.Krut，O.Company，P.Poignet，and F.Pierrot.On the Design of a Fast Parallel Robot Based on Its Dynamic Model[C].Experimental Robotics：The 10th International Symposium on Experimental Robotics.2008：409-419.

[4]孫本榮，率民，楊新法，等.基于PLC的全自動鋁錠搬運機設計[J].機床與液壓，2012，30（10）：101-103.

[5]Yasuda G.Distributed Coordination of Multiple Robot Systems Based on Hierarchical Petri Net Models[M].Intelligent Robotics and Applications.2013：602-613.