姬海翔，張 倩，王紹宗，靳云發(fā)，莊 圓

（機械科學研究總院先進制造技術(shù)研究中心 先進成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室，北京 100083）

基于歐姆龍NJ控制器的門架式機器人控制系統(tǒng)

姬海翔，張 倩，王紹宗，靳云發(fā)，莊 圓

（機械科學研究總院先進制造技術(shù)研究中心 先進成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室，北京 100083）

為提高鋼構(gòu)行業(yè)的自動化程度和生產(chǎn)效率，設(shè)計出門架式鋼板自動分揀機器人，實現(xiàn)了切割后鋼板的自動分揀。門架式機器人的控制系統(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，實現(xiàn)伺服電機的實時控制、多電機直線插補；通過Ethernet連接觸摸屏，實現(xiàn)人機信息交互；增加MODBUS通訊模塊與企業(yè)MES系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)信息的實時通訊。

NJ控制器；伺服電機；直線插補

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，對工人的身體健康造成極大的危害。因此，利用自動化、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。本文結(jié)合鋼板自動分揀的具體需求，開發(fā)出鋼板自動分揀機器人，并開發(fā)出基于歐姆龍NJ控制器的門架式機器人自動控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對鋼板的自動分揀，提高了鋼構(gòu)加工的生產(chǎn)技術(shù)水平和生產(chǎn)效率。

1　門架式機器人結(jié)構(gòu)

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

運動系統(tǒng)主要由X軸、Y軸、Z軸和A軸組成。X軸、Y軸各設(shè)計有兩臺伺服電機；Z軸和A軸各設(shè)計有一臺伺服電機。各運動軸均由伺服電機提供驅(qū)動力，根據(jù)實際情況采用不同的運動機構(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，利用伺服電機驅(qū)動齒輪在齒務(wù)上運動，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)。鋼板抓取機構(gòu)為雙電磁吸盤形式，以保證對不同重量、不同尺寸的物料進行自動分揀。門架式機器人的整體結(jié)構(gòu)和主要控制元件如圖1所示。

圖1　門架式機器人整體結(jié)構(gòu)和主要控制元件

2　門架式分揀機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1控制系統(tǒng)要求

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)要求及工藝需要，所開發(fā)的門架式分揀機器人控制系統(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）實時將機器人工作狀態(tài)向MES系統(tǒng)進行反饋；

3）高速運行情況下，分別實現(xiàn)X軸與Y軸的同步運動；

4）滿足變負載狀態(tài)下，電機穩(wěn)定運行及運動機構(gòu)精準定位；

5）具有多重安全防護措施，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)一的自動化軟件平臺Sysmac Studio，該軟件完美結(jié)合運動控制與邏輯控制，可實現(xiàn)最多64軸的運動控制，可實現(xiàn)直線、圓弧等的插補動作功能，通過簡單的設(shè)定，即可完成對控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服以及其他現(xiàn)場設(shè)備的配置，通過內(nèi)部功能塊即可完成復(fù)雜的運動控制［1，2］。

根據(jù)門架式機器人的控制系統(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，實現(xiàn)對伺服電機的實時控制、多電機直線插補；通過Ethernet連接觸摸屏，實現(xiàn)人機信息交互；增加MODBUS通訊模塊與企業(yè)MES系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)信息的實時通訊。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進行系統(tǒng)配置和軟件設(shè)計。首先進行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，對于使用非歐姆龍廠商的第三方設(shè)備，配備時需將設(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/擴展機架，將實際硬件的控制器和模塊添加到機架中，并進行對應(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，選擇對應(yīng)的輸出設(shè)備，并正確分配PDO映射到各軸的詳細設(shè)置中，并根據(jù)實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多電機直線插補的方案分析

為保證運動控制系統(tǒng)的精確定位，需要確保運動軸在運動過程中的同步運動控制。在本控制系統(tǒng)中，采用多電機直線插補的方式實現(xiàn)電機同步控制。

在實現(xiàn)多電機直線插補時，應(yīng)充分考慮方案實際操作的方便性，以及對同步性和定位精度的影響。有三種實現(xiàn)方案，示意圖如圖4所示，其方案內(nèi)容及對應(yīng)的優(yōu)缺點如表1所示。

圖4　方案示意圖

綜合分析三種方案的優(yōu)缺點，并結(jié)合現(xiàn)場使用情況，在本控制方案中，選用方案三實現(xiàn)電機直線插補。

3.3控制系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)自動運行時的控制要求，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：可運行（MC_Power）、微動移動（MC_MoveJog）、原點復(fù)位（MC_Home）、絕對值定位（MC_MoveAbsolute）、齒輪動作開始（MC_ GearIn）、齒輪動作解除（MC_GearOut）、啟用軸組（MC_GroupEnable）、直線插補（MC_MoveLinear）等命令完成運動控制，通過梯形圖指令、ST語句指令等進行邏輯流程的編寫。其中，Y軸絕對值定位控制程序圖如圖5所示。

表1　多電機直線插補方案分析

圖5　Y軸絕對值定位控制程序圖

4　監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

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

圖6　門架式機器人人機界面

5　結(jié)束語

本文開發(fā)的門架式機器人應(yīng)用于鋼構(gòu)車間切割后鋼板的自動分揀。利用電機直線插補方案，可實現(xiàn)運動系統(tǒng)在大車行程13.1米，速度850mm/s、小車行程8米，速度650mm/s下，運動系統(tǒng)定位精度可達到±5mm，滿足了用戶使用要求。經(jīng)過現(xiàn)場使用，本機器人有效降低操作人員和維護人員的勞動強度，提高了鋼構(gòu)加工的生產(chǎn)效率。

圖7　門架式機器人現(xiàn)場

［1］ 王月芹.基于歐姆龍NJ控制器機械手控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.機電產(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)機械手控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.工業(yè)控制計算機，2014（10）：46-47.

［4］ 歐姆龍NJ系列指令基準手冊［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，研究方向為電氣自動化。