★中國電子科技集團第十八研究所張昊辰

當前，大多數國內生產(chǎn)企業(yè)仍使用傳統的人工生產(chǎn)方式，往往會(huì )造成質(zhì)量不良、材料浪費、效率低下、工藝穩定性差等問(wèn)題，因此傳統制造業(yè)勢必會(huì )向自動(dòng)化、現代化和高效化的方向發(fā)展。越來(lái)越多的工業(yè)機器人研究投入到生產(chǎn)制造領(lǐng)域，對機器人系統也提出了更高要求。為提高質(zhì)量、保證精度，開(kāi)發(fā)高性能、低成本、人性化的直角坐標機器人系統很有必要。直角坐標機器人因相對簡(jiǎn)單的整體設計和操作使其在制造業(yè)中大受歡迎，原因是其每個(gè)軸都可以輕松更換，從而減少停機時(shí)間和維護成本。此外，其整個(gè)系統可以分解為多個(gè)新組件，用于單軸應用。最重要的是，這些系統比其他更復雜的機器人更便宜。

目前，伺服驅動(dòng)器已經(jīng)開(kāi)發(fā)了變頻技術(shù)，驅動(dòng)器內部配有電流環(huán)和速度環(huán)，還有變頻器中沒(méi)有的位置環(huán)。其獨特的多回路結構，電流回路嵌套在速度回路中，速度回路嵌套在位置回路中，使執行的控制技術(shù)和算法操作比常規頻率轉換更為精確。伺服驅動(dòng)器的最主要優(yōu)點(diǎn)是其精準度位置控制功能，一切在位置、速度和轉矩控制精度較高的地方，均可使用交流伺服電機，它是一個(gè)精準的閉環(huán)控制系統。由于伺服系統主要用于速度和定位控制，因此它也被稱(chēng)為運動(dòng)控制系統。為了精確控制直角坐標機器人運作，該設計采用三菱QD75P2N運動(dòng)控制模塊^[1]，通過(guò)觸摸屏與PLC之間的通信對運動(dòng)控制器進(jìn)行參數設置。該設備可以根據坐標進(jìn)行示教并規劃插補路徑、線(xiàn)性運動(dòng)^[2]、自動(dòng)檢測并報警，最終通過(guò)觸摸屏對設備進(jìn)行操控，將運動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)反饋回觸摸屏。

1　系統設計方案

為了降低勞動(dòng)成本、提升生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，我們提出基于三菱PLC的直角坐標機器人設計^[3]。該系統由X、Y軸兩臺伺服電機驅動(dòng)，采用滑塊導軌式結構，X-Y軸在水平面內垂直布置，利用三菱Q系列PLC及QD75P2N定位模塊，控制兩伺服電機進(jìn)行兩軸圓弧插補，能夠根據規定坐標及程序自動(dòng)生成插補路徑，并做到速度恒定可調。該系統配備的三菱HMI可對設備參數進(jìn)行調試，可實(shí)時(shí)監控伺服電機運行路徑及速度等運動(dòng)參數，并設定管理員頁(yè)面，可對單軸進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)操控，方便操作人員對設備進(jìn)行調試^[4]。該系統出于安全起見(jiàn)設置防護欄，防護門(mén)配備接觸開(kāi)關(guān)，并在護欄頂端安裝帶有蜂鳴器的燈塔，顯示設備運行狀態(tài)。該伺服系統對任意曲線(xiàn)插補精度高、速度快，可以很好地完成生產(chǎn)任務(wù)。系統流程如圖1所示。 

圖1 系統流程圖

2　系統原理分析

2.1　伺服控制

該系統通過(guò)QD75P2N定位模塊與MR-J4-20A伺服驅動(dòng)器連接，控制伺服電機^[5]進(jìn)行圓弧插補與直線(xiàn)插補，并將插補軌跡在觸摸屏上通過(guò)散點(diǎn)圖的方式實(shí)時(shí)顯示。

將給定路徑分解成若干直線(xiàn)與圓弧，將模擬好的圓弧數據寫(xiě)入QD75P2N軸定位數據中，再按已編寫(xiě)完成的順序控制將程序寫(xiě)入PLC的存儲空間，CPU按照內部存儲的順序控制程序向QD75P2N定位模塊發(fā)出啟動(dòng)或停止信號，與此同時(shí)監測定位模塊的故障。QD75P2N定位模塊依據CPU發(fā)出的指令保存參數和定位數據，并將定位數據傳送給伺服驅動(dòng)器。伺服驅動(dòng)器接收來(lái)自QD75P2N的定位數據驅動(dòng)伺服系統，并輸出驅動(dòng)單元的就緒狀態(tài)信號及零位信號至定位模塊。最終，電動(dòng)機根據伺服電機指令完成運動(dòng)，實(shí)現曲線(xiàn)插補。

最后，該系統根據X-Y軸上兩霍爾傳感器實(shí)現原點(diǎn)回歸近點(diǎn)DOG功能，運動(dòng)結束后使氣缸回到X-Y軸原點(diǎn)，以便下次使用。

2.2　路徑監視系統

散點(diǎn)圖是GS2110觸摸屏的功能之一，該功能可以由PLC實(shí)時(shí)讀取兩伺服電機當前進(jìn)給值，并以坐標形式顯示在散點(diǎn)圖的X/Y軸上，經(jīng)過(guò)坐標轉換，將各點(diǎn)坐標相連接便形成了直角坐標機器人的實(shí)時(shí)插補路徑。當讀取頻率足夠高時(shí)，其所顯示曲線(xiàn)的誤差可以忽略。

3　硬件系統設計

3.1　PLC系統配置

在Q38B基板上安裝Q03UDE模塊作為PLC系統CPU，為了精準控制兩臺三菱HJ-KR23J伺服電機，該系統添加QD75P2N定位模塊，由兩臺MR-J4-20A型伺服驅動(dòng)器作為橋梁，驅動(dòng)直角坐標機器人精準定位。由于該系統中添加了若干傳感器及執行器等外部元件，故加入QX40和QY10輸入輸出模塊。同時(shí)為了對系統運行過(guò)程進(jìn)行控制與監視，配備GS2110觸摸屏。PLC系統配置如圖2所示。

圖2 PLC系統配置圖

3.2　系統硬件連接

從現場(chǎng)引出三相四線(xiàn)制交流電源至設備接線(xiàn)端子排，通過(guò)斷路器啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)設備，分別為PLC電源、伺服驅動(dòng)器以及觸摸屏電源供電；分別引火線(xiàn)與零線(xiàn)進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源，轉換成24V直流電源并接至端子排，提供控制信號用電；同時(shí)安裝停止按鈕和急停按鈕來(lái)控制系統的停止和緊急情況的關(guān)斷。QD75P2N定位模塊與伺服驅動(dòng)器之間的控制信號線(xiàn)通過(guò)IO信號接頭焊接排線(xiàn)連接；根據功能將操作臺上的機械信號與QD75P2N定位模塊之間的通訊用排線(xiàn)焊接。觸摸屏與PLC之間通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)通信，用于信號輸入及圖樣的顯示。

4　電路系統設計

4.1　主電路設計

本設計采用380V三相四線(xiàn)制電源。電源先經(jīng)過(guò)主斷路器，取L1和N接入PLC電源模塊Q61P為其供220V交流電，再將PG和LG共地。取L1和N通過(guò)副斷路器，從副斷路器出兩組線(xiàn)，一組進(jìn)24V開(kāi)關(guān)電源，另一組進(jìn)驅動(dòng)器X和驅動(dòng)器Y為其供電?；鹁€(xiàn)接L1和L11，零線(xiàn)接L2/L3和L21，將驅動(dòng)器上U、V、W、PE連接X(jué)-Y軸伺服電機，最后用專(zhuān)用電纜從驅動(dòng)器CN2連接至伺服電機，整體動(dòng)力系統便搭建完成。主電路圖如圖3所示。

圖3 主電路圖

4.2　控制電路設計

該伺服控制回路主要由QD75P2N定位模塊及兩臺伺服驅動(dòng)器構成。由于對位置及速度有嚴格的控制，且配合脈沖加方向的輸出方式，因此我們選用位置控制模式，該模式是伺服三大控制方式中最常見(jiàn)的一種，是通過(guò)外部輸入脈沖確定轉動(dòng)速度的大小及轉動(dòng)的角度。在三菱伺服電機中，要使用專(zhuān)用的伺服CN1接口SCSI，并且按位置控制模式所需要的功能進(jìn)行接線(xiàn)。QD75P2N與伺服驅動(dòng)器MR-J4-A的連接如圖4所示，伺服驅動(dòng)器參數設置如表1所示。

圖4 QD75P2N接線(xiàn)圖

表1 伺服驅動(dòng)器參數

5　軟件系統設計

5.1　定位模塊參數

首先要在GX-WORKS2中新建工程，插入QD75P2N模塊，系統會(huì )自動(dòng)在功能塊中生成參數設置，該參數主要用于設置機械設備和相應電機參數與控制系統相匹配。為了匹配該設計，需對初始設置進(jìn)行修改。在基本參數中設定以mm為單位進(jìn)行插補，每轉的移動(dòng)量由機械結構決定，定義電機旋轉一轉工件的移動(dòng)量，這里的脈沖輸出方式選為CW/CCW模式，兩線(xiàn)均輸出脈沖信號，CW為正轉脈沖信號，CCW為反轉脈沖信號，通常都是差分方式輸出，兩信號相位差90度。加減速時(shí)間設為10ms。原點(diǎn)回歸方式選擇近點(diǎn)DOG型，并通過(guò)限位開(kāi)關(guān)設定原點(diǎn)回歸重試，同時(shí)可設置詳細回歸速度，系統調試時(shí)根據回歸實(shí)際情況設定原點(diǎn)偏移量。

5.2　軸定位參數

軸定位數據由軸1定位數據及軸2定位數據兩表組成，在兩表中分別根據實(shí)際插補路徑，設定坐標及路徑類(lèi)型。運行模式指設置僅限該數據結束對應的定位，或者繼續執行下一數據的定位。再選擇合適的控制方式，設置進(jìn)行定位控制時(shí)的控制方式，常用直線(xiàn)、圓弧插補、圓弧左/右、LOOP、LEND等。通過(guò)定位地址與圓弧地址分別設定目標坐標與輔助點(diǎn)坐標，按照規定的指令速度運行。

5.3　順序控制程序

順序控制程序主要包括主程序、JOG手動(dòng)程序、實(shí)時(shí)轉速程序、指示燈及報警程序和原點(diǎn)回歸程序，將其進(jìn)行整合連接，最終完成插補動(dòng)作^[6]。

程序開(kāi)始后先將U4/G800與U4/G900中的軸位置數據、軸速度數據報警代碼讀取到D寄存器，并通過(guò)觸摸屏顯示，以便后續調試。U4/G1518與U4/G1618為兩軸的手動(dòng)速度。

原點(diǎn)回歸時(shí)將編號9001寫(xiě)入到U4/G1500和U4/G1600是為了讓定位模塊根據霍爾傳感器和限位開(kāi)關(guān)的信號自動(dòng)進(jìn)行機械原點(diǎn)回歸。

伺服定位程序的核心就是將K6寫(xiě)入到U4/G1500特殊寄存器當中，目的是調用定位表，將已設定的軸1、軸2定位數據引用至控制程序中。定位表調用程序如圖5所示。

圖5 定位表調用程序

6　總結

本文介紹了一種以三菱Q系列PLC為核心控制器，結合QD75P2N定位模塊，通過(guò)伺服運動(dòng)控制系統驅動(dòng)和編程，以直線(xiàn)和曲線(xiàn)運動(dòng)軌跡的生成擬合為多點(diǎn)插補方式，以操作和編程方式為引導示教編程或坐標定位的直角坐標機器人設計。該直角坐標機器人同時(shí)具備實(shí)用性、精準度、性?xún)r(jià)比等優(yōu)勢^[7]。在生產(chǎn)制造行業(yè)中，生產(chǎn)線(xiàn)正在向著(zhù)自動(dòng)化、智能化和集成化的方向發(fā)展，使用高精度的直角坐標機器人，可以有效消除人工操作的弊端，做到提高效率、節省人力，并達到增長(cháng)經(jīng)濟效益的目的。

作者簡(jiǎn)介：

張昊辰（1996-），男，天津人，助理工程師，學(xué)士，現就職于中國電子科技集團第十八研究所，研究方向為工業(yè)控制自動(dòng)化。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年4月刊