★中國電子科技集團(tuán)第十八研究所張昊辰

當(dāng)前，大多數(shù)國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)仍使用傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)方式，往往會造成質(zhì)量不良、材料浪費、效率低下、工藝穩(wěn)定性差等問題，因此傳統(tǒng)制造業(yè)勢必會向自動化、現(xiàn)代化和高效化的方向發(fā)展。越來越多的工業(yè)機(jī)器人研究投入到生產(chǎn)制造領(lǐng)域，對機(jī)器人系統(tǒng)也提出了更高要求。為提高質(zhì)量、保證精度，開發(fā)高性能、低成本、人性化的直角坐標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)很有必要。直角坐標(biāo)機(jī)器人因相對簡單的整體設(shè)計和操作使其在制造業(yè)中大受歡迎，原因是其每個軸都可以輕松更換，從而減少停機(jī)時間和維護(hù)成本。此外，其整個系統(tǒng)可以分解為多個新組件，用于單軸應(yīng)用。最重要的是，這些系統(tǒng)比其他更復(fù)雜的機(jī)器人更便宜。

目前，伺服驅(qū)動器已經(jīng)開發(fā)了變頻技術(shù)，驅(qū)動器內(nèi)部配有電流環(huán)和速度環(huán)，還有變頻器中沒有的位置環(huán)。其獨特的多回路結(jié)構(gòu)，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(zhí)行的控制技術(shù)和算法操作比常規(guī)頻率轉(zhuǎn)換更為精確。伺服驅(qū)動器的最主要優(yōu)點是其精準(zhǔn)度位置控制功能，一切在位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制精度較高的地方，均可使用交流伺服電機(jī)，它是一個精準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于伺服系統(tǒng)主要用于速度和定位控制，因此它也被稱為運動控制系統(tǒng)。為了精確控制直角坐標(biāo)機(jī)器人運作，該設(shè)計采用三菱QD75P2N運動控制模塊^[1]，通過觸摸屏與PLC之間的通信對運動控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。該設(shè)備可以根據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行示教并規(guī)劃插補(bǔ)路徑、線性運動^[2]、自動檢測并報警，最終通過觸摸屏對設(shè)備進(jìn)行操控，將運動軌跡實時反饋回觸摸屏。

1　系統(tǒng)設(shè)計方案

為了降低勞動成本、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(biāo)機(jī)器人設(shè)計^[3]。該系統(tǒng)由X、Y軸兩臺伺服電機(jī)驅(qū)動，采用滑塊導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，X-Y軸在水平面內(nèi)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(jī)進(jìn)行兩軸圓弧插補(bǔ)，能夠根據(jù)規(guī)定坐標(biāo)及程序自動生成插補(bǔ)路徑，并做到速度恒定可調(diào)。該系統(tǒng)配備的三菱HMI可對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，可實時監(jiān)控伺服電機(jī)運行路徑及速度等運動參數(shù)，并設(shè)定管理員頁面，可對單軸進(jìn)行手動/自動操控，方便操作人員對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試^[4]。該系統(tǒng)出于安全起見設(shè)置防護(hù)欄，防護(hù)門配備接觸開關(guān)，并在護(hù)欄頂端安裝帶有蜂鳴器的燈塔，顯示設(shè)備運行狀態(tài)。該伺服系統(tǒng)對任意曲線插補(bǔ)精度高、速度快，可以很好地完成生產(chǎn)任務(wù)。系統(tǒng)流程如圖1所示。 

圖1 系統(tǒng)流程圖

2　系統(tǒng)原理分析

2.1　伺服控制

該系統(tǒng)通過QD75P2N定位模塊與MR-J4-20A伺服驅(qū)動器連接，控制伺服電機(jī)^[5]進(jìn)行圓弧插補(bǔ)與直線插補(bǔ)，并將插補(bǔ)軌跡在觸摸屏上通過散點圖的方式實時顯示。

將給定路徑分解成若干直線與圓弧，將模擬好的圓弧數(shù)據(jù)寫入QD75P2N軸定位數(shù)據(jù)中，再按已編寫完成的順序控制將程序?qū)懭隤LC的存儲空間，CPU按照內(nèi)部存儲的順序控制程序向QD75P2N定位模塊發(fā)出啟動或停止信號，與此同時監(jiān)測定位模塊的故障。QD75P2N定位模塊依據(jù)CPU發(fā)出的指令保存參數(shù)和定位數(shù)據(jù)，并將定位數(shù)據(jù)傳送給伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器接收來自QD75P2N的定位數(shù)據(jù)驅(qū)動伺服系統(tǒng)，并輸出驅(qū)動單元的就緒狀態(tài)信號及零位信號至定位模塊。最終，電動機(jī)根據(jù)伺服電機(jī)指令完成運動，實現(xiàn)曲線插補(bǔ)。

最后，該系統(tǒng)根據(jù)X-Y軸上兩霍爾傳感器實現(xiàn)原點回歸近點DOG功能，運動結(jié)束后使氣缸回到X-Y軸原點，以便下次使用。

2.2　路徑監(jiān)視系統(tǒng)

散點圖是GS2110觸摸屏的功能之一，該功能可以由PLC實時讀取兩伺服電機(jī)當(dāng)前進(jìn)給值，并以坐標(biāo)形式顯示在散點圖的X/Y軸上，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將各點坐標(biāo)相連接便形成了直角坐標(biāo)機(jī)器人的實時插補(bǔ)路徑。當(dāng)讀取頻率足夠高時，其所顯示曲線的誤差可以忽略。

3　硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1　PLC系統(tǒng)配置

在Q38B基板上安裝Q03UDE模塊作為PLC系統(tǒng)CPU，為了精準(zhǔn)控制兩臺三菱HJ-KR23J伺服電機(jī)，該系統(tǒng)添加QD75P2N定位模塊，由兩臺MR-J4-20A型伺服驅(qū)動器作為橋梁，驅(qū)動直角坐標(biāo)機(jī)器人精準(zhǔn)定位。由于該系統(tǒng)中添加了若干傳感器及執(zhí)行器等外部元件，故加入QX40和QY10輸入輸出模塊。同時為了對系統(tǒng)運行過程進(jìn)行控制與監(jiān)視，配備GS2110觸摸屏。PLC系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 PLC系統(tǒng)配置圖

3.2　系統(tǒng)硬件連接

從現(xiàn)場引出三相四線制交流電源至設(shè)備接線端子排，通過斷路器啟動按鈕啟動設(shè)備，分別為PLC電源、伺服驅(qū)動器以及觸摸屏電源供電；分別引火線與零線進(jìn)入開關(guān)電源，轉(zhuǎn)換成24V直流電源并接至端子排，提供控制信號用電；同時安裝停止按鈕和急停按鈕來控制系統(tǒng)的停止和緊急情況的關(guān)斷。QD75P2N定位模塊與伺服驅(qū)動器之間的控制信號線通過IO信號接頭焊接排線連接；根據(jù)功能將操作臺上的機(jī)械信號與QD75P2N定位模塊之間的通訊用排線焊接。觸摸屏與PLC之間通過網(wǎng)線通信，用于信號輸入及圖樣的顯示。

4　電路系統(tǒng)設(shè)計

4.1　主電路設(shè)計

本設(shè)計采用380V三相四線制電源。電源先經(jīng)過主斷路器，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通過副斷路器，從副斷路器出兩組線，一組進(jìn)24V開關(guān)電源，另一組進(jìn)驅(qū)動器X和驅(qū)動器Y為其供電?；鹁€接L1和L11，零線接L2/L3和L21，將驅(qū)動器上U、V、W、PE連接X-Y軸伺服電機(jī)，最后用專用電纜從驅(qū)動器CN2連接至伺服電機(jī)，整體動力系統(tǒng)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(shè)計

該伺服控制回路主要由QD75P2N定位模塊及兩臺伺服驅(qū)動器構(gòu)成。由于對位置及速度有嚴(yán)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的一種，是通過外部輸入脈沖確定轉(zhuǎn)動速度的大小及轉(zhuǎn)動的角度。在三菱伺服電機(jī)中，要使用專用的伺服CN1接口SCSI，并且按位置控制模式所需要的功能進(jìn)行接線。QD75P2N與伺服驅(qū)動器MR-J4-A的連接如圖4所示，伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 QD75P2N接線圖

表1 伺服驅(qū)動器參數(shù)

5　軟件系統(tǒng)設(shè)計

5.1　定位模塊參數(shù)

首先要在GX-WORKS2中新建工程，插入QD75P2N模塊，系統(tǒng)會自動在功能塊中生成參數(shù)設(shè)置，該參數(shù)主要用于設(shè)置機(jī)械設(shè)備和相應(yīng)電機(jī)參數(shù)與控制系統(tǒng)相匹配。為了匹配該設(shè)計，需對初始設(shè)置進(jìn)行修改。在基本參數(shù)中設(shè)定以mm為單位進(jìn)行插補(bǔ)，每轉(zhuǎn)的移動量由機(jī)械結(jié)構(gòu)決定，定義電機(jī)旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)工件的移動量，這里的脈沖輸出方式選為CW/CCW模式，兩線均輸出脈沖信號，CW為正轉(zhuǎn)脈沖信號，CCW為反轉(zhuǎn)脈沖信號，通常都是差分方式輸出，兩信號相位差90度。加減速時間設(shè)為10ms。原點回歸方式選擇近點DOG型，并通過限位開關(guān)設(shè)定原點回歸重試，同時可設(shè)置詳細(xì)回歸速度，系統(tǒng)調(diào)試時根據(jù)回歸實際情況設(shè)定原點偏移量。

5.2　軸定位參數(shù)

軸定位數(shù)據(jù)由軸1定位數(shù)據(jù)及軸2定位數(shù)據(jù)兩表組成，在兩表中分別根據(jù)實際插補(bǔ)路徑，設(shè)定坐標(biāo)及路徑類型。運行模式指設(shè)置僅限該數(shù)據(jù)結(jié)束對應(yīng)的定位，或者繼續(xù)執(zhí)行下一數(shù)據(jù)的定位。再選擇合適的控制方式，設(shè)置進(jìn)行定位控制時的控制方式，常用直線、圓弧插補(bǔ)、圓弧左/右、LOOP、LEND等。通過定位地址與圓弧地址分別設(shè)定目標(biāo)坐標(biāo)與輔助點坐標(biāo)，按照規(guī)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手動程序、實時轉(zhuǎn)速程序、指示燈及報警程序和原點回歸程序，將其進(jìn)行整合連接，最終完成插補(bǔ)動作^[6]。

程序開始后先將U4/G800與U4/G900中的軸位置數(shù)據(jù)、軸速度數(shù)據(jù)報警代碼讀取到D寄存器，并通過觸摸屏顯示，以便后續(xù)調(diào)試。U4/G1518與U4/G1618為兩軸的手動速度。

原點回歸時將編號9001寫入到U4/G1500和U4/G1600是為了讓定位模塊根據(jù)霍爾傳感器和限位開關(guān)的信號自動進(jìn)行機(jī)械原點回歸。

伺服定位程序的核心就是將K6寫入到U4/G1500特殊寄存器當(dāng)中，目的是調(diào)用定位表，將已設(shè)定的軸1、軸2定位數(shù)據(jù)引用至控制程序中。定位表調(diào)用程序如圖5所示。

圖5 定位表調(diào)用程序

6　總結(jié)

本文介紹了一種以三菱Q系列PLC為核心控制器，結(jié)合QD75P2N定位模塊，通過伺服運動控制系統(tǒng)驅(qū)動和編程，以直線和曲線運動軌跡的生成擬合為多點插補(bǔ)方式，以操作和編程方式為引導(dǎo)示教編程或坐標(biāo)定位的直角坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計。該直角坐標(biāo)機(jī)器人同時具備實用性、精準(zhǔn)度、性價比等優(yōu)勢^[7]。在生產(chǎn)制造行業(yè)中，生產(chǎn)線正在向著自動化、智能化和集成化的方向發(fā)展，使用高精度的直角坐標(biāo)機(jī)器人，可以有效消除人工操作的弊端，做到提高效率、節(jié)省人力，并達(dá)到增長經(jīng)濟(jì)效益的目的。

作者簡介：

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

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摘自《自動化博覽》2023年4月刊