基于歐姆龍NJ控制器的門架式機器人控制系統

姬海翔，張 倩，王紹宗，靳云發，莊 圓

（機械科學研究總院先進制造技術研究中心 先進成形技術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

姬海翔，張 倩，王紹宗，靳云發，莊 圓

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

為提高鋼構行業的自動化程度和生產效率，設計出門架式鋼板自動分揀機器人，實現了切割后鋼板的自動分揀。門架式機器人的控制系統選用歐姆龍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，實現人機信息交互；增加MODBUS通訊模塊與企業MES系統通訊，實現生產任務信息的實時通訊。

NJ控制器；伺服電機；直線插補

0　引言

在傳統鋼構加工車間內，切割后的鋼板分揀以手工操作為主，工作環境惡劣，對工人的身體健康造成極大的危害。因此，利用自動化、數字化等現代技術改造傳統鋼構加工已成為行業發展的必然趨勢。本文結合鋼板自動分揀的具體需求，開發出鋼板自動分揀機器人，并開發出基于歐姆龍NJ控制器的門架式機器人自動控制系統。該控制系統實現了對鋼板的自動分揀，提高了鋼構加工的生產技術水平和生產效率。

1　門架式機器人結構

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

運動系統主要由X軸、Y軸、Z軸和A軸組成。X軸、Y軸各設計有兩臺伺服電機；Z軸和A軸各設計有一臺伺服電機。各運動軸均由伺服電機提供驅動力，根據實際情況采用不同的運動機構形式，X軸采用輪式行走方式，Y軸和Z軸采用直線導軌形式，利用伺服電機驅動齒輪在齒務上運動，結構及外形尺寸緊湊合理；A軸采用回轉支撐結構。鋼板抓取機構為雙電磁吸盤形式，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構和主要控制元件如圖1所示。

圖1　門架式機器人整體結構和主要控制元件

2　門架式分揀機器人控制系統設計

2.1控制系統要求

根據現場生產要求及工藝需要，所開發的門架式分揀機器人控制系統需要滿足以下技術要求：

1）接受MES系統發送的任務并完成任務執行；

2）實時將機器人工作狀態向MES系統進行反饋；

3）高速運行情況下，分別實現X軸與Y軸的同步運動；

4）滿足變負載狀態下，電機穩定運行及運動機構精準定位；

5）具有多重安全防護措施，保證生產安全。

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產品集成了EtherCAT技術的開放式網絡控制器，以及EtherNET/IP網絡的開放式網絡信息和通訊技術并建立了統一的自動化軟件平臺Sysmac Studio，該軟件完美結合運動控制與邏輯控制，可實現最多64軸的運動控制，可實現直線、圓弧等的插補動作功能，通過簡單的設定，即可完成對控制器、網絡、伺服以及其他現場設備的配置，通過內部功能塊即可完成復雜的運動控制［1，2］。

根據門架式機器人的控制系統要求，在控制系統硬件選型中，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，實現人機信息交互；增加MODBUS通訊模塊與企業MES系統通訊，實現生產任務信息的實時通訊。圖2為控制系統硬件組成。

圖2　控制系統硬件組成

3　軟件設計及開發

3.1網絡配置及設備組態

控制系統采用編程軟件Sysmac Studio進行系統配置和軟件設計。首先進行EtherCAT網絡配置和設置，將控制系統中的總線設備按照物理連接順序依次配置到網絡中。其中，對于使用非歐姆龍廠商的第三方設備，配備時需將設備的*.xml文件導入到編程軟件，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，并進行對應的參數設置。其中，添加需要控制的伺服軸、虛擬軸和編碼器軸，選擇對應的輸出設備，并正確分配PDO映射到各軸的詳細設置中，并根據實際情況添加需要控制的軸組，確保軸和軸組設置正確無誤。

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。在本控制系統中，采用多電機直線插補的方式實現電機同步控制。

在實現多電機直線插補時，應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。有三種實現方案，示意圖如圖4所示，其方案內容及對應的優缺點如表1所示。

圖4　方案示意圖

綜合分析三種方案的優缺點，并結合現場使用情況，在本控制方案中，選用方案三實現電機直線插補。

3.3控制系統程序實現

根據系統自動運行時的控制要求，考慮系統的穩定及生產的安全，在軟件系統設計基礎上，通過調用Sysmac Studio編程軟件中的基于PLCopen開發的內部功能模塊，如：可運行（MC_Power）、微動移動（MC_MoveJog）、原點復位（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　監控系統設計

人機界面用于設備與操作人員之間的溝通，操作人員可通過人機界面實現門架式機器人的參數設置，查看運行信息、實時位置和故障報警等。人機界面的開發通過NB-Designer實現，確保與控制器之間高效、穩定連接。其中的自動設置界面，如圖6所示，可進行板料厚度、X、Y、Z、A軸運行速度、運行的板料數量等參數設置；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　結束語

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

圖7　門架式機器人現場

［1］ 王月芹.基于歐姆龍NJ控制器機械手控制系統設計［J］.機電產品開發與創新，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用［J］.太陽能，2012（21）：32-34.

［3］ 史金良，徐世許，吳琳婧.并聯機械手控制系統設計［J］.工業控制計算機，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。