基于PLC和PMC的經(jīng)軸紗機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

張 倩，單忠德，姬海翔，王紹宗，莊 圓

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，北京 100044；2.先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

0 引言

我國是紡織印染業(yè)大國，規(guī)模以上紡織企業(yè)5.7萬多家，印染企業(yè)2000多家，印染企業(yè)紗線染色主要有筒子紗和經(jīng)軸紗，經(jīng)軸紗自動化裝卸設(shè)備市場需求量巨大。而國內(nèi)紡織印染行業(yè)中經(jīng)軸紗裝卸主要靠人工裝卸紗，效率低，勞動強(qiáng)度大。因此，開發(fā)具有載重大、速度高、剛度大、定位精度高的高速高精重載經(jīng)軸紗裝卸設(shè)備對提升我國智能制造技術(shù)水平，滿足國家紡織印染行業(yè)的急需具有重要的意義。

作者所在單位機(jī)械科學(xué)研究總院已經(jīng)針對筒子紗自動化生產(chǎn)開發(fā)出了筒子紗自動化裝卸機(jī)器人。在前期研究和國內(nèi)外經(jīng)軸紗裝卸方法調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)軸紗裝卸需求，設(shè)計(jì)開發(fā)快速、穩(wěn)定、簡潔的經(jīng)軸紗裝卸機(jī)器人及配套的物流系統(tǒng)，替代人工完成經(jīng)軸紗裝卸的自動化。其經(jīng)軸紗裝卸機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)計(jì)的經(jīng)軸紗裝卸紗機(jī)器人系統(tǒng)包括，機(jī)器人主體、經(jīng)軸紗機(jī)械手、經(jīng)軸紗籠及經(jīng)軸紗移載車及回轉(zhuǎn)托盤等，可完成經(jīng)軸紗的裝卸及轉(zhuǎn)運(yùn)。結(jié)合以上經(jīng)軸紗機(jī)械設(shè)計(jì)和經(jīng)軸紗染色生產(chǎn)要求，需要設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)軸紗裝卸機(jī)器人控制系統(tǒng)，滿足經(jīng)軸紗裝卸機(jī)器人功能需求。

圖1 經(jīng)軸紗裝卸機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1 運(yùn)動控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)組成

經(jīng)軸紗裝卸機(jī)器人系統(tǒng)主要功能主要包括：由經(jīng)軸轉(zhuǎn)運(yùn)車上逐一抓取經(jīng)軸紗裝在經(jīng)軸紗籠上并固定；將垂直安裝并固定在紗籠上的染色完成的經(jīng)軸紗逐一解鎖并抓取，放置在經(jīng)軸轉(zhuǎn)運(yùn)車完成轉(zhuǎn)運(yùn)。根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求，控制系統(tǒng)需要完成經(jīng)軸機(jī)器人三坐標(biāo)X、Y、Z軸，平臺旋轉(zhuǎn)軸A軸，經(jīng)軸紗螺栓頂部擰動軸N軸，經(jīng)軸紗翻轉(zhuǎn)F軸及手抓開合等多軸控制，并保證控制精度。綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、編程的簡易性、維護(hù)的方便性，文章中設(shè)計(jì)了采用基于Siemens 1200系列控制器和PMC多軸控制器開發(fā)了滿足經(jīng)軸紗兩頭夾取、中間旋轉(zhuǎn)、準(zhǔn)確定位及符合物流轉(zhuǎn)運(yùn)的系控制系統(tǒng)，搭建控制系統(tǒng)原理圖[1～4]，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)運(yùn)動結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)通過PLC本體四路脈沖輸出實(shí)現(xiàn)經(jīng)軸機(jī)器人X、Y、Z三坐標(biāo)軸定位系統(tǒng)和平臺旋轉(zhuǎn)軸A軸電機(jī)的運(yùn)動；通過數(shù)字量進(jìn)行內(nèi)部位置控制控制翻轉(zhuǎn)軸F，速度控制控制擰動軸N；PMC多軸控制器控制兩個(gè)手爪電機(jī)控制，Siemens1200通過網(wǎng)線與昆侖通態(tài)觸摸屏連接。控制器同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)與中央控制系統(tǒng)與相關(guān)單機(jī)設(shè)備的信息通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高速運(yùn)動精確定位及平穩(wěn)性控制。選擇的控制器及控制方式如表1所示。

1.2 軟件系統(tǒng)

基于PLC和PMC多軸聯(lián)動控制系統(tǒng)通過中央控制器收發(fā)命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理及流程控制，同時(shí)觸屏通過讀取控制器中相關(guān)參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)與控制器的信息交互。

系統(tǒng)軟件包括兩個(gè)部分：實(shí)時(shí)控制部分和人機(jī)交互部分。實(shí)時(shí)控制部分由西門子PLC控制器、PMC多軸控制器和西門子V90伺服驅(qū)動器組成，西門子PLC主要承擔(dān)伺服控制任務(wù)的收發(fā)，是經(jīng)軸機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心；人機(jī)交互部分采用嵌入式觸屏與PLC之間實(shí)現(xiàn)交互和數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)和下位機(jī)之間采用通過PROFINET協(xié)議進(jìn)行通訊[6]。 上位軟件基于嵌入式操作系統(tǒng)，采用MCGSE組態(tài)環(huán)境開發(fā)工具開發(fā)了經(jīng)軸紗機(jī)器人上位機(jī)控制軟件，其中經(jīng)軸紗機(jī)器人工作流程如圖3所示。

圖3 運(yùn)動控制流程

表1 控制系統(tǒng)選擇的控制器及控制方式

2 經(jīng)軸紗裝卸機(jī)器人控制系統(tǒng)定位精度與平穩(wěn)控制

2.1 控制系統(tǒng)邏輯過程

在經(jīng)軸紗機(jī)器人控制功能要求及控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，得到控制系統(tǒng)邏輯示意圖，如圖4所示是針對裝滿經(jīng)軸的紗籠卸經(jīng)軸紗的邏輯判斷。

針對卸紗功能，經(jīng)軸機(jī)器人旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（伺服定位系統(tǒng)）帶動紗籠旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)零位（接近開關(guān)檢測），三坐標(biāo)機(jī)械手（三軸伺服定位系統(tǒng)）運(yùn)行到抓取位手爪（步進(jìn)控制系統(tǒng)）抓緊經(jīng)軸，擰閥門機(jī)構(gòu)（伺服定位系統(tǒng)）下降到指定位置，旋轉(zhuǎn)固定圈數(shù)將閥門打開，氣缸拉動擰閥門機(jī)構(gòu)上升固定高度將閥門拉出，同時(shí)三坐標(biāo)機(jī)械手（三軸伺服定位系統(tǒng)）抓取經(jīng)軸運(yùn)動到下放位置，經(jīng)軸通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（變頻控制系統(tǒng)）放到運(yùn)軸車上，機(jī)械手的所有機(jī)構(gòu)恢復(fù)原位，完成單根經(jīng)軸紗的卸紗動作；針對裝紗功能，同樣時(shí)物流系統(tǒng)為機(jī)械手工作首先做好空紗籠，裝有經(jīng)軸紗經(jīng)軸車到位的準(zhǔn)備，然后執(zhí)行于卸紗相反的邏輯過程。

2.2 控制系統(tǒng)精確定位及平穩(wěn)性控制

2.2.1 經(jīng)軸機(jī)器人多軸控制

經(jīng)軸機(jī)器人控制過程中為保證抓取過程中，各運(yùn)動軸運(yùn)行平穩(wěn)并定位精確，控制系統(tǒng)采用伺服控制器實(shí)現(xiàn)，主要結(jié)合各運(yùn)動控制軸要求，用到V90伺服電機(jī)速度控制、位置控制功能。

1）三坐標(biāo)軸及旋轉(zhuǎn)平臺-位置控制

經(jīng)軸機(jī)器人在運(yùn)行過程中，三坐標(biāo)軸及旋轉(zhuǎn)平臺均有多個(gè)控制位置，但是對力矩的要求并不嚴(yán)格，采用PLC本體四路脈沖輸出和伺服電機(jī)的位置控制，實(shí)現(xiàn)經(jīng)軸機(jī)器人X、Y、Z三坐標(biāo)軸定位系統(tǒng)和平臺旋轉(zhuǎn)軸A軸的準(zhǔn)確定位。

2）擰動軸N-速度控制

擰動軸在工作過程中需要控制擰動閥擰動一定扭矩，便可停止扭動，不需要準(zhǔn)確定位。根據(jù)這一特點(diǎn)，擰動軸采用伺服電機(jī)速度控制模式，結(jié)合伺服扭矩限制到達(dá)信號來完成使用要求。

3）翻轉(zhuǎn)軸-內(nèi)部位置控制

翻轉(zhuǎn)軸運(yùn)行位置比較少且固定，需要準(zhǔn)確定位。由于伺服控制的位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以翻轉(zhuǎn)軸通過控制數(shù)字量進(jìn)行內(nèi)部位置控制，即使用V90控制器的內(nèi)部設(shè)定值的位置控制，通過伺服控制器內(nèi)部完成位置上復(fù)雜計(jì)算及精確位置控制，不需要通過外部指令設(shè)置，減少干擾，簡單實(shí)用。

2.2.2 控制系統(tǒng)伺服單元運(yùn)動參數(shù)調(diào)整

經(jīng)軸紗機(jī)器人運(yùn)動主要采用伺服電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。伺服控制的響應(yīng)取決于伺服單元中設(shè)定的伺服增益。伺服增益可通過多個(gè)參數(shù)調(diào)整，如位置環(huán)增益、速度環(huán)增益、速度環(huán)積分時(shí)間、濾波器、摩擦補(bǔ)償、轉(zhuǎn)動慣量比等的組合進(jìn)行設(shè)定，參數(shù)之間存在一定影響關(guān)系。在大多數(shù)狀態(tài)下，應(yīng)用者可根據(jù)伺服驅(qū)動自帶的免調(diào)整或自適應(yīng)的功能來進(jìn)行這些參數(shù)的計(jì)算調(diào)整使機(jī)械達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定狀態(tài)，但基于不同設(shè)備控制系統(tǒng)要求，自適應(yīng)參數(shù)并不是設(shè)計(jì)使用的“最優(yōu)”參數(shù)[5]，參數(shù)也可直接根據(jù)實(shí)際進(jìn)行手動調(diào)整。

以旋轉(zhuǎn)軸A軸進(jìn)行手動調(diào)整為例，在選取默認(rèn)參數(shù)時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)剛性達(dá)不到要求，設(shè)備出現(xiàn)振動，嘯叫。為了得到穩(wěn)定的系統(tǒng)性能，需要降低增益，即降低響應(yīng)頻率，同時(shí)增益過低又會使響應(yīng)時(shí)間變長，影響使用效率，所以在調(diào)整過程中需要結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況調(diào)整增益，直到得到最佳運(yùn)行效果。

具體的旋轉(zhuǎn)軸A軸的調(diào)整過程是將位置環(huán)增益P29110降低直到1.3084抖動消失無異響，然后調(diào)整速度環(huán)增益P29120從0.3000調(diào)整至1.2075，隨后，適當(dāng)延長速度環(huán)積分時(shí)間P29121從15.0000至25.2915，實(shí)際運(yùn)動過程中觀察達(dá)到比較好的運(yùn)動特性，確定參數(shù)。

3 工程實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)主要監(jiān)控參數(shù)

圖4 經(jīng)軸機(jī)器人卸紗控制邏輯圖

圖5 經(jīng)軸機(jī)器人旋轉(zhuǎn)軸A軸增益參數(shù)調(diào)整

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行中軸運(yùn)動參數(shù)示意圖

經(jīng)軸機(jī)器人控制系統(tǒng)需要完成X、Y、Z三坐標(biāo)軸及旋轉(zhuǎn)軸A和雙手抓啟閉、經(jīng)軸紗旋轉(zhuǎn)、經(jīng)紗頂端擰動多個(gè)控制位置。結(jié)合現(xiàn)場打點(diǎn)測試實(shí)驗(yàn)測量得到手爪張合大小，翻轉(zhuǎn)軸水平、豎直位置坐標(biāo)，物流系統(tǒng)U型車上固定的放軸坐標(biāo)位置，以及旋轉(zhuǎn)托盤多種紗架的經(jīng)軸坐標(biāo)，存儲到PLC存儲DB塊中。控制系統(tǒng)運(yùn)行前，可依據(jù)工作要求，修改U型車放軸個(gè)數(shù)，便于使用不同規(guī)格U型車；修改經(jīng)軸編號，滿足不同類型經(jīng)軸紗架裝卸經(jīng)軸。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在自動運(yùn)行狀態(tài)窗口可查看當(dāng)前運(yùn)行的經(jīng)軸編號、當(dāng)前軸數(shù)、車當(dāng)前的軸位置等參數(shù)。如圖6所示為系統(tǒng)運(yùn)行過程旋轉(zhuǎn)軸A軸的運(yùn)動參數(shù)及監(jiān)控參數(shù)。

3.2 測試及應(yīng)用

在對經(jīng)軸抓紗機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，開發(fā)出經(jīng)軸機(jī)器人控制系統(tǒng)及經(jīng)軸機(jī)器人?，F(xiàn)場采用雷紹激光干涉儀對經(jīng)軸紗裝卸機(jī)器在抓取200kg重量經(jīng)軸后，機(jī)器的啟動、停止，分別對X、Y、Z軸運(yùn)動及翻轉(zhuǎn)等動作進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。其中測試的X、Y、Z軸分別在位置500～2500mm，0～1250mm，0～750mm的運(yùn)行誤差曲線所示，得到X軸雙向定位精度為0.217mm，Y軸雙向重復(fù)定位精度為0.155mm，Z軸雙向重復(fù)定位精度為0.290mm，滿足企業(yè)需求的核心運(yùn)動裝置復(fù)定位精度可達(dá)±0.3mm。

目前已經(jīng)在經(jīng)軸紗自動化生產(chǎn)線成功應(yīng)用，經(jīng)軸機(jī)器人有效行程最大可達(dá)4.2m×3.0m×2.2m，執(zhí)行速度范圍在0～500mm/s，可完成經(jīng)軸紗自動化抓取。運(yùn)行界面如圖7所示，現(xiàn)場運(yùn)行如圖8所示。

圖7 經(jīng)軸紗機(jī)器人控制系統(tǒng)界面

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圖8 經(jīng)軸紗機(jī)器人現(xiàn)場運(yùn)行圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了以西門子PLC和PMC運(yùn)動控制卡為運(yùn)動控制核心的多軸聯(lián)動的經(jīng)軸紗機(jī)器人控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)軸紗自動化裝卸，最大抓取重量為200kg，有效行程為4.2m×3.0m×2.2m，執(zhí)行速度為0～500mm/s、重復(fù)定位精度為±0.3mm，解決經(jīng)軸紗染色過程中需要經(jīng)軸紗裝卸難，精準(zhǔn)度差等問題，目前已經(jīng)在生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場調(diào)試應(yīng)用，控制系統(tǒng)運(yùn)行高速、穩(wěn)定，適合市場推廣應(yīng)用。

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