化纖長絲生產線天軌機器人快速定位控制設計

路文紀，鄒　鯤，舒　暢

(東華大學機械工程學院，上海 201620)

0　引言

隨著工業自動化領域的快速發展，生產線上采用多機器人取代人工已經成為一種趨勢。多機器人之間通過相互配合，可以更為高效、準確地完成一個完整的工藝流程[1]。近年來，多機器人系統的研究在通信、體系結構、任務分配和控制等方面都取得了較大的進步，使得多機器人系統擁有更高的數據冗余度和更好的魯棒性[2-5]。某化纖長絲生產線使用多機器人系統替代人工，搬運卷裝的絲餅。機器人采用天軌移動的承載方式，從卷繞機上獲取絲餅并放置到絲架車。由于機器人自重過大，在天軌上的加、減速較慢，定位穩定時間長，嚴重影響了生產效率。本文提出在天軌移動方向增加一個可移動機構，采用雙電機位置閉環控制算法，以縮短自動化落筒機器人穩定時間、減少能耗和生產成本。

1　系統通信及硬件設計

搬運系統由落筒機器人和投擲機器人組成。每臺機器人包含五臺伺服電機。其中，天軌與推座電機為沿天軌方向運動的電機，推座電機負責推動裝載絲餅的桿，行程有限，可輔助天軌電機快速定位。

系統結構如圖1所示。落筒機器人負責從卷繞機上接過絲餅，然后再交給投擲機器人，最終由投擲機器人將絲餅放上貨架。兩臺機器人絲餅的交接定位，由天軌電機和推座電機共同配合完成。

圖1　系統結構圖Fig.1　System structure

控制系統上位機使用計算機，并采用NI公司的LabVIEW軟件進行上位機開發。上位機通過基于對象嵌入與鏈接的過程控制(object linking and embedding for process control,OPC)技術，使用工業以太網PROFINET與TCP/IP協議和下位機的PLC進行數據交換[6-8]。多臺機器人間的PLC通信也是通過工業以太網PROFINET實現的。

圖2為系統通信架構圖。

圖2　系統通信架構圖Fig.2　Communication structure of system

鑒于不同廠家設備的通信協議不同，不能直接進行數據交換。LabVIEW與ET200S間使用OPC技術解決此問題[9]，以LabVIEW作為OPC客戶端,而PLC作為OPC服務器端[10]。通過OPC軟件TOP Server創建通信標簽，添加上、下位機共享變量，再配置各機器人以太網TCP/IP協議的IP地址、子網掩碼，如表1所示，就可實現上、下位機的數據交換[11-12]。當PLC收到上位機發來的指令后，通過PROFIBUS總線與S120進行通信，從而控制電機運動并讀取電機的運動狀態。

表1　地址分配Tab.1　Address assignment

下位機的控制系統均為ET200S和S120組合，每個S120控制器根據其控制單元(control unit,CU)控制單元選型，可控制數個伺服電機。S120適用于多軸控制，其強大的定位功能可以準確地實現軸的絕對定位、相對定位，適用于對運動精度要求較高的系統，完全能夠滿足本套系統的要求。S120控制器選配電源模塊、電機模塊、編碼器和可以控制六根軸的CU320-2DP控制單元，具體的硬件結構如圖3所示。

圖3　硬件結構圖Fig.3　Hardware structure

ET200S與S120之間采用PROFIBUS總線[13-15]。因為此套系統使用了大量分散的I/O設備，如限位開關、接近開關等，所以系統采用適用于可編程控制器與現場級分散I/O設備之間通信的DP協議，以ET200S作為主站、S120作為從站。在系統中配置好站數、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數據格式，以確保系統通信的有序、高效。

2　S120與ET200S通信方法

使用西門子的STEP7 SP2.V5.5版本作為組態軟件。首先創建PLC站點，然后進行硬件配置。根據系統實際需求，配置包括IM151-8F CPU在內的所有模塊、S120的DP從站及各個機器人PROFIBUS地址。

S120的配置軟件為STARTER V4.1.3。S120通過111報文來實現類似點動、回零、MDI等基本定位功能。111報文的發送和接收各有12個字節，共24個字節，如表2所示。發送為控制字，即PLC傳遞給S120的數據。接收為狀態字，即PLC讀取S120返回的狀態信息，但PLC不能對狀態字進行修改。控制字中，可以通過修改OVERRIDE、MDI_TARPOS、MDI_VELOCITY、MDI_ACC、MDI_DEC等字，進而修改電機的運動速率、目標位置、運動速度、加減速度等參數。通過查看狀態字ZSW1中的相應位，可以獲取軸的實際位置和速度等狀態信息。當PLC和S120完成組態后，在STARTER中配置111報文的地址，使其與PLC 對應的地址區建立映射。該地址即為所對應的電機。使用STEP 7中的系統功能SFC14(讀取DP標準從站的連續數據)與SFC15(向DP標準從站寫入數據)，建立兩者間的通信。通過SFC14可讀取PLC中DB2數據塊從DB2.DBW0到 DB2.DBW23的這24個字節。在DB2中將這24個字節分別定義為111報文所對應的狀態字，并通過S120中111報文地址W#16#182與這24個字節建立聯系。 同樣地，在SFC15中，從DB1.DBW0到DB1.DBW23的這24個字節代表111報文中的控制字，通過地址W#16#182與S120 建立聯系。這樣就可通過修改PLC中DB1數據塊對應的控制字參數，修改111報文和讀取DB2中對應的狀態字參數，實現對相應電機的控制和各種狀態的讀取。

表2　111報文Tab.2　111 messages

3　雙電機快速定位設計

3.1　工藝需求

化纖長絲自動化生產線機器人負責把絲餅從卷繞機搬運到絲架車上，自動化落筒機器人采用伺服電機半閉環控制方式。天軌驅動電機采用功率為1.5 W的異步電機；推座采用功率為240 kW的異步電機。驅動方式為帶編碼器反饋的矢量控制，編碼器為1 024線帶零位脈沖的增量編碼器。天軌電機運行一圈，機器人前進34.159 mm；推座電機運行一圈，推座前進10 mm。

機器人天軌運動采用電機帶動減速機驅動齒輪運行。其速度、位置設定值和測量值使用西門子STARTER軟件獲取。電機速度、位置的設定值與測量值曲線如圖4所示。

電機運行的位置單位為 LU,即 Length UNIT。電機運行一圈為10 000 LU。機器人自重大，天軌加、減速時間長，消耗較多時間。以絲餅轉運典型工藝為例，采用單天軌電機定位方式，行程600 000 LU，機器人天軌方向定位時間超過10 s，其中減速調整時間大于4 s，天軌電機速度位置曲線如圖4(a)所示。

推座子系統質量小，電機加減速時間小于500 ms，其速度位置曲線如圖4(b)所示。但由于推座行程小，單獨使用推座子系統無法完成絲餅輸送工藝。若天軌使用大功率電機，將增加系統能耗；提高減速機的減速比雖能提高驅動系統扭矩，縮短天軌定位穩定時間，但會降低系統最大運行速度，對生產效率產生負面影響。所以需要采用合適的控制方法提高機器人天軌定位速度。

圖4　電機速度、位置曲線Fig.4　Curves of speed and position of the motors

3.2　子系統建模

根據機器人位置設定值和測量值信息，采用單入單出(single input single output，SISO) 傳遞函數參數估計方法，建立機器人各運動子系統仿真模型。在控制系統建模和仿真中，如天軌電機定位精度小于5 000 LU，即可滿足絲餅轉運工藝要求。用STARTER軟件獲取驅動器的監控數據，通過LabVIEW對天軌電機和推座電機子系統的傳遞函數進行參數估計[16-19]。天軌運行子系統模型結構采用雙級滯后比例環節，計算得到如式(1)所示的傳遞函數[20]。推座子系統模型結構為單級滯后比例環節，計算得傳遞函數如式(2)所示。

(1)

(2)

把天軌行程為600 000 LU和450 000 LU 的下位機控制器的位移設定值輸入天軌電機子系統仿真模型，計算得到位移過程量仿真值和測量之間的誤差絕對值不超過0.01%。經驗證，依照此模型仿真獲取的位置計算值和測量值的差值滿足要求，能在此模型基礎上進行研究。推座電機子系統同理可證。

3.3　快速定位控制過程設計及仿真

根據天軌、推座子模型結構和參數，使用AMESim建立雙電機控制系統模型。雙電機位置環定位系統結構如圖5所示。推座電機位置環定位控制器根據天軌電機子系統位置的當前值和設定值的差值計算推座子系統位置的設定值，采用比例控制器，增益為20。由于推座電機子系統行程有限，對控制器的輸入輸出進行限幅，范圍為-190 000～+238 000。推座電機速度限幅為2 000 r/min，天軌電機速度限幅為1 000 r/min。天軌電機、推座電機子模型位置輸出之和為系統位置輸出。

圖5　雙電機控制系統結構框圖Fig.5　Structure block diagram of double motor control system

PLC定位程序設計流程圖如圖6所示。

圖6　程序流程圖Fig.6　Program flowchart

在進入主程后，PLC先與S120驅動器建立通信，然后進行參數初始化，給111報文賦初值，配置電機的加減速、定位速度速率等參數并使能JOG、回參考點、軟硬限位、接近開關等功能。參數賦值具體如表3所示。其中，控制字STW1必須在第一個周期內由高位到低位寫入二進制數0000010001111110，即47E，然后在第二周期寫入47F，以驅動電機。

表3　參數賦值Tab.3　Parameter assignment

雙電機定位仿真結果如圖7所示。

圖7　雙電機定位仿真結果Fig.7　Positioning simulation results of double motor

定位開始時，天軌電機開始運動，不斷判斷它與目標位置的距離，并對推座電機進行限幅。一旦滿足推座電機子系統的限幅,天軌電機開始減速。與此同時，推座電機開始運動。推座電機運動距離通過不斷讀取天軌電機與目標距離的差值獲得。當兩者的運動總距離達到目標位置后停止，定位結束。

對于600 000 LU行程，雙電機定位時間比天軌單電機定位時間縮短3.4 s。研究結果表明，雙電機定位控制能降低天軌電機因減速時間過長帶來的影響，提高系統的定位速度。

4　結束語

ET200S與S120組成的多機器人控制系統，通過PROFIBUS-DP協議，由111報文協議實現控制伺服電機的回零、加減速、JOG等一系列功能。

在天軌移動方向上，該多機器人控制系統采用高動態響應環節的子系統對低動態響應的系統進行補償，以提高系統整體動態響應性能；采用全閉環控制能提高系統的定位精度，適用于更高精度需求的控制系統。通過雙電機位置控制，可在能耗有限的條件下，縮短機器人天軌移動定位時間，提高生產線效率和企業的經濟效益。該研究對于廣大長絲生產企業實現高效絲餅自動化搬運具有指導性意義。

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