基于PLC和PMC的經軸紗機器人控制系統(tǒng)研究與設計

張 倩，單忠德，姬海翔，王紹宗，莊 圓

（1.機械科學研究總院先進制造技術研究中心，北京 100044；2.先進成形技術與裝備國家重點實驗室，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軸紗，經軸紗自動化裝卸設備市場需求量巨大。而國內紡織印染行業(yè)中經軸紗裝卸主要靠人工裝卸紗，效率低，勞動強度大。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軸紗裝卸設備對提升我國智能制造技術水平，滿足國家紡織印染行業(yè)的急需具有重要的意義。

作者所在單位機械科學研究總院已經針對筒子紗自動化生產開發(fā)出了筒子紗自動化裝卸機器人。在前期研究和國內外經軸紗裝卸方法調研的基礎上，結合經軸紗裝卸需求，設計開發(fā)快速、穩(wěn)定、簡潔的經軸紗裝卸機器人及配套的物流系統(tǒng)，替代人工完成經軸紗裝卸的自動化。其經軸紗裝卸機器人機械結構如圖1所示。

設計的經軸紗裝卸紗機器人系統(tǒng)包括，機器人主體、經軸紗機械手、經軸紗籠及經軸紗移載車及回轉托盤等，可完成經軸紗的裝卸及轉運。結合以上經軸紗機械設計和經軸紗染色生產要求，需要設計開發(fā)經軸紗裝卸機器人控制系統(tǒng)，滿足經軸紗裝卸機器人功能需求。

圖1 經軸紗裝卸機器人機械結構圖

1 運動控制系統(tǒng)總體設計

1.1 硬件系統(tǒng)組成

經軸紗裝卸機器人系統(tǒng)主要功能主要包括：由經軸轉運車上逐一抓取經軸紗裝在經軸紗籠上并固定；將垂直安裝并固定在紗籠上的染色完成的經軸紗逐一解鎖并抓取，放置在經軸轉運車完成轉運。根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求，控制系統(tǒng)需要完成經軸機器人三坐標X、Y、Z軸，平臺旋轉軸A軸，經軸紗螺栓頂部擰動軸N軸，經軸紗翻轉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、維護的方便性，文章中設計了采用基于Siemens 1200系列控制器和PMC多軸控制器開發(fā)了滿足經軸紗兩頭夾取、中間旋轉、準確定位及符合物流轉運的系控制系統(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)運動結構圖

控制系統(tǒng)通過PLC本體四路脈沖輸出實現(xiàn)經軸機器人X、Y、Z三坐標軸定位系統(tǒng)和平臺旋轉軸A軸電機的運動；通過數(shù)字量進行內部位置控制控制翻轉軸F，速度控制控制擰動軸N；PMC多軸控制器控制兩個手爪電機控制，Siemens1200通過網(wǎng)線與昆侖通態(tài)觸摸屏連接?？刂破魍瑫r也可實現(xiàn)與中央控制系統(tǒng)與相關單機設備的信息通訊，實現(xiàn)機器人高速運動精確定位及平穩(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理及流程控制，同時觸屏通過讀取控制器中相關參數(shù)，來實現(xiàn)與控制器的信息交互。

系統(tǒng)軟件包括兩個部分：實時控制部分和人機交互部分。實時控制部分由西門子PLC控制器、PMC多軸控制器和西門子V90伺服驅動器組成，西門子PLC主要承擔伺服控制任務的收發(fā)，是經軸機器人控制系統(tǒng)的核心；人機交互部分采用嵌入式觸屏與PLC之間實現(xiàn)交互和數(shù)據(jù)處理。上位機和下位機之間采用通過PROFINET協(xié)議進行通訊[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)了經軸紗機器人上位機控制軟件，其中經軸紗機器人工作流程如圖3所示。

圖3 運動控制流程

表1 控制系統(tǒng)選擇的控制器及控制方式

2 經軸紗裝卸機器人控制系統(tǒng)定位精度與平穩(wěn)控制

2.1 控制系統(tǒng)邏輯過程

在經軸紗機器人控制功能要求及控制系統(tǒng)硬件設計基礎上，得到控制系統(tǒng)邏輯示意圖，如圖4所示是針對裝滿經軸的紗籠卸經軸紗的邏輯判斷。

針對卸紗功能，經軸機器人旋轉機構（伺服定位系統(tǒng)）帶動紗籠旋轉到旋轉機構零位（接近開關檢測），三坐標機械手（三軸伺服定位系統(tǒng)）運行到抓取位手爪（步進控制系統(tǒng)）抓緊經軸，擰閥門機構（伺服定位系統(tǒng)）下降到指定位置，旋轉固定圈數(shù)將閥門打開，氣缸拉動擰閥門機構上升固定高度將閥門拉出，同時三坐標機械手（三軸伺服定位系統(tǒng)）抓取經軸運動到下放位置，經軸通過翻轉機構（變頻控制系統(tǒng)）放到運軸車上，機械手的所有機構恢復原位，完成單根經軸紗的卸紗動作；針對裝紗功能，同樣時物流系統(tǒng)為機械手工作首先做好空紗籠，裝有經軸紗經軸車到位的準備，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 經軸機器人多軸控制

經軸機器人控制過程中為保證抓取過程中，各運動軸運行平穩(wěn)并定位精確，控制系統(tǒng)采用伺服控制器實現(xiàn)，主要結合各運動控制軸要求，用到V90伺服電機速度控制、位置控制功能。

1）三坐標軸及旋轉平臺-位置控制

經軸機器人在運行過程中，三坐標軸及旋轉平臺均有多個控制位置，但是對力矩的要求并不嚴格，采用PLC本體四路脈沖輸出和伺服電機的位置控制，實現(xiàn)經軸機器人X、Y、Z三坐標軸定位系統(tǒng)和平臺旋轉軸A軸的準確定位。

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，不需要準確定位。根據(jù)這一特點，擰動軸采用伺服電機速度控制模式，結合伺服扭矩限制到達信號來完成使用要求。

3）翻轉軸-內部位置控制

翻轉軸運行位置比較少且固定，需要準確定位。由于伺服控制的位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以翻轉軸通過控制數(shù)字量進行內部位置控制，即使用V90控制器的內部設定值的位置控制，通過伺服控制器內部完成位置上復雜計算及精確位置控制，不需要通過外部指令設置，減少干擾，簡單實用。

2.2.2 控制系統(tǒng)伺服單元運動參數(shù)調整

經軸紗機器人運動主要采用伺服電機控制實現(xiàn)。伺服控制的響應取決于伺服單元中設定的伺服增益。伺服增益可通過多個參數(shù)調整，如位置環(huán)增益、速度環(huán)增益、速度環(huán)積分時間、濾波器、摩擦補償、轉動慣量比等的組合進行設定，參數(shù)之間存在一定影響關系。在大多數(shù)狀態(tài)下，應用者可根據(jù)伺服驅動自帶的免調整或自適應的功能來進行這些參數(shù)的計算調整使機械達到一個相對穩(wěn)定狀態(tài)，但基于不同設備控制系統(tǒng)要求，自適應參數(shù)并不是設計使用的“最優(yōu)”參數(shù)[5]，參數(shù)也可直接根據(jù)實際進行手動調整。

以旋轉軸A軸進行手動調整為例，在選取默認參數(shù)時，機械系統(tǒng)剛性達不到要求，設備出現(xiàn)振動，嘯叫。為了得到穩(wěn)定的系統(tǒng)性能，需要降低增益，即降低響應頻率，同時增益過低又會使響應時間變長，影響使用效率，所以在調整過程中需要結合實際運行狀況調整增益，直到得到最佳運行效果。

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

3 工程實現(xiàn)及應用

3.1 系統(tǒng)主要監(jiān)控參數(shù)

圖4 經軸機器人卸紗控制邏輯圖

圖5 經軸機器人旋轉軸A軸增益參數(shù)調整

圖6 系統(tǒng)運行中軸運動參數(shù)示意圖

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

3.2 測試及應用

在對經軸抓紗機器人控制系統(tǒng)的軟硬件設計基礎上，開發(fā)出經軸機器人控制系統(tǒng)及經軸機器人。現(xiàn)場采用雷紹激光干涉儀對經軸紗裝卸機器在抓取200kg重量經軸后，機器的啟動、停止，分別對X、Y、Z軸運動及翻轉等動作進行了測試實驗。其中測試的X、Y、Z軸分別在位置500～2500mm，0～1250mm，0～750mm的運行誤差曲線所示，得到X軸雙向定位精度為0.217mm，Y軸雙向重復定位精度為0.155mm，Z軸雙向重復定位精度為0.290mm，滿足企業(yè)需求的核心運動裝置復定位精度可達±0.3mm。

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

圖7 經軸紗機器人控制系統(tǒng)界面

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圖8 經軸紗機器人現(xiàn)場運行圖

4 結論

本文設計開發(fā)了以西門子PLC和PMC運動控制卡為運動控制核心的多軸聯(lián)動的經軸紗機器人控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)經軸紗自動化裝卸，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、重復定位精度為±0.3mm，解決經軸紗染色過程中需要經軸紗裝卸難，精準度差等問題，目前已經在生產企業(yè)現(xiàn)場調試應用，控制系統(tǒng)運行高速、穩(wěn)定，適合市場推廣應用。

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