基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

陸雪影

摘 要：文章主要從軟件和硬件兩個(gè)部分對(duì)基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，硬件部分詳細(xì)介紹了工業(yè)機(jī)器人與多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器通信的SERCOS高速傳輸總線，及其與外圍I/O設(shè)備通信的CanOpen總線協(xié)議；軟件部分在CoDeSys產(chǎn)品基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)G代碼解碼程序，以及進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡控制的插補(bǔ)程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過(guò)軟硬件的結(jié)合，工業(yè)機(jī)器人控制程序可讀取G代碼存儲(chǔ)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序，以及工業(yè)機(jī)器人硬件部分的準(zhǔn)確、快速通信，滿足工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；控制系統(tǒng)；SERCOS；CanOpen；CoDeSys

中圖分類(lèi)號(hào)：TD40 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）12-0148-02

Abstract： In this paper， the key technology of industrial robot control system based on PLC is studied from two parts： software and hardware. In hardware part， the SERCOS high-speed transmission bus which communicates between industrial robot and several servo drivers is introduced in detail. The CanOpen bus protocol which communicates with the peripheral I/O equipment， the software part based on the CoDeSys product， with focus on the G code decoding program， as well as the interpolation program structure of the industrial robot motion trajectory control. Through the combination of software and hardware， the control program of industrial robot can read the motion control program stored in G code， and the hardware part of the industrial robot can communicate accurately and quickly， which can meet the application needs of industrial robot.

Keywords： industrial robot； control system； SERCOS； CanOpen； CoDeSys

工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)力，改善工人作業(yè)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益等方面都起著不可替代的作用。運(yùn)動(dòng)控制是工業(yè)機(jī)器人最重要的構(gòu)成部分，本文主要對(duì)基于PLC的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要包括硬件和軟件兩個(gè)部分。其中，硬件部分主要通過(guò)SERCOS總線驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人電機(jī)，以及為總線傳遞控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與外圍I/O通信；軟件部分主要通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制程序的讀取、語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換、邏輯和運(yùn)動(dòng)控制。控制系統(tǒng)的工作原理與流程如下：控制系統(tǒng)上電時(shí)加載機(jī)器人控制程序，通過(guò)語(yǔ)言解釋程序，并通過(guò)PLC和CanOpen等現(xiàn)場(chǎng)總線接口，將CNC文件中的邏輯指令發(fā)送給I/O設(shè)備；同時(shí)，機(jī)器人語(yǔ)言解釋程序?qū)⑦\(yùn)動(dòng)控制指令轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)G代碼，并通過(guò)插補(bǔ)程序計(jì)算各電機(jī)的控制目標(biāo)數(shù)據(jù)；最后，通過(guò)SERCOS高速運(yùn)動(dòng)控制總線，實(shí)現(xiàn)與各軸控制器之間的通信，控制工業(yè)機(jī)器人的各軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的精準(zhǔn)控制。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 SERCOS總線

與其他總線相比，SERCOS總線的數(shù)據(jù)傳輸速率高，具有極高的數(shù)據(jù)傳輸效率，和可設(shè)置控制參數(shù)以確保系統(tǒng)同步和精度等特點(diǎn)，這在實(shí)時(shí)性要求較高的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中具有非常大的優(yōu)勢(shì)。為此，本文所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用SERCOS總線。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)利用SERCOS主卡作為主站與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件之間的接口，為軟件系統(tǒng)提供了一個(gè)通用化、開(kāi)放性的控制平臺(tái)，有助于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)主控功能的軟件化。

2.2 CanOpen協(xié)議

CAN總線鏈路層采用CSMA/CD方式，在總線傳輸發(fā)生沖突時(shí)，采用“非破壞總線優(yōu)先逐位仲裁”技術(shù)，以保證優(yōu)先級(jí)高的信息能夠優(yōu)先通過(guò)總線傳輸，以保證工業(yè)機(jī)器人控制實(shí)時(shí)性。CanOpen基于CAL子協(xié)議，具有很好的模塊性特性，具備很強(qiáng)的適應(yīng)性，得到了廣泛的應(yīng)用。在CanOpen協(xié)議的應(yīng)用層，設(shè)備之間通過(guò)交換通信對(duì)象實(shí)現(xiàn)通信，借助CanOpen良好的面向?qū)ο蠛头謱釉O(shè)計(jì)思想，構(gòu)建了一個(gè)清晰的通信模型。CanOpen應(yīng)用層的所有對(duì)象（COB）可通過(guò)一個(gè)16位索引和一個(gè)8位子索引進(jìn)行檢索，由于CanOpen的性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉和通用性好等原因，本文所研究的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用CanOpen協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與外圍I/O接口的通信。

3 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

軟件是工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一，也是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。本文所研究的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)使用基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的CoDeSys系統(tǒng)進(jìn)行PLC程序編寫(xiě)。CoDeSys包含了力矩控制模塊、速度控制模塊、電機(jī)位置控制模塊、插補(bǔ)模塊等幾乎所有基本模塊，同時(shí)也支持用戶根據(jù)實(shí)際情況編寫(xiě)新的控制模塊，其功能非常強(qiáng)大，應(yīng)用也非常人性化。在集成Windows操作系統(tǒng)的工控機(jī)上安裝CoDeSys軟件，并通過(guò)工控機(jī)上的SERCOS主卡和CAN總線卡，實(shí)現(xiàn)PLC與其它接口之間的通信。首先使用AML和AUTOPASS等具有動(dòng)作級(jí)編程語(yǔ)言全部動(dòng)作功能的高級(jí)語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)機(jī)器人控制程序，然后通過(guò)代碼解碼，將高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的機(jī)器人控制程序，轉(zhuǎn)換為可以直接進(jìn)行伺服電機(jī)控制的數(shù)控程序（G代碼）；最后，通過(guò)插補(bǔ)，確定最終的伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制軌跡。

3.1 代碼編譯

代碼編譯是將使用高級(jí)機(jī)器人語(yǔ)言編寫(xiě)的機(jī)器人控制程序，轉(zhuǎn)換為數(shù)控程序（G代碼）的過(guò)程。其主要任務(wù)就是將用戶所編寫(xiě)的機(jī)器人控制程序準(zhǔn)確無(wú)誤地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的G代碼指令。其實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)步驟的內(nèi)容：第一步，通過(guò)一個(gè)數(shù)組，將機(jī)器人控制程序的指令、變量及其值分別保存起來(lái)；第二步，將每一跳機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序轉(zhuǎn)換為G代碼，并保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上。在CoDeSys中，使用ST實(shí)現(xiàn)代碼編譯過(guò)程，分別使用strComm、StrChar和fValue三個(gè)變量來(lái)存儲(chǔ)指令名、變量名和變量值三個(gè)部分的內(nèi)容。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下所示。

typedef struct ROBOT_PARAM{

String strComm；

String strChar；

String fVvalue；

} ROBOT_PARAM；

機(jī)器人的語(yǔ)言指令設(shè)計(jì)如表1所示。

3.2 代碼解碼

機(jī)器人控制程序在加載前以G代碼的形式保存在存儲(chǔ)器上，機(jī)器人的插補(bǔ)程序無(wú)法直接讀取文本形式的G代碼，因此需要借助解碼程序讀取文本總的G代碼，將之轉(zhuǎn)換為插補(bǔ)程序能識(shí)別的數(shù)據(jù)流，并傳給插補(bǔ)程序。該模塊的詳細(xì)介紹如表2所示。

3.3 插補(bǔ)程序

插補(bǔ)程序的主要功能為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡控制，機(jī)器人根據(jù)控制系統(tǒng)所給出的機(jī)器人行動(dòng)軌跡目標(biāo)位置，結(jié)合當(dāng)前位置信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)。在解碼完成后，控制系統(tǒng)將完成解碼的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給插補(bǔ)程序，并根據(jù)從解碼數(shù)據(jù)中獲得的機(jī)器人運(yùn)行位置信息，進(jìn)而得到機(jī)器人運(yùn)行到目標(biāo)位置，各電機(jī)所需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，進(jìn)而將這些角度值和運(yùn)行順序發(fā)送給機(jī)器人電機(jī)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)行控制。機(jī)器人運(yùn)行軌跡的插補(bǔ)，相當(dāng)于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)程序的實(shí)現(xiàn)采用CoDeSys中的Interpolator模塊，在使能端被激活后，Interpolator模塊從g_CNCpoqPath中獲取機(jī)器人的目標(biāo)位置，進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，通過(guò)piSetPosition函數(shù)將初步結(jié)果從輸出端口中輸送出去。

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