★中国电子科技集团第十八研究所张昊辰

当前，大多数国内生产企业仍使用传统的人工生产方式，往往会造成质量不良、材料浪费、效率低下、工艺稳定性差等问题，因此传统制造业势必会向自动化、现代化和高效化的方向发展。越来越多的工业机器人研究投入到生产制造领域，对机器人系统也提出了更高要求。为提高质量、保证精度，开发高性能、低成本、人性化的直角坐标机器人系统很有必要。直角坐标机器人因相对简单的整体设计和操作使其在制造业中大受欢迎，原因是其每个轴都可以轻松更换，从而减少停机时间和维护成本。此外，其整个系统可以分解为多个新组件，用于单轴应用。最重要的是，这些系统比其他更复杂的机器人更便宜。

目前，伺服驱动器已经开发了变频技术，驱动器内部配有电流环和速度环，还有变频器中没有的位置环。其独特的多回路结构，电流回路嵌套在速度回路中，速度回路嵌套在位置回路中，使执行的控制技术和算法操作比常规频率转换更为精确。伺服驱动器的最主要优点是其精准度位置控制功能，一切在位置、速度和转矩控制精度较高的地方，均可使用交流伺服电机，它是一个精准的闭环控制系统。由于伺服系统主要用于速度和定位控制，因此它也被称为运动控制系统。为了精确控制直角坐标机器人运作，该设计采用三菱QD75P2N运动控制模块^[1]，通过触摸屏与PLC之间的通信对运动控制器进行参数设置。该设备可以根据坐标进行示教并规划插补路径、线性运动^[2]、自动检测并报警，最终通过触摸屏对设备进行操控，将运动轨迹实时反馈回触摸屏。

1　系统设计方案

为了降低劳动成本、提升生产效率及产品质量，我们提出基于三菱PLC的直角坐标机器人设计^[3]。该系统由X、Y轴两台伺服电机驱动，采用滑块导轨式结构，X-Y轴在水平面内垂直布置，利用三菱Q系列PLC及QD75P2N定位模块，控制两伺服电机进行两轴圆弧插补，能够根据规定坐标及程序自动生成插补路径，并做到速度恒定可调。该系统配备的三菱HMI可对设备参数进行调试，可实时监控伺服电机运行路径及速度等运动参数，并设定管理员页面，可对单轴进行手动/自动操控，方便操作人员对设备进行调试^[4]。该系统出于安全起见设置防护栏，防护门配备接触开关，并在护栏顶端安装带有蜂鸣器的灯塔，显示设备运行状态。该伺服系统对任意曲线插补精度高、速度快，可以很好地完成生产任务。系统流程如图1所示。 

图1 系统流程图

2　系统原理分析

2.1　伺服控制

该系统通过QD75P2N定位模块与MR-J4-20A伺服驱动器连接，控制伺服电机^[5]进行圆弧插补与直线插补，并将插补轨迹在触摸屏上通过散点图的方式实时显示。

将给定路径分解成若干直线与圆弧，将模拟好的圆弧数据写入QD75P2N轴定位数据中，再按已编写完成的顺序控制将程序写入PLC的存储空间，CPU按照内部存储的顺序控制程序向QD75P2N定位模块发出启动或停止信号，与此同时监测定位模块的故障。QD75P2N定位模块依据CPU发出的指令保存参数和定位数据，并将定位数据传送给伺服驱动器。伺服驱动器接收来自QD75P2N的定位数据驱动伺服系统，并输出驱动单元的就绪状态信号及零位信号至定位模块。最终，电动机根据伺服电机指令完成运动，实现曲线插补。

最后，该系统根据X-Y轴上两霍尔传感器实现原点回归近点DOG功能，运动结束后使气缸回到X-Y轴原点，以便下次使用。

2.2　路径监视系统

散点图是GS2110触摸屏的功能之一，该功能可以由PLC实时读取两伺服电机当前进给值，并以坐标形式显示在散点图的X/Y轴上，经过坐标转换，将各点坐标相连接便形成了直角坐标机器人的实时插补路径。当读取频率足够高时，其所显示曲线的误差可以忽略。

3　硬件系统设计

3.1　PLC系统配置

在Q38B基板上安装Q03UDE模块作为PLC系统CPU，为了精准控制两台三菱HJ-KR23J伺服电机，该系统添加QD75P2N定位模块，由两台MR-J4-20A型伺服驱动器作为桥梁，驱动直角坐标机器人精准定位。由于该系统中添加了若干传感器及执行器等外部元件，故加入QX40和QY10输入输出模块。同时为了对系统运行过程进行控制与监视，配备GS2110触摸屏。PLC系统配置如图2所示。

图2 PLC系统配置图

3.2　系统硬件连接

从现场引出三相四线制交流电源至设备接线端子排，通过断路器启动按钮启动设备，分别为PLC电源、伺服驱动器以及触摸屏电源供电；分别引火线与零线进入开关电源，转换成24V直流电源并接至端子排，提供控制信号用电；同时安装停止按钮和急停按钮来控制系统的停止和紧急情况的关断。QD75P2N定位模块与伺服驱动器之间的控制信号线通过IO信号接头焊接排线连接；根据功能将操作台上的机械信号与QD75P2N定位模块之间的通讯用排线焊接。触摸屏与PLC之间通过网线通信，用于信号输入及图样的显示。

4　电路系统设计

4.1　主电路设计

本设计采用380V三相四线制电源。电源先经过主断路器，取L1和N接入PLC电源模块Q61P为其供220V交流电，再将PG和LG共地。取L1和N通过副断路器，从副断路器出两组线，一组进24V开关电源，另一组进驱动器X和驱动器Y为其供电。火线接L1和L11，零线接L2/L3和L21，将驱动器上U、V、W、PE连接X-Y轴伺服电机，最后用专用电缆从驱动器CN2连接至伺服电机，整体动力系统便搭建完成。主电路图如图3所示。

图3 主电路图

4.2　控制电路设计

该伺服控制回路主要由QD75P2N定位模块及两台伺服驱动器构成。由于对位置及速度有严格的控制，且配合脉冲加方向的输出方式，因此我们选用位置控制模式，该模式是伺服三大控制方式中最常见的一种，是通过外部输入脉冲确定转动速度的大小及转动的角度。在三菱伺服电机中，要使用专用的伺服CN1接口SCSI，并且按位置控制模式所需要的功能进行接线。QD75P2N与伺服驱动器MR-J4-A的连接如图4所示，伺服驱动器参数设置如表1所示。

图4 QD75P2N接线图

表1 伺服驱动器参数

5　软件系统设计

5.1　定位模块参数

首先要在GX-WORKS2中新建工程，插入QD75P2N模块，系统会自动在功能块中生成参数设置，该参数主要用于设置机械设备和相应电机参数与控制系统相匹配。为了匹配该设计，需对初始设置进行修改。在基本参数中设定以mm为单位进行插补，每转的移动量由机械结构决定，定义电机旋转一转工件的移动量，这里的脉冲输出方式选为CW/CCW模式，两线均输出脉冲信号，CW为正转脉冲信号，CCW为反转脉冲信号，通常都是差分方式输出，两信号相位差90度。加减速时间设为10ms。原点回归方式选择近点DOG型，并通过限位开关设定原点回归重试，同时可设置详细回归速度，系统调试时根据回归实际情况设定原点偏移量。

5.2　轴定位参数

轴定位数据由轴1定位数据及轴2定位数据两表组成，在两表中分别根据实际插补路径，设定坐标及路径类型。运行模式指设置仅限该数据结束对应的定位，或者继续执行下一数据的定位。再选择合适的控制方式，设置进行定位控制时的控制方式，常用直线、圆弧插补、圆弧左/右、LOOP、LEND等。通过定位地址与圆弧地址分别设定目标坐标与辅助点坐标，按照规定的指令速度运行。

5.3　顺序控制程序

顺序控制程序主要包括主程序、JOG手动程序、实时转速程序、指示灯及报警程序和原点回归程序，将其进行整合连接，最终完成插补动作^[6]。

程序开始后先将U4/G800与U4/G900中的轴位置数据、轴速度数据报警代码读取到D寄存器，并通过触摸屏显示，以便后续调试。U4/G1518与U4/G1618为两轴的手动速度。

原点回归时将编号9001写入到U4/G1500和U4/G1600是为了让定位模块根据霍尔传感器和限位开关的信号自动进行机械原点回归。

伺服定位程序的核心就是将K6写入到U4/G1500特殊寄存器当中，目的是调用定位表，将已设定的轴1、轴2定位数据引用至控制程序中。定位表调用程序如图5所示。

图5 定位表调用程序

6　总结

本文介绍了一种以三菱Q系列PLC为核心控制器，结合QD75P2N定位模块，通过伺服运动控制系统驱动和编程，以直线和曲线运动轨迹的生成拟合为多点插补方式，以操作和编程方式为引导示教编程或坐标定位的直角坐标机器人设计。该直角坐标机器人同时具备实用性、精准度、性价比等优势^[7]。在生产制造行业中，生产线正在向着自动化、智能化和集成化的方向发展，使用高精度的直角坐标机器人，可以有效消除人工操作的弊端，做到提高效率、节省人力，并达到增长经济效益的目的。

作者简介：

张昊辰（1996-），男，天津人，助理工程师，学士，现就职于中国电子科技集团第十八研究所，研究方向为工业控制自动化。

参考文献：

[1] 付鸿泽, 许子杰, 曲培健, 李子豪, 魏仁哲. 基于十字滑台的PLC的运动控制系统[J]. 工业控制计算机, 2022, 35 (06) : 130 - 132.

[2] 田龙阳, 杨红军, 鲁力, 戢绍庭, 陈家林. 基于PLC小型雕刻机的X/Y轴控制系统设计[J]. 武汉轻工大学学报, 2022, 41 (02) : 102 - 106.

[3] 李永梅, 张锦涛, 马镒明. 直角坐标机器人轨迹规划[J]. 机械工程与自动化, 2022 (01) : 14 - 15 + 18.

[4] 刘振昌, 焦爱胜. 基于FX2N-20 GM控制的三轴空气等离子自动切割机械手系统设计[J]. 兰州工业学院学报, 2021, 28 (02) : 69 - 72.

[5] 郑传琴. 基于三菱电机定位模块在伺服自动跟踪系统中的应用[J]. 制造业自动化, 2020, 42 (10) : 137 - 140 + 145.

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[7] 廖谦, 廖育武. 基于PT/PLC的组合机床生产线定位系统设计[J]. 机电技术, 2020 (04) : 44 - 46.

摘自《自动化博览》2023年4月刊