codesys平台的椭圆轨迹及三维空间直线的实现
【摘要】一般的CNC系统对于实现轨迹类的加工轻而易举，而在自动化设备中实现轨迹的运行或者加工，若采用CNC系统则显得大材小用，如何以一种性价比较高的方式实现小型自动化设备的轨迹控制及逻辑控制成为一些自动化设备公司研究的课题。本文就该问题，结合市场现有控制产品，基于一定的硬件设备（直角坐标机构），探索基于PLC系统实现简单的轨迹控制，主要以平面椭圆轨迹的实现以及三维空间直线轨迹的实现为例，阐述一种以PLC为控制核心，以伺服为执行机构，以EtherCAT为神经中枢的控制方案，整合了所学电力拖动、自动化控制、PLC控制技术、伺服驱动系统、工业通信等学科知识，实现以Codesys为依托的简单轨迹控制。
目录
引言 1
一、国内外研究现状和课题研究意义 2
（一）国内外研究现状 2
（二）课题研究意义 2
二、系统硬件的选择与搭建 2
（一）系统框架 2
（二）PLC的选型 2
（三）伺服系统的选择 3
（四）硬件系统的通信 4
三、系统参数的设置 5
（一）系统的组态及参数设定 5
（二）伺服系统参数设定 5
四、电子凸轮实现关键点描绘 6
（一）电子凸轮与机械凸轮 6
（二）PLC中的电子凸轮实现 7
五、程序算法的实现 8
（一）椭圆轨迹的计算 8
（二）空间直线插补基于电子凸轮的实现 10
六、人机交互 11
（一）HMI程序设计 11
（二）人机交互的操作 11
七、PLC程序的实现及仿真 12
（一）动作流程 12
（二）椭圆计算公式的导入 13
（三）椭圆及直线运行功能块的建立 13
（四）设备的仿真运行 15
总结 16
致谢 17
参考文献 18
附录 19
引言
随着工业的飞速发展，工业设备自动化程度越来越高，工业4.0时代即将来临，自动化控制，高速总线，空间轨迹规划及控制渐渐成为热门课题，基于社会现有
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技术，如何在实现较多逻辑控制的同时实现一些轨迹控制，成为了一些设备自动化公司遇到的难题。轨迹规划在现代化生产各个领域均有着十分重要的作用，特别是在机器人运动控制、航天、航海以及军工领域占有重要地位。通过轨迹规划，可以在满足各种非线性运动学约束条件情况下，实现特定优化指标的运动控制。轨迹规划基本可以分为两类：基于点对点(PTP, point to point)的轨迹规划和基于连续路径的轨迹规划。
本研究基于Codesys平台，利用电子凸轮进行关键点描绘，采用PLC作为系统控制核心，HMI作为人机交互界面，伺服系统作为动力系统，控制直角坐标系统，实现在任意平面内的椭圆轨迹往复运行，任意空间的直线轨迹往复运行。通过对系统进行仿真并在上位机进行显示，证明系统的精确性和可靠性。
国内外研究现状和课题研究意义
（一）国内外研究现状
轨迹规划及控制多运用于机器人技术中。我国机器人研究工作大概起始于20世纪80年代，机器人技术研究起步晚，应用领域较窄。虽然现在结合互联网公司大力研发智能型机器人，美的公司收购KUKA，但是核心技术与国外发达国家仍然存在较大的差距。
目前世界上绝大部分的工业机器人市场被外国公司占领，其中最有名的机器人公司集中在欧美和日本国家，具有代表性的机器人公司为FANUC、安川、KUKA和ABB。FANUC、安川为日系机器人的典型代表。KUKA、ABB为欧系机器人的典型代表。目前国外先进公司已经将机器视觉、人工智能和大数据应用到机器人中，使得机器人向智能化更迈进了一步。
（二）课题研究意义
本论文基于Codesys平台，利用电子凸轮进行椭圆轨迹及三维空间直线的关键点描绘，再PLC系统内实现在任意平面内的椭圆轨迹往复运行，任意空间的直线轨迹往复运行。本课题的技术能很好地应用在机器人的低层轨迹规划上，帮助实现机器人精确的运动控制，具有良好的经济性，能够促进机器人产业的发展。
系统硬件的选择与搭建
（一）系统框架
系统的控制采用PLC作为控制核心，通过以太网与HMI进行通信，将数据设定的参数传回PLC，PLC通过高速以太网通信，连接三台伺服驱动器，直接控制伺服运转。三台伺服电机分别控制直角坐标的X/Y/Z方向的电缸运行，驱动末端实现轨迹的运行。具体控制框图及硬件图如图21所示；
图21 系统框架图
（二）PLC的选型
PLC可编程控制器，使用一种可编程的存储器，将编写的程序存储在控制器中通过中央处理器执行内部程序完成指令运算，通过数字或模拟输入输出控制各种电气设备。
为了更好地实现系统功能，选择一款合适的PLC十分重要。选择PLC要根据控制要求来选，大致估算输入输出点、所需存储器容量、确定PLC功能以及外部设备的特性等，最后选择性价比高的PLC和设计相应的控制系统。PLC功能结构图主要由中央处理器、存储器、输入输出单元组成，如图21所示：
图22 PLC功能结构图
汇川AM600中型PLC相比于其他PLC具有以下优点：
（1）完全支持PLCOpen规范的6种标准语言编程，PLCopen支持传统的梯形图编程同时支持与高级语言类似的结构化文本编程，大大提高了核心运算的编程速度。
（2）同时支持标准的轴控功能，支持CNC等功能，满足各复杂场合的运动控制。所以本系统采用支持平台的PLC系统AM600中型PLC。
（三）伺服系统的选择
目前主流伺服以以太网为物理层的实时总线主要有EtherCAT、Profinet、Powerlink等，本系统采用EtherCAT高速总线IS620N系列伺服与PLC进行通信控制，大大减少了控制接线，确保了控制的稳定可靠，排除干扰等因素影响控制精度。传统伺服系统在断电后，位置信息随之丢失，这个使用者带来很大不变，每次运行前都要进行原点查找，浪费时间，增加了系统的复杂程度。
本文采用日趋流行的绝对值伺服技术，伺服编码器借助自身电池，在断电时仍可记录实时位置。采用绝对值式编码器系统电机，位置在断电后借助外接电池记录编码器位置，在断电后无需重新寻找机械原点。
伺服驱动器的具体型号为IS620NS2R8I，额定功率400W，额定电压220V。对应的伺服电机型号为ISMH440B30CB。如图23所示。
图23 伺服系统图
（四）硬件系统的通信
PLC与伺服驱动器间，为了确保通信线路的稳定可靠，确保通信数据实时传输到伺服系统，采用标准超六类双绞屏蔽网线，确保通信的安全可靠。EtherCAT通信通过网络自动扫描，自动进行节点号定义，因此伺服驱动器间排序要按照程序组态完成链接，伺服通信接口分为IN和OUT，IN作为EtherCAT通信Part0口输入，OUT作为EtherCAT通信Part1口输出，与下一伺服驱动IN口相连，确保PLC在进行自动节点分配时可以顺利访问每个网络节点。解决机构Z轴在断电后负载由于重力原因自动下落问题，Z轴伺服电机选择为抱闸电机。在伺服接线时，将伺服电机的抱闸线经由伺服抱闸输出后接入24V控制电源。
目录
引言 1
一、国内外研究现状和课题研究意义 2
（一）国内外研究现状 2
（二）课题研究意义 2
二、系统硬件的选择与搭建 2
（一）系统框架 2
（二）PLC的选型 2
（三）伺服系统的选择 3
（四）硬件系统的通信 4
三、系统参数的设置 5
（一）系统的组态及参数设定 5
（二）伺服系统参数设定 5
四、电子凸轮实现关键点描绘 6
（一）电子凸轮与机械凸轮 6
（二）PLC中的电子凸轮实现 7
五、程序算法的实现 8
（一）椭圆轨迹的计算 8
（二）空间直线插补基于电子凸轮的实现 10
六、人机交互 11
（一）HMI程序设计 11
（二）人机交互的操作 11
七、PLC程序的实现及仿真 12
（一）动作流程 12
（二）椭圆计算公式的导入 13
（三）椭圆及直线运行功能块的建立 13
（四）设备的仿真运行 15
总结 16
致谢 17
参考文献 18
附录 19
引言
随着工业的飞速发展，工业设备自动化程度越来越高，工业4.0时代即将来临，自动化控制，高速总线，空间轨迹规划及控制渐渐成为热门课题，基于社会现有
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
技术，如何在实现较多逻辑控制的同时实现一些轨迹控制，成为了一些设备自动化公司遇到的难题。轨迹规划在现代化生产各个领域均有着十分重要的作用，特别是在机器人运动控制、航天、航海以及军工领域占有重要地位。通过轨迹规划，可以在满足各种非线性运动学约束条件情况下，实现特定优化指标的运动控制。轨迹规划基本可以分为两类：基于点对点(PTP, point to point)的轨迹规划和基于连续路径的轨迹规划。
本研究基于Codesys平台，利用电子凸轮进行关键点描绘，采用PLC作为系统控制核心，HMI作为人机交互界面，伺服系统作为动力系统，控制直角坐标系统，实现在任意平面内的椭圆轨迹往复运行，任意空间的直线轨迹往复运行。通过对系统进行仿真并在上位机进行显示，证明系统的精确性和可靠性。
国内外研究现状和课题研究意义
（一）国内外研究现状
轨迹规划及控制多运用于机器人技术中。我国机器人研究工作大概起始于20世纪80年代，机器人技术研究起步晚，应用领域较窄。虽然现在结合互联网公司大力研发智能型机器人，美的公司收购KUKA，但是核心技术与国外发达国家仍然存在较大的差距。
目前世界上绝大部分的工业机器人市场被外国公司占领，其中最有名的机器人公司集中在欧美和日本国家，具有代表性的机器人公司为FANUC、安川、KUKA和ABB。FANUC、安川为日系机器人的典型代表。KUKA、ABB为欧系机器人的典型代表。目前国外先进公司已经将机器视觉、人工智能和大数据应用到机器人中，使得机器人向智能化更迈进了一步。
（二）课题研究意义
本论文基于Codesys平台，利用电子凸轮进行椭圆轨迹及三维空间直线的关键点描绘，再PLC系统内实现在任意平面内的椭圆轨迹往复运行，任意空间的直线轨迹往复运行。本课题的技术能很好地应用在机器人的低层轨迹规划上，帮助实现机器人精确的运动控制，具有良好的经济性，能够促进机器人产业的发展。
系统硬件的选择与搭建
（一）系统框架
系统的控制采用PLC作为控制核心，通过以太网与HMI进行通信，将数据设定的参数传回PLC，PLC通过高速以太网通信，连接三台伺服驱动器，直接控制伺服运转。三台伺服电机分别控制直角坐标的X/Y/Z方向的电缸运行，驱动末端实现轨迹的运行。具体控制框图及硬件图如图21所示；
图21 系统框架图
（二）PLC的选型
PLC可编程控制器，使用一种可编程的存储器，将编写的程序存储在控制器中通过中央处理器执行内部程序完成指令运算，通过数字或模拟输入输出控制各种电气设备。
为了更好地实现系统功能，选择一款合适的PLC十分重要。选择PLC要根据控制要求来选，大致估算输入输出点、所需存储器容量、确定PLC功能以及外部设备的特性等，最后选择性价比高的PLC和设计相应的控制系统。PLC功能结构图主要由中央处理器、存储器、输入输出单元组成，如图21所示：
图22 PLC功能结构图
汇川AM600中型PLC相比于其他PLC具有以下优点：
（1）完全支持PLCOpen规范的6种标准语言编程，PLCopen支持传统的梯形图编程同时支持与高级语言类似的结构化文本编程，大大提高了核心运算的编程速度。
（2）同时支持标准的轴控功能，支持CNC等功能，满足各复杂场合的运动控制。所以本系统采用支持平台的PLC系统AM600中型PLC。
（三）伺服系统的选择
目前主流伺服以以太网为物理层的实时总线主要有EtherCAT、Profinet、Powerlink等，本系统采用EtherCAT高速总线IS620N系列伺服与PLC进行通信控制，大大减少了控制接线，确保了控制的稳定可靠，排除干扰等因素影响控制精度。传统伺服系统在断电后，位置信息随之丢失，这个使用者带来很大不变，每次运行前都要进行原点查找，浪费时间，增加了系统的复杂程度。
本文采用日趋流行的绝对值伺服技术，伺服编码器借助自身电池，在断电时仍可记录实时位置。采用绝对值式编码器系统电机，位置在断电后借助外接电池记录编码器位置，在断电后无需重新寻找机械原点。
伺服驱动器的具体型号为IS620NS2R8I，额定功率400W，额定电压220V。对应的伺服电机型号为ISMH440B30CB。如图23所示。
图23 伺服系统图
（四）硬件系统的通信
PLC与伺服驱动器间，为了确保通信线路的稳定可靠，确保通信数据实时传输到伺服系统，采用标准超六类双绞屏蔽网线，确保通信的安全可靠。EtherCAT通信通过网络自动扫描，自动进行节点号定义，因此伺服驱动器间排序要按照程序组态完成链接，伺服通信接口分为IN和OUT，IN作为EtherCAT通信Part0口输入，OUT作为EtherCAT通信Part1口输出，与下一伺服驱动IN口相连，确保PLC在进行自动节点分配时可以顺利访问每个网络节点。解决机构Z轴在断电后负载由于重力原因自动下落问题，Z轴伺服电机选择为抱闸电机。在伺服接线时，将伺服电机的抱闸线经由伺服抱闸输出后接入24V控制电源。
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