【优秀硕士博士论文】基于nj控制器的并联机械手控制系统

硕士学位论文基于SYSMACNJ控制器的并联机械手控制系统学科专业名称控制理论与控制工程摘要随着机械自动化水平的提高，工业机械手应用越来越广，并联机械手是一种具有精度高、惯性小、误差小等一系列优点的全新机械手，具有广阔的发展前景。本课题研究了基于OMRON公司推出的新产品SYSMACNJ控制器的并联机械手控制系统，系统采用欧姆龙G5系列伺服驱动以及NS系列触摸屏等设备，使用软件SYSMACSTUDIO编写程序能够实时在触摸屏上显示机械手运动的轨迹曲线，与传统的PLC控制的机械手相比，在性能和精度上都得到很大提高。本课题研究主要工作集中在首先，分析了工业机械手特性以及在工业现场的广泛应用，在查阅了大量资料的基础上，总结了各类机械手的特点，重点分析并联机械手的优缺点。其次，本课题介绍了NJ控制器的特点、硬件与配置、编程和指令，结合软件SYSMACSTUDIO编写运动控制程序实现多轴运动以及使用3D仿真功能模拟机械手运动轨迹。最后，介绍系统的设计思路，建立数学模型编写出控制机械手运动的正反解算法，编写控制机械手运动的NS触摸屏程序以及运动控制程序并且运用仿真功能仿真出运动轨迹，使用实际的设备对并联机械手进行调试，达到精确抓取小铁片的要求。关键词NJ控制器；并联机械手；NS触摸屏；正反解算法；运动控制程序ABSTRACTWITHTHEIMPROVEMENTOFMECHANICALAUTOMATIONLEVEL,THEINDUSTRIALMANIPULATORISUSEDMOREANDMOREWIDELYTHEPARALLELMANIPULATORISANEWKINDOFMANIPULATORWITHHIGHPRECISION,LOWINERTIA,SMALLERRORANDSOONWHICHHAVEAWIDEDEVELOPMENTALFOREGROUNDTHEPARALLELMANIPULATORCONTROLSYSTEMBASEDONTHENEWPRODUCTSYSMACNJCONTROLLERRELEASEDBYOMRONARERESEARCHEDINTHISPAPERWITHTHEOMRONG5SERIESSERVODRIVEANDNSSERIESTOUCHSCREEN,THEMOTIONTRAJECTORYOFTHEMANIPULATORCANBEREALTIMEDISPLAYEDONTHETOUCHSCREENBYPROGRAMMINGOFTHESYSTEMWHICHHAVEBEENGREATLYIMPROVEDINPERFORMANCEANDACCURACYCOMPAREDWITHTHEMANIPULATORCONTROLEDBYPLCTHEMAINWORKISASFOLLOWSFIRSTOFALL,THEFEATURESOFINDUSTRIALMANIPULATORANDTHEMANIPULATORISWIDELYUSEDININDUSTRIALSITE,BASEDONALARGENUMBEROFMATERIALSRESEARCH,THISPAPERSUMMARIESTHECHARACTERISTICSOFVARIOUSMANIPULATOR,THEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFPARALLELMANIPULATORAREANALYSISEDINPARTICULARSECONDLY,THEFEATURESOFNJCONTROLLER,PROGRAMMINGANDINSTRUCTIONS,HARDWAREANDCONFIGURATION,MULTIAXISMOTIONBYPROGRAMMINGOFSYSMACSTUDIOANDSIMULATEDTRAJECTORIESBY3DSIMULATIONCAPABILITIESAREINTRODUCEDFINALLY,THEDESIGNOFTHESYSTEMISINTRODUCED,MATHEMATICSMODELISESTABLISHEDTOPROGRAMMINGTHECONTROLPOSITIVEANDNEGATIVESOLUTIONALGORITHMOFMANIPULATORMOTIONPROGRAMMINGFORTHENSTOUCHSCREENANDMOTIONCONTROLTODEBUGTHEPARALLELMANIPULATORBYTHEACTUALDEVICETOACHIEVEPRECISEREQUIREMENTSOFGRABBINGTINYPIECESKEYWORDSNJCONTROLLERPARALLELMANIPULATORNSTOUCHSCREENPOSITIVEANDNEGATIVESOLUTIONALGORITHMMOTIONCONTROLPROGRAM目录第一章绪论111课题的背景112课题研究目的和意义113国内外研究动态214本文主要完成的工作3第二章工业生产中的机器人421机械手的组成和工作原理4211机械手的工作原理4212机械手的各部分介绍423本章小结6第三章机械手的运动控制系统731NJ系列控制器7311NJ的特点7312NJ控制器的硬件与配置932NJ编程和运动控制指令13321NJ的指令和任务13322ETHERCAT15323运动控制16第四章基于NJ控制器的机械手设计2041系统的设计方案2042NJ控制器程序的编写和调试28421NJ控制器项目的创建28422正反解算法功能块的编写36423手动程序的编写和调试42423自动程序的编写和调试49424触摸屏机器人显示、极限功能块等其他功能的编写和调试5743触摸屏程序的编写和调试6243NS统合模拟与实际调试65第五章总结分析68参考文献69攻读学位期间的研究成果71致谢72学位论文独创性声明73学位论文知识产权权属声明73第一章绪论11课题的背景随着机器自动化水平的提高，对一线操作工人的操作技能要求越来越高，同时对操作工人的安全也造成了一定的威胁。工人对工作内容和工作环境的要求也越来越高，这对于一些循环往复以及自动化明显的工业环节来说机械手显得尤为重要，工业生产中机械手的投入不仅减少了对人身安全的威胁以及管理方面的投入，还大大提高了工作效率1。机械手是在自动化生产过程中发展起来的一种新型设备，能够自动完成指定的动作并且可以做多轴协调运动。随着电子技术尤其是计算机的普及和应用，生产和研发机器人已经成为新型的技术走向，这更加促进了机械手的发展。工业机械手是工业机器人的一个重要旁支，它的特点是可以通过编程完成各种指定的作业任务，在构造和性能上具有人和机器各自的特点，具有很高的智能性，使机械手能够更好的把机械化与自动化有机结合起来2。机械手在工业中的大量应用有利于提高材料的运输，零部件的装配以及机器的操作等自动化程度，借助运动控制器强大的工业处理能力以及组态软件的辅助能力，很容易实现工业的生产自动化，不仅可以提高产品的产量以及质量，而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、节约材料以及降低成本有着十分重要的意义3。12课题研究目的和意义随着机械手的应用越来越广泛，对机械手的技术要求也随之不断提高。从企业的角度看，机械手的普及有众多优点来增强竞争力1可以节约人工，减轻工人的工作劳力。用机械手抓取货物，既可以减少人力支出，排除了因品老产生的安全隐患，便于企业管理，又能保证质量。2提高工作效率，稳定产量。机器在维护良好的情况下可以日夜工作，是人力不可比的，保证了企业每日的产出量。3提升品质，回报快，精准的操作是机械手的一大特点，在没有失误并且大量生产的情况下必然使企业在竞争中立于不败之地。4绿色环保，节约资源，机械生产不会对环境造成意外的破坏。OMRON公司于2011年推出新产品NJ系列的可编程自动化控制器具有强大的硬件体系和软件体系，结合NS系列触摸屏控制机械手，使机械手的自动化强度和精度更上一层，凭借SYSMACNJ控制器的业界最高等级性能，可帮助企业有效缩短生产节拍时间，因而具有广泛的优越性。13国内外研究动态当今世界的机器人大国是我们的邻国日本，他既是工业机器人最大的制造国也是最大的消费国，1993年末全世界的机器人约有61万台，其中日本占60,美国占8，欧洲占17，俄罗斯和东欧占124，但其实美国才是工业机器人的发源地。美国联合控制公司与1958年生产出第一台机械手，拉开了工业机器人发展的序幕5。1962年联合公司与普曼公司合并成万能制动公司，专门生产工业机械手。同年美国机械铸造公司推出一种名为VERSATRAN的可做点位和轨迹控制的机械手，为机械手的发展奠定了重要的基础。喷漆、弧焊机器人也相继应用于工业生产当中，1978年美国UNIMATE公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种UNIMATIONVICARM型工业机械手，内置电子计算机进行装配作业6。日本的机器人的发展起步晚于美国，在十九世纪七十年代日本的劳动力出现短缺的问题，而且越来越严重，因此机器人在美国的诞生成为日本企业的福音。1967年日本川崎重工业公司首先从美国引进机器人及技术，建立生产厂房，并于1968年试制出第一台日本产UNIMATE机器人7。经过一段时间的发展，日本的机器人产业已经由汽车制造扩展到其他行业。1980年，政府的大力扶持和劳动力的缓解进一步促进了机器人的发展，这一年被称为日本的“机器人普及元年”，并且在1980年1990年的时间内日本的机器人发展达到顶峰状态。德国机器人的总数仅次于美国和日本，其智能机器人的研究和制造在世界上处于领先地位。美国的机器人供应商有很多，比如ADEPTTECHNOLOGE、AMERICANROBOT、EMERSOM。瑞典的ABB公司是世界上最大机器人制造公司之一，该公司在1974年研发了世界上第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料搬运。1975年生产出第一台焊接机器人。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域，意大利的COMAU公司从1978年开始研制和生产工业机器人，至今已有30多年的历史。日本的工业机器人代表企业有FANUC、安川、川崎、OTC、松下，他们在机器人行业都起着重要的作用。我国的机器人发展起步于70年代初期，其发展过程可分为三个阶段70年代的萌芽期；80年代的开发期；90年代的实用化器，经过20多年的发展已经初具规模。目前部分机器人的元器件已经研发并且投入使用，例如开发出弧焊、点焊、码垛、冲压、喷漆等工业机器人。国产的机器人已经应用到了各个企业中，并且掌握机器人技术的人才也不断涌出。部分科研机构已经掌握了机器人的相关资料和技术，并且某些关键技术已达到或接近世界水平。我国在十一五纲要中也体现出了对发展工业机器人的大力支持。“十五”期间机器人技术应重点开展智能机器人、机器人化机械机器相关技术的开发及应用；开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在“十五”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。14本文主要完成的工作本课题的研究依托于OMRON公司提供的的新产品NJ控制器，以双自由度的并联机械手为研究对象，分析研究了NJ控制器的运动控制特点、机械手的路径规划及控制系统等问题，建立数学模型并且编写程序来对小铁片进行抓取，达到在最短的时间内精确抓取最多的小铁片，使用编程软件SYSMACSTUDIO中3D仿真功能对路径规划进行仿真分析，最后使用实际设备进行调试分析，主要工作集中在介绍分析工业中用到的主流机械手，主要在各类机械手优缺点、工作场合等方面做了分析介绍。研究阐述了NJ控制器的的特点，重点介绍了NJ控制器的硬件和配置，对控制器的编程和指令进行了研究，给出了控制器跟普通PLC相比编程的优点。介绍控制系统的设计方案、组成系统的硬件设备和软件,分析了系统的控制原理，阐述建立的机械手模型进行算法的编写，为实现上位机的监控，设计编写触摸屏程序实现数据的实时监控和交换，编写运动控制程序控制外部硬件实现抓取物体的的动作，用数据仿真对轨迹进行监视和优化，使用NS统合模拟对系统进行仿真调试。最后进行了总结分析第二章工业生产中的机器人21机械手的组成和工作原理211机械手的工作原理机械手的系统工作原理如下图所示由图可知机械手主要由控制器、驱动系统、执行机构、位置传感器等部分组成8。控制器是整个机械手系统的核心，它通过控制程序采用气动或机械传动使执行机构按照相应的要求完成指定的动作，该动作是有规则、有轨迹以及有一定速度和时间的，并且可以使用组态软件比如触摸屏对机械手的运动进行监测，位置检测传感器随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统与设定的位置进行比较，随后通过控制器进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定的位置。212机械手的各部分介绍机械手的控制系统是支配着工业机械手按规定要求运动的系统，目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位或机械挡块定位系统组成9，本课题的机械手采用的是OMRON生产的NJ控制器，它控制着机械手按编写的程序运动相应的轨迹，完成快速抓取小铁片的动作，并记忆给予机械手的指令信息如动作速度时间、运动轨迹等。本课题还采用NS触摸屏对机械手进行监视，显示当前运动的轨迹、坐标速度等，并对抓取的小铁片进行计数。驱动系统是驱动机械手执行机构运动的，它由动力装置、调节装置和辅助装置组成，常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动，本课题采用OMRON生产的G5伺服系统作为驱动器。驱动系统控制系统传感器执行机构手部手臂手腕身体立柱图11机械手的系统工作原理图执行机构主要由手部、手腕、手臂和立柱等部件组成，有的机械手还增设行走机构。手部即是与物件接触的部件，根据与物件接触的形式不同可分为夹持式和吸附式，夹持式手部由手指和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。本课题采用的机械手部是一块电磁铁，当手部到达小铁片上方时，通过程序使电磁铁上电来吸取小铁片达到抓取的要求。手腕是连接手部和手臂的部件、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。手臂是支撑被抓物件、手部、手腕的重要部件，手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件如油缸、气缸、齿轮齿条机构等与驱动源如液压、气压或电机等相配合，以实现手臂的各种动作。立柱是支撑手臂的部件。机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，因此起支撑和连接的作用。位置检测装置也就是传感器，他将执行机构的实际位置实时的传给控制系统，并与设定的位置进行比较，通过控制器进行调整从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。22工业生产中的主流机械手当前工业中比较常见的机器人主要有一下几种1SCARASELECTIVECOMPLIANCEASSEMBLYROBOTARM，中文译名选择顺应性装配机器手臂是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人，也有人叫做水平关节型机器人。SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。这类机器人的结构轻便、响应快，比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。例如，快速将一件小物件从一条输送带移动到另一条输送带上并排列好。2直角坐标机器人，是在工业应用中能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机。其工作的行为方式主要是通过完成沿着X、Y、Z轴上的线性运动。此类机器人具有如下特点1多自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角。2自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行。3一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。4高可靠性、高速度、高精度。5灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。6可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。3串联式机器人，它是一个开放的运动链OPENLOOPKINEMATICCHAIN，其所有的运动杆件病没有形成一个封闭的结构链，串联式机器人的特点如下1工作空间大。2运动分析较容易3可避免驱动轴之间的耦合效应。4机构各轴必须独立控制，并且需搭配编码器与感测器用来提高机构运动时的精度。4并联式机器人，它和传统工业用串联机器人在应用上构成互补关系，它是一个封闭的运动链CLOSELOOPKINEMATICCHAIN，也是本课题的研究对象，与串联机器人相比具有以下特点1不易有动态误差，物累计误差，精度较高。2运动惯性小3结构紧凑稳定，输出轴大部分承受轴向压力，机器刚性高，承载能力大。4为热对称性结构设计，热变形量较小。5在位置求解上，串联机械正解容易，反解困难，而并联机械正解困难，反解容易。6工作空间小。7驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动能响应好。8完全对称的23本章小结工业机械手在现代工业中应用越来越广泛，也是企业提高竞争力的保障，本章介绍了机械手的原理以及各部分的组成分析，对工业中常用的机械手做了介绍分析。第三章机械手的运动控制系统一般机械手控制系统的控制器大多采用PLC，众所周知，PLC以高可靠性著称，其硬件芯片的选用相对保守。基于系统可靠性考虑，PLC并不像计算机那样总是采用最先进的芯片，而是选用那些经过考验证明为非常成熟、十分可靠的芯片10。随着机器自动化水平的提高，对运动控制的要求越来越高，而PLC解决复杂的运动控制任务时，需配置运动控制单元或位置控制单元，CPU单元要管理和协调这些高功能单元，由于PLC采用循环扫描工作方式，受扫描周期时间的限制，CPU单元与高功能单元交换信息时无法达到理想的高速度，而且控制程序编写较为麻烦，有一些精密、高速、复杂的运动控制尚无法完成。本课题的运动控制系统核心是OMRON针对目前PLC存在的问题从硬件体系和软件体系进行全新设计推出的最新的控制器NJ系列可编程自动化控制器，它从外观上看，是一台小普通的PLC如图31所示，但从内部的硬件结构上看，其配置相当于一台个人计算机。运动控制系统是以电动机位对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置、执行元件等为执行机构，在控制理论指导下组成的电气传动控制系统。随着计算机、电力电子等技术的迅猛发展，运动控制技术作为机电一体化的重要组成部分得到了迅猛发展，全球各大公司争相推出新产品、新技术，OMRON适应时代潮流推出的NJ控制器也是其中的一种，目前已经在各个行业得到大力的推广。31NJ系列控制器311NJ的特点NJ控制器凝聚了机器自动化所需要的各种高端功能，在查阅了大量资料的基础上总结主要有一下几点1继续保持PLC高可靠性的特点。OMRON与世界上著名的芯片生产厂商INTEL进行战略合作，由对方提供最先进的CPU等核心器件，构建于新型INTELATOM图31NJ系列可编程自动化控制器处理器之上，工作频率达到166GHZ，比较单片机的01GHZ的工作频率，两者显然不在一个档次上，并且集几十年生产PLC的专业经验，开发推出的NJ具有与CJ系列PLC相同的质量水平和系统鲁棒性11。能够高速执行用户程序，包括坐标修正、ST语言和功能块所需的双精度浮点算术指令，以及各种基本指令和特殊指令。2指令系统与国际标准IEC611313完全接轨,为了提高编程的生产性，实现了以变量为基础的编程，开发了与之相对应的指令体系。指令体系不再是欧姆龙独立自主的，而是遵循全球编程语言标准IEC611313和运动控制标准PLCOPEN的。NJ指令的执行速度远远高于目前的PLC，下表是NJ501与CJ2H以及B公司M公司生产的嵌入式PC的执行时间比较3将逻辑和运动整合于一个CPU中，用压倒性的高速化实现了高速、复杂、精密的运动控制12。传统PLC的运动控制功能是通过高功能单元实现的，PLC引擎和运动引擎从硬件上是分开的，而NJ是将两者集成到同一个硬件上，如图32所示。NJ的顺序控制和运动控制在同一个任务中按同一的时序执行，消除复杂握手和数据交换处理花费时间所引起的损失。由于PLC和运动控制的数据在同一时序里处理，可以改善数据跟踪的精度，也能实现数据跟踪的仿真。NJ取消了运动控制单元，通过在控制器里搭载的运动控制功能，达到比运动控制单元更好的性能。NJ借助高速ETHERCAT通信进行运动控制，最多可扩展到64轴伺服驱动13。ETHERCAT通信与I/O刷新同步进行，各从站节点间通过分布时钟功能达到1S内同步，ETHERCAT具有100MBPS超高速通信，可实现1MS周期的运动控制。表31执行时间比较表NJ501CJ2HM公司B公司LD指令19NS16NS95NS33NS实数指令26NS6000NS4300NS112NS运动检测16轴05MS2MS18MS05MSCPUMC/NCASICF/WKERNELASICF/WKERNELMPUMPUMCENGINEBUSIFRTOS实时操作系统PROCESSORPLCENGINECPU图32运动控制比较A传统PLCBNJ控制器4丰富的通信与网络功能。同步控制所有机器网络设备视觉传感器、伺服驱动器以及与机器控制网络ETHERCAT连接的各种现场设备，使PLC引擎和运动引擎与ETHERCAT控制周期保持同步，得以实现快速、高精度控制14。利用NJ控制器自身内置的ETHERCAT端口和ETHERNET/IP端口，更容易的搭建ETHERCAT网和ETHERNET/IP网。利用ETHERCAT通信还能对远程I/O进行控制，因此具有现场总线的作用。并且上位计算机、人机界面和NJ控制器可以组成标准的ETHERNET/IP网络。5完备而强大的机器自动化具备高速控制性能以及工业控制器的各项基于变量的指令，能够在055环境温度下免风扇运行。具有完备的RAS功能传送帧错误检测、超时监控、总线诊断、看门狗WDT、等，取得了韩国KC认证15。6功能强大的平台软件SYSMACSTUDIO。在软件全新构建的基础上开发的编程软件集成了机器自动化需要的各种功能，如设置、编程、调试、和维护等。312NJ控制器的硬件与配置机器自动化控制机器NJ系列是一款新型的的控制器，可提供控制所需的各项功能和高速处理能力，以及工业控制器所特有的安全性、可靠性和可维护性最多可达64轴16，是大规模、高速度、高精度控制的理想选择。NJ控制器的CPU单元构建于构建于新型INTELATOM处理器之上，工作频率能达到16GHZ，NJ系列的CPU单元规格如下表32所示NJ系列的CPU单元如图33所示表32NJ系列的CPU单元规格型号I/O容量/配置单元的最大数量（扩展机架的最大数量）程序容量变量的内存容量运动轴的数量NJ50113002560点/40单元（3个扩展机架）20MB2MB断电保持4MB断电不保持16NJ501140032NJ5011500641CPU单元运行指示灯的组成和含义通过电源单元和CPU单元前面板上的指示灯如PWR、RUN、和ERROR，可以检查CPU单元的运行状态，如用户程序执行状态、与SYSMACSTUDIO或PT的通信状态；如果出现错误，确定是哪一个级别的错误。当指示灯RUN常亮时表示是正常运行的，反之表示有故障，RUN指示灯闪烁时的故障分析如下表33所示红色的ERROR灯亮时表示重大错误级的控制器错误或者CPU错误WDT错误，灯不亮表示CPU单元处于正常状态，当出现局部错误级或者轻微错误级时灯将会以1S的间隔闪烁。黄色的BUSY灯闪烁时表示内置非易失性存储器访问正在进行。当BUSY指示灯闪烁时，不要断掉控制器的电源。CPU单元的用户程序和设置正在内置的内存中后备。如果停电会导致数据不能进行后备，下一次控制器启动时，会出现重大错误级的控制器故障，运行停止。SD卡指示灯含义如表34所示USB端口内置ETHERNET/IP端口内置ETHERNET/IP端口运行指示灯单元连接器ID信息标签内置ETHERCAT端口内置ETHERCAT端口运行指示灯DIN轨道安装卡扣滑扣SD内存卡连接器CPU单元运行指示灯SD内存卡电源开关DIP开关电池连接器电池图33NJ系列的CPU单元表33RUN指示灯含义状态含义闪烁3S间隔出现不正确供电单元连接错误。CJ系列供电单元连接在CPU机架上。CPU单元不运行并且错误指示灯亮。闪烁1S间隔CPU单元启动启动时进入RUN模式或PROGRAM模式。如果正在访问SD内存卡时（SDBUSY指示灯闪烁时），不能断电或移走SD内存卡。否则会产生严重错误如数据可能会损坏，控制器使用损坏的数据会导致不正确的运行。如果在CPU单元供电时要从CPU单元上移走SD内存卡，需按下SD内存卡供电电源开关直到SDPWR指示灯灭后，才能移走SD内存卡。控制器中的电池作用是断电保护。在电源断电后，NJ中具有保持属性的变量的值如CJ系列单元H、DM和EN区的字，某些系统定义变量以及事件日志等会保持断电前的值。型号为CJ1WBAT01，使用寿命5年。DIP开关不能够对控制器的用户程序进行写保护。如果需要的话必须从SYSMACSTUDIO的CPU单元的“保护设置/启动写保护设置”设置写保护。通常情况下，CPU单元的DIP开关置为OFF17。2电源单元控制器有两种电源单元类型一种电压为100240VAC的交流供电，型号为NJPA3001；另一种电压为24VDC直流供电，型号为NJPD300118。NJ系列的CPU机架或扩展机架只能使用NJ系列的电源单元其他系列的不能使用，这两种电源单元为CPU机架或扩展机架提供5VDC，还提供24VDC，它们的输出功率都是30W。3CJ系列基本I/O单元CJ系列的基本I/O单元和高功能单元能够被NJ控制器的CPU单元使用。高功能单元是指特殊I/O单元和CPU总线单元，能够被CPU单元使用的比如CJ系列的A/D、D/A、温度控制、ID传感器和高速计数等单元等，能够使用的CPU总线单元包括CJ系列的串行通信单元和DEVICENET单元等，以下是几种CJ系列的I/O单元。4B7A接口单元B7A为11传输路径，不需要主站。它的接口单元型号为CJ1WB7A，是CJ系列基本I/O单元，使用B7A传输路径能够与B7A链接端子交换多达64点的表34SD卡指示灯含义指示灯颜色状态含义SDPWR绿色亮正在为SD内存卡供电，SD内存卡可以使用。闪烁SDBUSY黄色不亮停止为SD内存卡供电，SD内存卡没有安装，或安装的SD内存卡的文件格式不支持。亮正在访问SD内存卡。不亮没有访问SD内存卡。I/O数据。B7A接口单元和B7A链接端子可以像标准的基本I/O单元和I/O端子一样使用，不需要担心通信问题。当使用多个远程传感器或执行器时，这种用法显著减少了配线。表35为B7A接口单元规格。5CJ系列的I/O控制单元和I/O接口单元CJ系列I/O控制单元和I/O接口单元作用是用于CPU机架与扩展机架的连接，进行系统扩展12。I/O控制单元型号为CJ1WIC101，如图34所示。I/O接口单元型号为CJ1WII10，如图35所示。I/O控制单元紧靠在CPU单元的右侧安装在CPU机架上，每个CJ扩展机架都需要一个接口单元。6SD内存卡OMRON内存卡，型号HMCSD291，容量为2GB，格式FAT16，写入次数为100000次，在程序中使用指令能够读写SD内存卡中的文件。在ETHERNET/IP网络中，FTP客户端可以读写SD内存卡中的文件。表35B7A接口单元规格B7A接口单元规格分配给单元的I/O字可连接的B7A链接端子CJ1WB7A1464点输入（4个B7A端口）4个输入字输入4个16点输入端子，2个32点输入端子，或2个16点的输入端子和一个32点输入端子CJ1WB7A0464点输出（4个B7A端口）4个输出字输出4个16点输出端子或2个32点输出端子CJ1WB7A2232点输入，32点输出（4个B7A端口）2个输入字2个输出字输入2个16点输入端子或一个32点输入端子输出2个16点输出端子或一个32点输出端子或2个混合I/O端子（16输入/16输出）输出连接器图34CJ1WIC101I/O控制单元输出连接器输入连接器图35CJ1WII101I/O接口单元内存卡上有一个写保护开关，当开关置于LOCK位置时，不能对其进行写操作，这样可以防止不正确的内容覆盖。7CPU及扩展机架NJ的CPU机架由NJ系列电源单元、NJ系列CPU单元、CJ系列配置单元、I/O控制单元、和端盖组成。CJ系列配置单元包括CJ系列基本I/O单元、特殊I/O单元和CPU总线单元19。机架如图36所示32NJ编程和运动控制指令321NJ的指令和任务NJ具有丰富的指令系统，并且遵循全球编程语言标准IEC611313和运动控制标准PLCOPEN，不在是OMRON特有的指令系统，根据功能可分为梯形图指令、ST指令、顺序输入输出指令等。NJ指令的表示不同于以往OMRON生产的PLC指令，而是使用用功能（FUN）或功能块（FB）表示20。两者最明显的不同是功能（FUN）没有名字，但是功能块（FB）必须要有名字，前者的编程内容只能使用简单的逻辑语言，但是功能块的编程内容除了逻辑语言外还可以有定时器、计数器等功能，功能可从程序、功能块和功能调用，但是功能块只能从程序和功能块调用21。在CPU单元中，任务用来为I/O刷新和用户程序等一系列过程分配执行的条件和执行的顺序。CPU与CJ系列基本I/O单元、特殊单元和ETHERCAT从站交换I/O数据称为I/O刷新。任务总是周期性的循环执行。根据执行条件和执行优先级，任务分为主周期任务和周期任务。任务周期即是CPU单元执行主周期任务或周期任务的时间。1主周期任务图36NJ的CPU机架NJ系列电源单元NJ系列CPU单元CJ系列配置单元端盖SD内存卡配置单元（最多10个）I/O控制单元主周期任务具有最高的优先级。每次循环执行时，主周期任务总要执行一次。并且总是在设定的周期时间内执行。运动控制和ETHERCAT通信都是在主周期任务里执行。主周期任务的任务周期可以设定为500S、1MS、2MS或4MS22。主周期任务只有一个，其执行优先级最高，固定为4。2周期任务周期任务的执行优先级比主周期任务低。它是在主周期任务执行的间隔之间空余的时间内执行。它的任务周期设定为主周期任务的整数倍并且周期性执行。周期任务有3个，优先级分别为16、17或1823。一个任务可以分配1128个程序。程序按照分配的顺序执行。主周期任务和周期任务在执行时，处理的内容是有区别的，如表36所示I/O刷新可以分配给主周期任务或优先级16周期任务，运动控制总是分配给主周期任务。优先级16周期任务不能执行运动控制。优先级17或18周期任务只能执行用户程序，不能进行I/O刷新和运动控制。3任务执行的优先级优先级最高的任务被CPU单元优先执行，CPU总是首先执行具有最高的执行优先级的主周期任务。当一个任务正在执行时，另一个优先级高的任务的执行条件满足，则这个优先级高的任务被赋予了执行优先权24。周期任务有三个执行优先级，如图37所示。322ETHERCAT表36主周期任务和周期任务处理内容对比周期处理内容主周期任务I/O刷新、用户执行程序、运动控制优先级16的周期任务I/O刷新、用户执行程序优先级17或18的周期任务用户执行程序图37周期任务执行优先级主周期任务优先级16周期任务优先级17周期任务优先级18周期任务执行优先级063低高任务数目4固定16171810或10或10或1ETHERCAT（ETHERNETCONTROLAUTOMATIONTECHNOLOGY）是一种基于ETHERNET的高性能工业网络系统，具有更快捷、更高效的通信功能。具有100MBPS超高速通信功能与ETHERNET有极高的兼容性25。在NJ中有内置的ETHERCAT端口，使用COE协议通过ETHERCAT网络与从站交换信息，因为NJ中的ETHERCAT通信周期与CPU单元处理周期同步，所以为运动控制和顺序控制提供了稳定的周期，并且通过设备变量访问数据，这样不用考虑普通PLC访问数据时的地址问题26，NJ的ETHERCAT网络配置如图38示。ETHERCAT主站的作用是管理整个网络，监测从站并且与之交换数据27，它有一个输出端口。其作用是把ETHERCAT的数据传送到其它设备，输出端口连接另一台设备输入端口才能进行数据交换，如果连接到另一台设备的输出端口则会出现数据交换错误。每个ETHERCAT从站输出接收到的ETHERCAT主站输出的数据，并也可以与之进行数据交换。最多可以由192个从站节点，从站的节点地址在1192之间，每个从站对应一个节点地址。323运动控制图38NJ的ETHERCAT网络配置SYSMACSTUDIONJ系列CPU单元ESI文件通信电缆输入端口输出端口ETHERCAT连接从站内置ETHERCAT端口I/O电源数字I/O从站单元伺服驱动通信单元变频器模拟I/O从站单元ETHERCAT连接从站单元电源NJ的CPU单元内置了一种软件模块，称为运动控制功能模块MOTIONCONTROLFUNCTIONMODULE，简称MC功能模块。通过内置在CPU单元上的ETHERCAT端口，MC功能模块可完成多达64轴的运动控制。用户程序中的运动控制指令完成对ETHERCAT从站的伺服驱动和其他设备的运动控制28。在运动控制系统中，控制对象称为轴。它可以是实际的伺服驱动或编码器，也可以是在SYSMACSTUDIO中建立的虚拟的伺服驱动或编码器，在下章程序的编写中会做详细研究。MC功能模块支持的轴类型如表37所示。轴组由多个轴组成，它用来完成比较复杂的动作，例如直线插补或圆弧插补。轴组变量也是在SYSMACSTUDIO中设置，最多可以建立32个轴组，每个轴组最多4个轴。在控制系统中的坐标系的建立是利用NJ运动控制中轴组的线性插补MC_MOVELINEAR和圆弧插补MC_MOVECIRCULAR2D线性插补MC_MOVELINEAR指令梯形图如图39所示，它的功能是完成2到4轴的直线插补。从图中可以看出需要输入的变量是轴组、位置、速度、加减速度以及BUFFERMODE，直线插补即是将插补运动分解为各个轴的运动，图310是从A点到AXESGROUPDONEBUSYACTIVECOMMANDABORTEDERRORERRORIDMC_GROUPLINEAR_INSTANCEAXESGROUPEXECUTEPOSITIONVELOCITYACCELERATIONDECELERATIONJERKCOORDSYSTEMBUFFERMODETRANSITIONMODEMOVEMODEMC_GROUPLINEAR图39MC_MOVELINEAR指令的梯形图表37轴类型轴类型说明伺服轴ETHERCAT从站伺服驱动使用的轴。它们被分配给实际的伺服驱动。一个伺服电机使用一个轴。虚拟伺服轴虚拟轴只存在于MC功能模块内，实际的伺服驱动不使用它们。例如，用它们作主轴来进行同步控制。编码器轴编码器轴使用ETHERCAT从站编码器输入终端。编码器轴分配给实际的编码器输入终端。如果一个编码器输入终端包含两个编码器输入，每个编码器输入起一个轴的作用。虚拟编码器轴这些轴用作虚拟编码器操作。在没有实际编码器时，虚拟编码器轴可临时顶替编码器轴。B点的两轴直线插补，图中轴A0、轴A1是逻辑轴，不是轴号29。MC_MOVECIRCULAR2D指令的梯形图如图311所示。它的功能使完成两轴的2D圆弧插补21。圆弧插补指令是机械手程序中使用次数较多的功能块，需要注意的是路径的选择和方向的选择，在下一章中会详细说明，路径选择选择中心点的方式进行圆弧插补，因为往复循环，所以方向抓取的时候是有正方向和负方向的区别，在编写程序时需要注意。表38所示是插补指令的主要输入变量。轴A1运动TDTA轴A0运动TATDFA0LA0FLLA1BYFA1XA图310直线插补AXESGROUPDONEBUSYACTIVECOMMANDABORTEDERRORERRORIDMC_MOVECIRCULAR2D_INSTANCEAXESGROUPEXECUTECIRCAXESCIRCMODEAUXPOINTENDPOINTPATHCHOICEVELOCITYACCELERATIONDECELERATIONJERKCOORDSYSTEMBUFFERMODETRANSITIONMODEMOVEMODEMC_MOVECIRCULAR2D图311MC_MOVECIRCULAR2D指令的梯形图当轴运行时，可以执行同一条运动控制指令的多个例程。这个功能被定义为BUFFERMODE缓冲模式，在MC功能模块中有时称之为指令的MULTIEXECUTION多次执行。在实际的应用中使用此功能可以按顺序去多次执行运动控制指令，而无需停止整个运行。可以为运动控制指令设置BUFFERMODE缓冲模式选择输入变量，表39列出了6种缓冲模式。表38MC_MOVECIRCULAR2D指令的主要输入变量名称含义数据类型取值范围缺省值说明CIRCAXES园弧轴ARRAY0,1OFUINT030指定圆弧插补的轴0轴A01轴A12轴A23轴A3CIRCMODE圆弧插补模式_EMC_CIRC_MODE0_MCBORDER1_MCCENTER2_MCRADIUS0指定圆弧插补的方法0边界点1中心2半径AUXPOINT辅助点ARRAY0,1OFLREAL负数，正数或00指定边界点，中心或半径。单位是命令单位ENDPOINT终点ARRAY0,1OFLREAL负数，正数或00指定目标位置单位是命令单位PATHCHOICE路径选择_EMC_CIRC_PATHCHOICE0_MCCW1_MCCCW0指定路径方向0CW1CCWCOORDSYSTEM坐标系统_EMC_COORD_SYSTEM0_MCACS0指定坐标系统0轴坐标系统（ACS）BUFFERMODEBUFFER模式选择_EMC_BUFFER_MODE0_MCABORTING1_MCBUFFERED2_MCBLENDINGLOW3_MCBLENDINGPREVIOUS4_MCBLENDINGNEXT5_MCBLENDINGHIGH0当执行一条以上的运动指令时，指定操作0ABORTING1BUFFERED2BLENDWITHLOW3BLENDWITHPREVIOUS4BLENDWITHNEXT5BLENDWITHHIGHTRANSITIONMODE过渡模式_EMC_TRANSITION_MODE0_MCTMNONE10_MCTMCORNERSUPERIMPOSE0指定运动路径0过渡禁用10叠加拐弯MOVEMODE移动模式_EMC_MOVE_MODE0_MCABSOLUTE1_MCRELATIVE00绝对定位1相对定位对枚举体变量，实际指定时用枚举体的元素，不用它对应的数值。每一个轴只能有一条多次执行指令被缓冲。作为单轴运行的多轴，不能进行多轴协调控制指令（轴组指令）的多次执行。同样，不能将单轴控制指令的多次执行用到处于多轴协调控制下的各个轴。如果违反这些规则，会出现指令错误。表39缓冲模式缓冲模式操作说明ABORTING（中止）当前指令中止，多次执行的指令被执行BUFFERED（缓冲）当前指令的操作正常结束后，缓冲指令才被执行BLENDING（混合）当前指令的目标位置达到后，缓冲指令才被执行。该模式下，当前指令和缓冲指令之间的执行不停止。当前指令达到目标位置时，可以选择以下的过渡速度BLENDINGLOW（LOWVELOCITY）过渡速度设置为当前指令和缓冲指令的目标速度中最低的一个BLENDINGPREVIOUS（PREVIOUSVELOCITY）当前指令的目标速度用作过渡速度BLENDINGNEXT（NEXTVELOCITY）缓冲指令的目标速度用作过渡速度BLENDINGHIGH（HIGHVELOCITY）过渡速度设置为当前指令和缓冲指令目标速度中最高的一个第四章基于NJ控制器的机械手设计41系统的设计方案本课题所选被控对象为两自由度并联机械手，两自由度并联机械手具有平稳，准确，快速等优点，在食品加工，包装，物流等各行业使用非常广泛，因此选用该装置作为本次比赛地被控对象，选用NJ501作为控制器，可以很好地体现NJ的高速高精度特点。该装置由两个伺服电机安装在静平台上，带动主动臂动作，主动臂连接从动臂动作，从而控制动平动盘的移动。机械手各部分组成如下图所示机械动作流程如图42所示，机械的机动性与人体骨骼动作流程类似，动作如果不流畅的或者有异声时则应该对机构进行检查，在初次建立原点后则不应该手动调节平衡杆，否则会影响动作准确度，由于机械手可以高速运行，使用时需要注意安全。电机旋转联轴器动从动臂动平衡杆调节平动盘动铁片移放电磁铁吸收图42机械单次动作流程图完成平衡杆主动臂减速机从动臂平动盘电磁铁放置B/C点铁片托盘障碍物小铁片放置A点铁片托盘图41机械手各部分组成图设备在出厂时或者移动后，会发现平动盘不是水平位置，这时在控制放置铁片时会产生位置差异，不能准确放置在目标点，这就需要对机械手进行微调以实现较好的控制27。机械手电气网络结构如下图所示系统的控制器采用NJ5011300型号机器自动化控制器，使用ETHERNET连接计算机与触摸屏，ETHERCAT来连接伺服驱动，系统采用DELTA型号机械手。1NJ控制器控制的DELTA机械手具有很多优点。11台NJ控制器最多可以实现控制8台3轴并联机械手，如图44所示，普通的机械手控制系统控制多台机器人需要多个控制器，NJ控制器具有强大的运动控制功能，在1MS的控制周期最多可控制4台机械手，大大缩减了用于购买普通控制器的支出，增强企业竞争力。ETHERNET/IPETHERCATR88DKN04HECTZPC用与控制和监视NS8TN01R88MK4003HS2ZR88MK40030HS2ZR88MK40030HS2Z机械手图43电气网络结构图NJ5011300最多8台3轴并联机械手图44NJ控制机械手示意图NJ控制器2通过一种语言即可实现机器的全部控制。通过PLC控制用的IEC611313、梯形图和ST语言即可实现机修手的控制，不必像普通机械手还需要同时学习控制器语言和机器人语言，因为语言得到了统一，从开发到维护角度来说，生产性和维护性都大大提高。3通用控制器和伺服就可实现并联机械手的控制，如图45所示。不同规格的并联机器人的机械均可实现系统以及编程的统一，系统构成统一，不会产生由于多个机器人而引起的设置空间烦恼。4普通运动控制和机器人控制均通过一个控制器控制。如图46所示，在同一个生产线上控制器可以完成不同的控制，相比于其他控制系统而言不仅提高了生产效率，而且减少了财政支出。5和机器控制相关周边产品连接的良好表现。如图47所示，通过高速网络ETHERCAT可实现多个机器人间同步吸着动作的节拍控制。通过统一的网络完成视觉和机器人控制，从输入到动作实现高速应答。图46NJ控制器在生产线上的应用生产线包装机制卸通过并联机构机器人进行PICKPLACE作业NJ控制器A社机械手B社机械手视觉传感器G5伺服G5伺服G5伺服NJ控制器图45NJ控制器控制机械手ETHERCATC社机械手2系统的工作流程初始状态时A点有10个铁片，B、C两点没有铁片