CN101870025A - 基于opc协议的三割炬切割机器人控制系统及控制方法 - Google Patents

基于opc协议的三割炬切割机器人控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于OPC协议的三割炬切割机器人控制系统，它包括工控机、PLC控制器、伺服电机、氧气电磁阀，工控机设置有OPC客户端，PLC控制器设置有OPC服务器端，OPC客户端通过向OPC服务器端写入和读取指令，来控制三割炬切割机器人运动，并进行三割炬火焰切割。本发明三割炬切割机器人控制系统基于OPC协议进行信息交互，一方面保证了控制的精度，另一方面使得机器人的动作更加智能化，具有较大的推广应用价值。

Description

基于OPC协议的三割炬切割机器人控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及切割机器人领域，具体涉及到一种基于OPC协议的三割炬切割机器人控制系统及控制方法。
背景技术
随着计算机、微电子、通信和网络技术的发展，工业控制领域也发生着深刻的变化。智能仪表在工业现场的大量采用，提供了以前无法得到的大量信息，这就存在着计算机内部应用程序对现场信息的共享和交互问题。OPC(OLE forProcess Control——用于过程控制的OLE)技术是一种广泛应用于工业数据采集方式，它是一种应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。
OPC协议是一个工业标准，是基于Microsoft公司的Distributed internetApplication(DNA)构架和Com--ponent Object Model(COM)技术的。根据易于扩展性而设计的。OPC规范定义了一个工业标准接口，这个标准使得COM技术适用于过程控制和制造自动化等应用领域。OPC数据访问规范提供两种接口：自定义接口(Custom Interfaces)、自动化接口(Automation Interfaces)。OPC基金会通过制定标准的接口来实现OPC客户程序开发以及和多个厂家生产的带有OPC接口的服务器之间的通信。一个OPC服务器由三个对象组成：服务器(Server)，组(Group)，项(Item)，依次呈包含关系。
OPC服务器对象用来提供关于服务器对象自身的相关信息，并且作为OPC组对象的容器。OPC组对象用来提供关于组对象自身的相关信息，并且作为OPC项的容器，提供组织和管理项的机制，在一个SERVER中，可以有若干个组，并可以设置每个组对象的死区，刷新频率，需要组织的项等。OPC项代表了OPC服务器到数据源的一个物理连接，数据项是读写数据的最小逻辑单位。一个OPC项不能被OPC客户程序直接访问，因此在OPC规范中没有对应于项的COM接口。所有与项的访问需要通过包含项的OPC组对象来实现。在一个组对象中，客户可以加入多个OPC数据项。每个数据项包括3个变量：值(Value)、品质(Quality)和时间戳(Time Stamp)。数据值是以VARIANT形式表示的。
OPC在工业上的应用，包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司。不论过程中采用什么软件或设备，OPC为多种多样的过程控制设备之间进行通信提供了公用的接口。正是由于OPC的种种优点，目前相关专利也对基于OPC协议的数据采集、工控等系统进行了研究。这些专利都集中在仪表的数据采集和在INTERNET上的应用，但是在焊接切割机器人领域却一直得不到应用，本申请正是基于问题而进行的设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制更加灵活、智能化的基于OPC协议的三割炬切割机器人控制系统及其控制方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于OPC协议的三割炬切割机器人控制系统，它包括，
伺服电机，所述的伺服电机用于驱动三割炬切割机器人进行空间运动，包括用于驱动切割机器人在X轴方向运动的X轴伺服电机、用于驱动切割机器人在Y轴方向运动的Y轴伺服电机、用于驱动切割机器人在Z轴方向上的Z轴伺服电机以及用于驱动切割机器人在Z轴方向旋转的旋转轴伺服电机，所述的X轴、Y轴、Z轴定义为在空间上两两相垂直的直线；
电磁阀，所述的电磁阀用于控制切割机人各送气管开关状态以进行切割动作，包括与穿孔氧气送气管相连接的穿孔氧电磁阀、与切割氧气送气管相连接的切割氧电磁阀、用于控制气压的低压氧电磁阀和高压氧电磁阀；
PLC控制器，其与所述的各伺服电机和各电磁阀相通信连接，所述的PLC控制器用于向伺服电机和电磁阀输入控制指令以进行相应的动作；
工控机，其与所述的PLC控制器通过OPC协议进行信息交互，所述的工控机设置有OPC客户端，所述的PLC控制器设置有OPC服务器端，所述的工控机通过OPC客户端向PLC控制器的OPC服务器端写入和读取指令以实现对三割炬切割机器人切割过程的控制。
本发明还提供了对上述基于OPC协议的三割炬切割机器人控制系统的控制方法，它包括如下步骤：
(a)、建立连接步骤：所述的工控机通过OPC客户端向PLC控制器的OPC服务器端发送使能信号，所述的OPC服务器端对接收的信号进行响应；
(b)、切割参数设定步骤：根据待切割物的大小、形状、材质以及切割机器人的初始位置情况设定切割机器人各轴点动值、各轴应移动值以及各电磁阀的开关值进行设定；
(c)、轴点动步骤：上电启动工作，所述的OPC客户端向所述的OPC服务器端写入各个轴点动值，所述的OPC服务器端读取信息并通过PLC控制器转换成相应的能够驱动各伺服电机运转的电信号，从而使得机器人各轴移动到相应的位置，进入步骤；
(d)、切割步骤：所述的OPC客户端向所述的OPC服务器端写入设定的切割过程中机器人各轴应移动值，所述的OPC服务器端依次读取信息并转换成相应的能够驱动各伺服电机运转的电信号，从而实现机器人的移动，同时，所述的PLC控制器同时通过OPC服务器端接收各电磁阀的开关值，所述的低压氧电磁阀与高压氧电磁阀先受驱动进行点火预热，接着所述的穿孔电磁阀受驱动进行穿孔定位，然后所述的切割电磁阀受驱动配合机器人的移动以实现切割作业。
由于上述技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明三割炬切割机器人控制系统基于OPC协议进行信息交互，一方面保证了控制的精度，另一方面使得机器人的动作更加智能化，具有较大的推广应用价值。
附图说明
附图1为本发明切割机器人控制系统实现原理框图；
附图2为本发明切割机器人控制系统控制方法总流程图；
附图3为本发明控制方法中写入各轴移动值中断控制流程图；
附图4为本发明控制方法中写入各电磁阀开关值中断流程图；
其中：1、伺服电机；11、X轴伺服电机；12、X轴伺服电机；13、Y轴伺服电机；14、Z轴伺服电机；15、旋转轴伺服电机；2、电磁阀；21、穿孔氧电磁阀；22、切割氧电磁阀；23、低压氧电磁阀；24、高压氧电磁阀；3、PLC控制器；31、OPC服务器端；4、工控机；41、OPC客户端；
具体实施方式
下面结合附图对本发明优选实施例进行详细说明：
如图1所示的三割炬切割机器人控制系统，其主要包括工控机4、PLC控制器3、与PLC控制器5相控制连接的用于驱动机器人进行空间运动的驱动机构以及用于控制切割过程的多个电磁开关，其中，工控机4与PLC控制器3之间通过OPC协议进行数据通信，具体地，在工控机4上设置有OPC客户端41，在PLC控制器3上设置有OPC服务器端31，通过OPC客户端41与OPC服务器端31的通信，实现工控机4对PLC的读写控制。工控机4还设置有人机界面42，本实施例中，人机界面42采用五线电阻式型触摸屏，通过该通过触摸屏来进行切割过程的操作与控制。
所述的驱动机构主要由控制机器人进行空间各方向运动的伺服电机1以及用于驱动伺服电机的驱动器构成，具体地，伺服电机1主要包括用于驱动机器人在X轴方向移动的两个X轴伺服电机11、12，用于驱动机器人在Y轴方向移动的Y轴伺服电机13、用于驱动机器人在Z轴方向移动的Z轴伺服电机14以及用于驱动机器人在Z轴方向进行旋转的旋转伺服电机15，上述X轴、Y轴、Z轴定义为空间上两两相垂直连接的直线。各伺服电机的输入端分别连接有一驱动器，驱动器与PLC控制器3之间相串口通信连接。
所述的电磁开关主要为电磁阀，本实施例中，电磁阀2有多个，其主要包括与机器人穿孔氧气送气管相连接的穿孔氧电磁阀21、与切割氧气送气管相连接的切割氧电磁阀22、用于控制气压的低压氧电磁阀23和高压氧电磁阀24，通过控制各电磁阀的开关时间控制与各送气管相连接的气体喷嘴气流量的大小，从而控制切割的过程。
本发明还提供了对上述控制系统进行控制的方法，如图2所示，其主要包括如下步骤：
(a)、建立连接步骤：所述的工控机4通过OPC客户端41向PLC控制器3的OPC服务器端31发送使能信号，所述的OPC服务器端31对接收的信号进行响应；
(b)、切割参数设定步骤：根据待切割物的大小、形状、材质以及切割机器人的初始位置情况设定切割机器人各轴点动值、各轴应移动值以及各电磁阀的开关值进行设定；
(c)、轴点动步骤：上电启动工作，所述的OPC客户端41向所述的OPC服务器端31写入各个轴点动值，所述的OPC服务器端31读取信息并通过PLC控制器3转换成相应的能够驱动各伺服电机运转的电信号，从而使得机器人各轴移动到相应的位置，进入步骤(d)；
(d)、切割步骤：所述的OPC客户端41向所述的OPC服务器端31写入设定的切割过程中机器人各轴应移动值，所述的OPC服务器端31依次读取信息并转换成相应的能够驱动各伺服电机运转的电信号，从而实现机器人的移动，同时，所述的PLC控制器3同时通过OPC服务器端31接收各电磁阀的开关值，所述的低压氧电磁阀23与高压氧电磁阀24先受驱动进行点火预热，接着所述的穿孔电磁阀21受驱动进行穿孔定位，然后所述的切割电磁阀22受驱动配合机器人的移动以实现切割作业。
在切割过程中，该方法还包括写入各轴移动值中断控制步骤以及写入各电磁阀开关值中断步骤。其中，写入各轴移动值中断步骤过程如图3所示，当OPC服务器端接收到中断写入各轴移动值的指令后，所述的PLC控制器先中断写入切割氧电磁阀值，然后再关闭预热氧电磁阀值，停止切割并下电；写入各电磁阀开关值中断控制步骤如图4所示，当OPC服务器接收到中断写入各电磁阀开关值的指令后，所述的PLC控制器判断各轴移动值是否完全写入，若是，则直接停止切割并下电；若否，则继续写入各轴移动值，再停止切割并下电。
下面将对上述流程具体实现进行详细说明：
当需要进行切割作业时，首先要进行工控机与PLC控制器的通信连接，也就是要进行OPC客户端与OPC服务器端的连接，本实施例中，OPC客户端首先向OPC服务器端发送一个25Hz矩形使能脉冲，然后OPC客户端对OPC服务器端20ms写一次。OPC服务器端采用频率为25Hz矩形脉冲进行检测，从而触发响应，建立连接。
当工控机与PLC建立连接后，就可进行机器人运动的控制，首先OPC客户端登录到服务器端，控制上、下电实现伺服电机松抱闸，然后通过OPC客户端向OPC服务器端写入机器人各轴应点动值，使各个轴移动到相应的位置。此过程中，OPC客户端和OPC服务器端20ms连接一次，当点动值读写完成后，OPC客户端向OPC服务器写入运动指令，OPC客户端将X轴移动值写入到OPC服务器端，实现机器人在X方向的移动距离。OPC客户端将Y轴值写入到OPC服务器端，实现机器人在Y方向的移动距离。OPC客户端将Z轴值写入到OPC服务器端，实现机器人在Z方向的移动距离。OPC客户端将旋转轴值写入到OPC服务器端，实现机器人在Z方向的旋转。该过程中，OPC客户端和OPC服务器端20ms写入一次。
OPC客户端和OPC服务器端连接控制燃气电磁阀控制的实现过程为：由于切割机器人在切割时，首先要进行点火，所有首先写入开关指令，来控制机器人点火装置的开关。然后，写入控制加热氧电磁阀的开关指令，来控制低加热氧电磁阀开关。接着，对高加热氧电磁阀开关进行控制。由于三割炬切割机器人有三个切割枪，点火后首先穿孔，然后才能切割，因此，最后依次通过写入控制穿孔氧电磁阀以及切割氧电磁阀开关指令来控制其穿孔氧电磁阀和切割氧电磁阀开关。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于OPC协议的三割炬切割机器人控制系统，其特征在于：它包括，
伺服电机(1)，所述的伺服电机(1)用于驱动三割炬切割机器人进行空间运动，包括用于驱动切割机器人在X轴方向运动的X轴伺服电机(11、12)、用于驱动切割机器人在Y轴方向运动的Y轴伺服电机(13)、用于驱动切割机器人在Z轴方向上的Z轴伺服电机(14)以及用于驱动切割机器人在Z轴方向旋转的旋转轴伺服电机(15)，所述的X轴、Y轴、Z轴定义为在空间上两两相垂直的直线；
电磁阀(2)，所述的电磁阀(2)用于控制切割机人各送气管开关状态以进行切割动作，包括与穿孔氧气送气管相连接的穿孔氧电磁阀(21)、与切割氧气送气管相连接的切割氧电磁阀(22)、用于控制气压的低压氧电磁阀(23)和高压氧电磁阀(24)；
PLC控制器(3)，其与所述的各伺服电机(1)和各电磁阀(2)相通信连接，所述的PLC控制器(3)用于向伺服电机(1)和电磁阀(2)输入控制指令以进行相应的动作；
工控机(4)，其与所述的PLC控制器(3)通过OPC协议进行信息交互，所述的工控机(4)设置有OPC客户端(41)，所述的PLC控制器(3)设置有OPC服务器端(31)，所述的工控机(4)通过OPC客户端(41)向PLC控制器(3)的OPC服务器端(31)写入和读取指令以实现对三割炬切割机器人切割过程的控制。
2.根据权利要求1所述的基于OPC协议的三割炬切割机器人控制系统，其特征在于：所述的工控机(4)设置有人机界面(42)，通过所述的人机界面(42)设定和输入控制信息。
3.根据权利要求2所述的基于OPC协议的三割炬切割机器人控制系统，其特征在于：所述的人机界面(42)为五线电阻式型触摸屏。
4.根据权利要求1所述的基于OPC协议的三割炬切割机器人控制系统，所述的PLC控制器(3)与各伺服电机(1)相串口通信连接，所述的PLC控制器(3)与各电磁阀(2)也相串口通信连接。
5.一种如权利要求1所述的基于OPC协议的三割炬切割机器人控制系统的控制方法，其特征在于：它包括如下步骤：
(a)、建立连接步骤：所述的工控机(4)通过OPC客户端(41)向PLC控制器(3)的OPC服务器端(31)发送使能信号，所述的OPC服务器端(31)对接收的信号进行响应；
(b)、切割参数设定步骤：根据待切割物的大小、形状、材质以及切割机器人的初始位置情况设定切割机器人各轴点动值、各轴应移动值以及各电磁阀的开关值进行设定；
(c)、轴点动步骤：上电启动工作，所述的OPC客户端(41)向所述的OPC服务器端(31)写入各个轴点动值，所述的OPC服务器端(31)读取信息并通过PLC控制器(3)转换成相应的能够驱动各伺服电机运转的电信号，从而使得机器人各轴移动到相应的位置，进入步骤(d)；
(d)、切割步骤：所述的OPC客户端(41)向所述的OPC服务器端(31)写入设定的切割过程中机器人各轴应移动值，所述的OPC服务器端(31)依次读取信息并转换成相应的能够驱动各伺服电机运转的电信号，从而实现机器人的移动，同时，所述的PLC控制器(3)同时通过OPC服务器端(31)接收各电磁阀的开关值，所述的低压氧电磁阀(23)与高压氧电磁阀(24)先受驱动进行点火预热，接着所述的穿孔电磁阀(21)受驱动进行穿孔定位，然后所述的切割电磁阀(22)受驱动配合机器人的移动以实现切割作业。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：整个过程中，所述的OPC客户端的读写频率为20毫秒/次，所述的OPC服务器端读写频率也为20毫秒/次。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：在切割过程中，还设置有写入各轴移动值中断控制步骤，当OPC服务器端接收到中断写入各轴移动值的指令后，所述的PLC控制器先中断写入切割氧电磁阀值，然后再关闭预热氧电磁阀值，停止切割并下电。
8.根据权利要求5或7所述的控制方法，其特征在于：在切割过程中，还设置有写入各电磁阀开关值中断控制步骤，当OPC服务器接收到中断写入各电磁阀开关值的指令后，所述的PLC控制器判断各轴移动值是否完全写入，若是，则直接停止切割并下电；若否，则继续写入各轴移动值，再停止切割并下电。
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