CN110515358A - 基于一体化控制器的自动化产线并行控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
基于一体化控制器的自动化产线并行控制系统及控制方法，其中系统包括一体式控制器，所述一体式控制器包括运动控制模块、过程控制模块和EtherCAT主站模块，一体式控制器通过EtherCAT总线与自动化产线设备连接，本发明利用EtherCAT总线高速率以分布时钟特性，一次性下发多设备指令，实现自动化产线并行控制，综合考虑一体式控制器性能，以及多轴联动装置与其他顺序动作装置的不同，实现产线设备的同步控制与非同步控制，根据设备应用不同场景，实现位置、速度、扭矩模式并行混合控制，缩短了控制周期，提高了过程控制实时性，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于自动化产线技术领域，具体涉及一种基于一体化控制器的自动化产线并行控制系统及控制方法。
背景技术
在现代化制造车间，尤其是随着智能制造技术的发展，多种机器人以及大规模集成设备越来越多，这对现代化产线控制系统提出了更高的要求。如何在不增加控制系统复杂度的前提下，有效提高设备间的协作性，增强生产节拍，增强产品质量，成为制约现代化产线向高精尖再进一步的瓶颈。
目前针对集成自动化产线设备控制，多采用一主多辅控制系统：中央处理器通过CAN总线或普通以太网与多个终端设备控制器相连，中央处理器根据各终端控制器反馈数据信息以及控制设备优先级依次下发控制指令。专利CN103901861B提出将机械手臂伺服控制系统及机器视觉检测系统分别通过CAN控制总线与中央控制处理器相连，共同组成伺服控制及视觉检测控制系统。专利CN108345236A提出采用EtherCAT工业以太网作为上层通讯总线，连接中央控制器与终端控制器，增强控制系统实时性。
上述发明从一定程度上提高了生产效率，但仍存在一些不足：一主多辅控制方式延长了控制周期，降低了设备间的协作性，增加了成本；运动控制采用传统总线，且控制方式为串行控制，限制了生产节拍。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供种一种基于一体化控制器的自动化产线并行控制系统及控制方法，能够有效缩短过程控制周期、增强设备间的协作性、提高控制系统的实时性。
本发明的技术方案如下：
基于一体化控制器的自动化产线并行控制系统，包括一体式控制器，所述一体式控制器包括：
过程控制模块，分析采集的传感数据，下发控制指令给运动控制模块；
运动控制模块，接收过程控制模块下发的控制指令，对伺服电机进行运动规划，并将规划数据保存到运动存储区；
EtherCAT主站模块，检测到运动存储区有规划数据时，依次取出规划数据下发到各从站；
一体式控制器通过EtherCAT总线与自动化产线设备连接。
优选地，所述自动化产线包括泵电机压装站、泵叶轮装配站和泵抽水测试站。
优选地，所述一体化控制器连接有I/O拓展模块，并通过I/O拓展模块连接产线监测传感装置。
优选地，所述泵电机压装站包括定子上料机械臂、伺服压机、泵壳上料机械臂、泵壳供料机、定子供料机。
优选地，所述泵叶轮装配站包括若干叶轮装配机械臂、皮带传输线和链条输送线。
优选地，所述泵抽水测试站包括桁架机器人和检测台，所述桁架机器人包括Y轴的动作气缸和Z轴的动作气缸。
基于一体化控制器的自动化产线并行控制方法，包括以下步骤：
过程控制模块对控制过程进行规划，并根据时序和反馈信息将具体任务发送给运动控制模块；
运动控制模块根据任务指令和驱动装置参数完成对伺服电机的轨迹规划，并将规划数据保存到运动数据存储区；
EtherCAT主站模块检测到有规划数据时，周期性依次将规划数据传送到伺服驱动器，通过下发运动模式参数到各伺服驱动器，设置各伺服驱动控制模式，完成对驱动装置的控制；
在上一步骤的同时，利用EtherCAT通讯分布时钟特性，实现自动化产线设备的同步与非同步混合控制。
进一步地，利用同步控制方法，实现若干多轴联动机构之间的并行、协作控制；利用非同步控制方法，实现若干顺序动作机构之间的逻辑控制。
进一步地，所述自动化产线设备包括若干多轴联动机构、若干顺序动作机构和若干I/O拓展模块；若干所述多轴联动机构采用同步控制，若干所述顺序动作机构和I/O拓展模块采用非同步控制。
进一步地，所述控制模式包括位置控制模式、速度控制模式和扭矩控制模式，同一条产线不同驱动端采用同一种或不同种控制模式。
本发明的有益效果:
（1）一体式控制器兼具中央控制器、运动控制器与通讯功能，集过程控制、运动控制与EtherCAT主站于一体，缩短了过程控制周期，降低硬件成本，提高控制系统实时性；
（2）通过多种多轴联动自动化装置同步控制，实现自动化设备的并行控制，动态、实时地控制自动化设备运行，提高自动化产线设备间的协作性，进一步提升工作效率；
（3）同步与非同步模式并存，降低了实时系统负担，减少系统启动时间，增强产线控制系统可靠性；
（4）多种控制模式混合运用，提高了设备运行精度，进而提升产品质量。
附图说明
图1为本发明控制系统框架示意图；
图2为本发明一体式控制器组成框图；
图3为本发明自动化产线设备同步/非同步混合控制模式示意图；
图4为本发明自动化产线设备混合控制模式示意图；
图5为本发明实施例结构示意图；
图中：1，泵电机压装站；1-1，定子上料机械臂；1-2，伺服压机；1-3，泵壳上料机械臂；1-4，泵壳供料机；1-5，定子供料机；1-5-1，伺服驱动减速电机；2，泵叶轮装配站；2-1、2-2，叶轮装配机械臂；2-1-1，机械臂手爪；2-3，皮带传输线；2-4，链条输送线；3，泵抽水测试站；3-1，桁架机器人；3-1-1，Y轴的动作气缸；3-1-2，Z轴的动作气缸；3-2，检测台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-5所示，基于一体化控制器的自动化产线并行控制系统，包括一体式控制器，所述一体式控制器包括：
过程控制模块，分析采集的传感数据，下发控制指令给运动控制模块；
运动控制模块，接收过程控制模块下发的控制指令，对伺服电机进行运动规划，并将规划数据保存到运动存储区；
EtherCAT主站模块，检测到运动存储区有规划数据时，依次取出规划数据下发到各从站；
一体式控制器通过EtherCAT总线与自动化产线设备连接。
一体化控制器基于X86架构，搭载RT-linux实时系统，兼具中央控制器、运动控制器以及通讯功能于一体，缩短了过程控制周期，且EtherCAT具备高速率特性，进一步提升控制过程实时性；
一体式控制器通过EtherCAT总线与自动化产线设备连接。
本实施例中，所述自动化产线包括泵电机压装站1、泵叶轮装配站2和泵抽水测试站3，所述一体化控制器还连接有I/O拓展模块，并通过I/O拓展模块连接产线监测传感装置，该I/O扩展模块可同时支持数字量与模拟量数据信息的接入。
所述泵电机压装站1包括定子上料机械臂1-1、伺服压机1-2、泵壳上料机械臂1-3、泵壳供料机1-4、定子供料机1-5，该泵电机压装站1的工作流程：定子供料机1-5将定子送到指定位置，定子上料机械臂1-1抓取定子放入伺服压机1-2内的工装之上，泵壳供料机1-4将泵壳送到指定位置，泵壳上料机械臂1-3抓取泵壳放入伺服压机1-2的指定位置，在上述二个机械臂的配合下，伺服压机1-2压头先以指定速度动作到预设位置，再以指定压力将定子压入泵壳内。
所述泵叶轮装配站2包括若干叶轮装配机械臂、皮带传输线2-3和链条输送线2-4，该泵叶轮装配站2的工作流程：振动盘（图中未显示）和皮带传输线2-3将叶轮送到指定位置，链条输送线2-4将1站压装后的泵体输送到位，叶轮装配机械臂2-1和2-2拾取叶轮，将叶轮插装入泵壳内部。
所述泵抽水测试站3包括桁架机器人3-1和检测台3-2，所述桁架机器人3-1包括Y轴的动作气缸3-1-1和Z轴的动作气缸3-1-2，该泵抽水测试站3的工作流程：链条输送线2-4将2站插装后的泵体输送到位，检测台3-2对泵体进行检测，桁架机器人3-1对泵体进行姿态变换从而进行多角度检测作业。
基于一体化控制器的自动化产线并行控制方法，包括以下步骤：
过程控制模块对控制过程进行规划，并根据时序和反馈信息将具体任务发送给运动控制模块；
运动控制模块根据任务指令和驱动装置参数完成对伺服电机的轨迹规划，并将规划数据保存到运动数据存储区；
EtherCAT主站模块检测到有规划数据时，周期性依次将规划数据传送到伺服驱动器，通过下发运动模式参数到各伺服驱动器，设置各伺服驱动控制模式，完成对驱动装置的控制；
在上一步骤的同时，利用EtherCAT通讯分布时钟特性，实现自动化产线设备的同步与非同步混合控制。利用同步控制方法，实现若干多轴联动机构之间的并行、协作控制；利用非同步控制方法，实现若干顺序动作机构之间的逻辑控制。
所述自动化产线设备包括若干多轴联动机构、若干顺序动作机构和若干I/O拓展模块；
若干所述多轴联动机构采用同步控制，以第一从站时钟作为同步时钟，实现多轴同步启停，保证多轴联动装置的轨迹精度和定位精度，多台多轴联动装置共用同一EtherCAT总线，降低控制器控制周期，提高过程控制实时性，实现一体式控制器对自动化产线设备的实时、动态、在线控制；各驱动轴在同一同步时钟下同步动作，实现自动化产线设备的并行控制，相较于传统的串行控制，增强了多轴联动装置间的协作性及生产节拍，保证工作过程的稳定性，从而提高产品质量。
若干所述顺序动作机构和I/O拓展模块采用非同步控制，降低实时系统负担，减少产线启动时间，增强控制系统可靠性。
具体地，针对机器人等多轴联动机构采用同步模式，针对机器人周边伺服电缸等不需联动设备采用非同步模式。
所述控制模式包括位置控制模式、速度控制模式和扭矩控制模式，同一条产线不同驱动端采用同一种或不同种控制模式。具体地，针对定位要求场景，驱动端采用位置控制模式，针对速度要求场景，驱动端采用速度控制模式，针对扭矩要求场景，驱动端采用扭矩控制模式。
下面结合上述水泵自动装检线的工作流程对各执行机构及传感器控制方式进行具体说明：
泵电机压装站1的伺服压机1-2为伺服驱动电机驱动的压装机，伺服驱动电机以扭矩模式运行，压装机首先运动至压装预设位置，然后以恒定压力将泵电机定子压入泵壳内，再反向运动至初始预设位置。1-5-1为伺服驱动减速电机，该电机以速度模式运行，通过传送链板拖动定子供料机以恒定速度将定子送到指定位置。定子上料机械臂1-1和泵壳上料机械臂1-3工作在同步模式，通过同步控制机器人末端在空间中的轨迹，实现多机器人协作控制。在该压装站，定子上料机械臂1-1和泵壳上料机械臂1-3的工作空间有交叉，当它们的末端同时进入交叉空间时，运动轨迹需要关联，即2台机器人的12个伺服电机联动，以保证在不发生相互碰撞的前提下加快作业节拍。
泵叶轮装配站2的叶轮装配机械臂2-1和2-2，驱动每台机械臂的4个电机工作在同步模式，通过四轴联动实现末端在空间中的轨迹控制。上述两台机器人工作空间没有交叉，故末端轨迹不需要关联。2-1-1为机械臂手爪接近开关，通过IO数字量信号，对机械臂抓手上的叶轮进行物料有无检测，以提供机械臂发起和终止任务。
泵抽水测试站3的桁架机器人3-1为顺序控制装置，Y轴的动作气缸3-1-1和Z轴动作伺服电机3-1-2工作在位置控制、非同步模式，分别实现Y轴托板以及Z轴托板在固定点位的定位动作。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于一体化控制器的自动化产线并行控制系统，其特征在于：包括一体式控制器，所述一体式控制器包括：
过程控制模块，分析采集的传感数据，下发控制指令给运动控制模块；
运动控制模块，接收过程控制模块下发的控制指令，对伺服电机进行运动规划，并将规划数据保存到运动存储区；
EtherCAT主站模块，检测到运动存储区有规划数据时，依次取出规划数据下发到各从站；
一体式控制器通过EtherCAT总线与自动化产线设备连接。
2.根据权利要求1所述的一体化控制器的自动化产线并行控制系统，其特征在于：所述自动化产线包括泵电机压装站、泵叶轮装配站和泵抽水测试站。
3.根据权利要求1所述的一体化控制器的自动化产线并行控制系统，其特征在于：所述一体化控制器连接有I/O拓展模块，并通过I/O拓展模块连接产线监测传感装置。
4.根据权利要求2所述的一体化控制器的自动化产线并行控制系统，其特征在于：所述泵电机压装站包括定子上料机械臂、伺服压机、泵壳上料机械臂、泵壳供料机、定子供料机。
5.根据权利要求2所述的一体化控制器的自动化产线并行控制系统，其特征在于：所述泵叶轮装配站包括若干叶轮装配机械臂、皮带传输线和链条输送线。
6.根据权利要求2所述的一体化控制器的自动化产线并行控制系统，其特征在于：所述泵抽水测试站包括桁架机器人和检测台，所述桁架机器人包括Y轴的动作气缸和Z轴的动作气缸。
7.基于一体化控制器的自动化产线并行控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
过程控制模块对控制过程进行规划，并根据时序和反馈信息将具体任务发送给运动控制模块；
运动控制模块根据任务指令和驱动装置参数完成对伺服电机的轨迹规划，并将规划数据保存到运动数据存储区；
EtherCAT主站模块检测到有规划数据时，周期性依次将规划数据传送到伺服驱动器，通过下发运动模式参数到各伺服驱动器，设置各伺服驱动控制模式，完成对驱动装置的控制；
在上一步骤的同时，利用EtherCAT通讯分布时钟特性，实现自动化产线设备的同步与非同步混合控制。
8.根据权利要求7所述的基于一体化控制器的自动化产线并行控制方法，其特征在于：利用同步控制方法，实现若干多轴联动机构之间的并行、协作控制；利用非同步控制方法，实现若干顺序动作机构之间的逻辑控制。
9.根据权利要求7所述的基于一体化控制器的自动化产线并行控制方法，其特征在于：所述自动化产线设备包括若干多轴联动机构、若干顺序动作机构和若干I/O拓展模块；若干所述多轴联动机构采用同步控制，若干所述顺序动作机构和I/O拓展模块采用非同步控制。
10.根据权利要求7所述的基于一体化控制器的自动化产线并行控制方法，其特征在于：所述控制模式包括位置控制模式、速度控制模式和扭矩控制模式，同一条产线不同驱动端采用同一种或不同种控制模式。
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Denomination of invention: Control Method for Parallel Control System of Automation Production Line Based on Integrated Controller Effective date of registration: 20231022 Granted publication date: 20210720 Pledgee: Hangzhou High-tech Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Hangzhou core control Intelligent Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023330002435 |
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