高速钢坯搬运机器人控制系统的设计及应用

徐益平

【摘 要】目前国内钢坯搬运装备存在节奏慢、精度低、产能匹配性差等缺点。为了解决上述问题，国内钢铁企业研发和使用了新型的高速钢坯搬运机器人，该钢坯搬运机器人采用了专用的控制系统，該控制系统采用双层网络的形式，对机器人部件进行了分布式控制和数据采集，并通过协同控制的方式，实现了各机构间的动作协调问题。该系统通过长时间的生产运行，工作稳定，满足各型号产品的生产指标，满足企业生产的要求。

【关键词】钢坯搬运;机器人;控制系统;协同控制

中图分类号： TG269文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）21-0015-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.006

Design and Application of Control System for High-speed Robot for Billet Handling

XU Yi-ping

（Nanjing Iron and Steel Group CO.，LTD.，Nanjing Jiangsu 210000，China）

【Abstract】At present，domestic billet handling equipment has the disadvantages of slow rhythm，low accuracy，and poor matching ability.In order to solve the problems，a new type of s high-speed robot for billet handling is invented， which adopts a special control system.The control system uses a double layer network to control and data collection.By collaborative control，the coordination between different agencies is realized.The system works stably and meet the requirements of various types of products.

【Key words】Billet handling;Robot;Control system;Collaborative control

0 引言

目前国内钢坯搬运多为半自动作业，存在速度低、工艺节奏慢、位置精度低、抗干扰能力弱、钢坯搬运产能与轧制工艺产能匹配性差等缺点[1]。高速钢坯搬运机器人是一种冶金行业专用机器人，用于解决上述钢坯搬运的各种问题[2]。

高速钢坯搬运机器人控制系统是一个非常复杂的多输入多输出系统，不仅具有大惯性、测量误差、机械振动等系统本身的不确定因素，还受到原料质量、外界运行环境、扰动等因素的影响，具有高度非线性、时变、强耦合等特性。因此，该设备很难建立完整准确的被控对象动力学模型，这对搬运装备的控制也带来了极大的困难，严重降低系统的控制品质。随着钢铁产业升级和自动化水平的提升，对搬运装备的控制性能和控制精度提出的要求越来越高，需要设计高精度、高品质的控制系统，使搬运机器人的运行有良好的动态品质，并保证机械手及各机构能够精确跟踪给定的期望轨迹[3]。

1 高速钢坯搬运机器人介绍

高速钢坯搬运机器人是一种冶金行业搬运工序专用机器人，主要由高速重载机械手、末端执行器、收集台架、移送机构等组成。其中机械手主体采用高强度型材和连杆式关节型结构。

高速钢坯搬运机器人控制的主要问题是使搬运机器人的各运动机构及机械手关节和末端执行器位置能够以理想的动态品质跟踪给定的轨迹或稳定在预定的位置上。针对难以建立精确模型的钢坯搬运问题，那些传统的基于被控对象精确数学模型的控制理论，往往不能保证搬运机器人控制的最佳特性。

2 高速钢坯搬运机器人控制系统的硬件结构

高速钢坯搬运机器人控制系统的硬件和网络结构见图1。由于搬运机器人由多个运动机构组成，而各机构之间存在空间距离和相对运动，为方便设备布线和减少信号干扰，本控制系统的IO采集使用现场总线结构。根据机械结构和功能划分，本设计将整个机组划分为机械手机构、进料机构、收集机构和外运机构4个子系统，每个部分通过布置在机上的现场总线模块进行传感器信号采集。搬运机各驱动机构通过变频器或伺服放大器驱动，变频器或伺服放大器也通过网络与主控制器通讯。

2.1 硬件构成

考虑到与传统钢铁冶金企业控制系统的融合和维护问题，高速钢坯搬运机器人采用PLC控制方式运行，以满足实时控制的计算要求[4][5]。本控制系统采用基于Profinet接口协议的通讯模块，与现场总线模块、变频器、伺服器进行通讯。

对于控制精度要求不高的移送机构，为了在满足性能要求的前提下降低硬件成本，本控制系统采用变频器控制。对于控制精度要求较高的机器人执行机构，本控制系统采用伺服驱动器，用来实现高精度部位的精确伺服控制。按照机组子系统的划分，在机上设置机械臂现场总线箱、进料现场总线箱、收集现场总线箱和外运现场总线箱四个分布式I/O系统，该现场总线采用Profinet网络构成设备级子网络。

2.2 网络结构

高速钢坯搬运机器人控制系统设计了两层配合的网络结构。

如图1所示，本控制系统设计了两个独立网段的Profinet网络，分别是：

1）用于设备级控制器通讯网，以及用于分布式数据采集的下级网络;

2）用于车间级基础自动化系统，用于连接上级系统网络。

这两个Profinet网络以控制器的网络通讯硬件作为分割界面，对上下级网络分别采用独立的网段，以保护设备访问和操作的权限，并节约车间的网络地址资源。下级网包括控制器和机组范围内的Profinet通讯设备，通过主控制器对其进行控制。上级网包括控制器和智能化服务器，用于信息系统的存储、智能控制系统的计算、人机界面的数据传输和车间自动化系统的通讯。上下级网络在PLC控制器中进行数据交换和共享。

3 高速钢坯搬运机器人的控制效果

高速钢坯搬运机器人应用的场合是钢铁企业的轧钢工序，搬运对象是连铸出产的钢坯。工业现场的控制系统其控制器和执行机构间通过控制信号相互沟通，实际工作的系统还需要加入信号限幅、信号传输延时、执行器死区和噪声干扰等处理手段。图2是高速钢坯搬运机器人的横移机构、伸缩机构和机械手机构的理想运行轨迹和实际运行轨迹对比图。

a.横移机构运行轨迹

b.伸缩机构运行轨迹

c.机械手结构运行轨迹

经过现场运行效果可以看到，本文设计的高速钢坯搬运机器人控制系统性能优秀。位置跟踪误差可以很快收敛到零，同时很大程度上减少了振荡调节环节，而减少振荡环节可以避免反复变换方向带来的执行机构的物理损伤，延长了设备使用寿命。由于控制系统硬件条件的制约，信号延迟和处理器运算周期不能忽略，所以会造成换向阶段的延时误差（误差曲线的尖峰），但该偏差时间较短，且在搬运机器人运行节奏所允許的范围之内，故而不影响设备性能。

【参考文献】

[1]刘统珂，赵立伟.型钢搬运机自动控制系统的位置检测与变频器控制[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2004，22（3）：190-192.

[2]Martin H？覿gele，Klas Nilsson，J.Norberto Pires，and Rainer Bischoff.Industrial Robotics[M].Springer Handbook of Robotics.2016：1386-1389.

[3]V.Nabat1，S.Krut，O.Company，P.Poignet，and F.Pierrot.On the Design of a Fast Parallel Robot Based on Its Dynamic Model[C].Experimental Robotics：The 10th International Symposium on Experimental Robotics.2008：409-419.

[4]孙本荣，率民，杨新法，等.基于PLC的全自动铝锭搬运机设计[J].机床与液压，2012，30（10）：101-103.

[5]Yasuda G.Distributed Coordination of Multiple Robot Systems Based on Hierarchical Petri Net Models[M].Intelligent Robotics and Applications.2013：602-613.