單元四 伺服系統(tǒng)NJ控制的設(shè)計(jì)

《工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成》主講教師：汪勵(lì)單元四伺服系統(tǒng)NJ控制的設(shè)計(jì)工作任務(wù)描述:根據(jù)任務(wù)3構(gòu)建的G5系列伺服系統(tǒng)，控制工業(yè)機(jī)器自動(dòng)生產(chǎn)線工作站輸送線的運(yùn)行。學(xué)習(xí)目標(biāo):通過本任務(wù)學(xué)習(xí)，應(yīng)能：1.掌握NJPLCEtherCAT系統(tǒng)配置方法。2.掌握伺服常用伺服驅(qū)動(dòng)指令的應(yīng)用。3.掌握輸送線運(yùn)行的特點(diǎn)。

伺服系統(tǒng)NJ運(yùn)動(dòng)控制是指運(yùn)用NJCPU單元內(nèi)置軟件的運(yùn)動(dòng)控制功能模塊（簡(jiǎn)稱MC功能模塊），通過CPU單元的內(nèi)置EtherCAT端口，與EtherCAT端口連接的伺服驅(qū)動(dòng)器建立周期通信，實(shí)現(xiàn)高速及高精度的機(jī)器控制。EtherCAT（EthernetControlAutomationTechnology）是基于Ethernet系統(tǒng)，但動(dòng)作更快、通信性能更高效一種高性能工作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。各節(jié)點(diǎn)以高速傳送以太網(wǎng)幀，因此可實(shí)現(xiàn)較短通信周期。另外，通過共享時(shí)鐘信息的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高精度同步控制。知識(shí)準(zhǔn)備一、NJ運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)知識(shí)準(zhǔn)備1．依據(jù)PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制指令MC功能模塊的運(yùn)動(dòng)控制指令基于由PLCopen協(xié)會(huì)標(biāo)志的運(yùn)動(dòng)控制塊。這些指令允許用戶編程進(jìn)行單軸PTP（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）定位、插補(bǔ)控制、電子凸輪等同步控制以及速度控制和扭矩控制。此外，還可對(duì)各運(yùn)動(dòng)控制指令的啟動(dòng)設(shè)定速度、加速度、減速度及躍度，因此可實(shí)現(xiàn)靈活的控制效果。2．通過EtherCAT通信數(shù)據(jù)傳送

通過與歐姆龍G5系列伺服驅(qū)動(dòng)器EtherCAT通信內(nèi)置型組合，以高速的數(shù)據(jù)通信交換所有的控制信息。使用數(shù)據(jù)通信傳輸各種控制指令，從而不受編碼器反饋脈沖響應(yīng)頻率等接口規(guī)格的限制，將伺服電機(jī)的性能發(fā)揮至最大極限。另外，在高位控制器側(cè)可處理伺服驅(qū)動(dòng)器的各種控制參數(shù)及監(jiān)控信息，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息管理的一元化。二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備1．系統(tǒng)配置下面以一臺(tái)NJ系列PLC控制器作為主站，下帶二臺(tái)支持ECT功能的伺服驅(qū)動(dòng)器R88D-KN08H-ECT作為從站為例，說明EtherCAT的單元設(shè)置。系統(tǒng)配置如圖所示。2．硬件設(shè)定根據(jù)系統(tǒng)要求，需要將二臺(tái)從站（伺服驅(qū)動(dòng)器）分別設(shè)置為節(jié)點(diǎn)1和2。在硬件上的通過伺服驅(qū)動(dòng)器上的二個(gè)撥碼開關(guān)來(lái)設(shè)置節(jié)點(diǎn)號(hào)，左邊一個(gè)為十位數(shù)，右邊一個(gè)為個(gè)位數(shù)。如圖所示。EtherCAT系統(tǒng)配置從站節(jié)點(diǎn)號(hào)的設(shè)置

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軟件設(shè)定(1)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成1)主站登記①SysmacStudio啟動(dòng)后，新建一個(gè)項(xiàng)目。②登記一個(gè)CPU單元。③右鍵多視圖瀏覽器中的“EtherCAT”選擇“Edit”或者雙擊“EtherCAT”進(jìn)入EtherCAT標(biāo)簽，如圖所示。EtherCAT標(biāo)簽二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軟件設(shè)定2)從站登記①?gòu)腅therCAT標(biāo)簽視圖的右邊選擇需要的從站的型號(hào)伺服R88D-KN08H-ECT。②選擇到需要的型號(hào)后，雙擊或者拖拽其到EtherCAT標(biāo)簽里，重復(fù)這個(gè)過程，添加完畢所有的從站，如圖所示。添加的從站必須與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致，否則在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的錯(cuò)誤。從站登記

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軟件設(shè)定(2)主站與從站設(shè)定1)主站設(shè)置點(diǎn)擊EtherCAT主站會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的選項(xiàng)，如圖所示。根據(jù)系統(tǒng)需要對(duì)相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置。EtherCAT主站設(shè)置二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軟件設(shè)定2)從站設(shè)置點(diǎn)擊EtherCAT從站會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的選項(xiàng)，如圖所示。根據(jù)系統(tǒng)需要對(duì)相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置。EtherCAT從站設(shè)置二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備

3．軸的創(chuàng)建

在運(yùn)動(dòng)控制中，將運(yùn)動(dòng)控制的對(duì)象稱為“軸”。(1)添加軸右擊多視圖瀏覽器的[配置和設(shè)置]_[運(yùn)動(dòng)控制設(shè)置]_[軸設(shè)置]，選擇[添加]_[軸設(shè)置]，如圖所示。添加完成后在多視圖瀏覽器的“軸設(shè)置”下會(huì)出現(xiàn)“MC_Axis000（0）”，如圖所示。用同樣的方法添加“MC_Axis001（1）”。添加軸的操作

添加軸

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軸的創(chuàng)建

(2)軸的基本設(shè)置軸的基本設(shè)置用來(lái)設(shè)置是否使用軸。如果使用軸，則設(shè)置軸的類型和EtherCAT從站設(shè)備的節(jié)點(diǎn)地址。雙擊[MC_Axis000（0）]，出現(xiàn)MC_Axis000（0）軸的基本設(shè)置界面，如圖所示。對(duì)節(jié)點(diǎn)1上的軸進(jìn)行設(shè)置。軸的基本設(shè)置

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軸的創(chuàng)建軸的基本設(shè)置見表

項(xiàng)目功能軸號(hào)設(shè)定軸的邏輯編號(hào)0-63。系統(tǒng)定義的軸變量名稱為“_MC_AX[0-63]”，編號(hào)為此處設(shè)定的編號(hào)。軸使用設(shè)置是否使用軸：使用、不使用。軸類型設(shè)置軸種類：伺服軸、編碼器軸、虛擬伺服軸、虛擬編碼器軸。虛擬軸不需要輸入輸出接線。反饋控制在選擇伺服軸后自動(dòng)生成。輸入設(shè)備選擇伺服驅(qū)動(dòng)器或編碼器，注冊(cè)為EtherCAT網(wǎng)絡(luò)設(shè)備軸的基本設(shè)置

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備軸種類內(nèi)容伺服軸使用EtherCAT從站伺服驅(qū)動(dòng)器的軸。分配為實(shí)際伺服驅(qū)動(dòng)器加以使用。將1臺(tái)伺服電機(jī)作為1根軸使用。虛擬伺服軸MC功能模塊內(nèi)的虛擬軸。不使用實(shí)際伺服驅(qū)動(dòng)器。作為同步控制的主軸等使用。編碼器軸使用EtherCAT從站編碼器輸入終端的軸。分配為實(shí)際編碼器輸入終端加以使用。1臺(tái)編碼器輸入終端有2個(gè)計(jì)數(shù)器時(shí)，將各個(gè)計(jì)數(shù)器作為1根軸使用。虛擬編碼器軸虛擬執(zhí)行編碼器動(dòng)作的軸。沒有編碼器實(shí)物時(shí)，作為編碼器軸的替代品臨時(shí)使用。軸的類型

3．軸的創(chuàng)建軸的類型含有通過EtherCAT連接的實(shí)際伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器和MC功能模塊內(nèi)部的虛擬伺服驅(qū)動(dòng)器、虛擬編碼器。軸的類型見表。二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軸的創(chuàng)建

(3)軸的單位換算設(shè)置點(diǎn)擊[單位換算設(shè)置]按鈕，出現(xiàn)“單位換算設(shè)置”界面，如圖所示。軸的單位換算設(shè)置

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軸的創(chuàng)建

電機(jī)轉(zhuǎn)一周的指令脈沖數(shù)：與伺服電機(jī)配置的增量型編碼器轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)相同。伺服電機(jī)R88M-K75030H配置20位增量編碼器，因此設(shè)置為1048576脈沖/rev。設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)一周的工作行程：設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)一周實(shí)際的脈沖數(shù)，或者負(fù)載移動(dòng)的直線距離。在工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線工作站輸送系統(tǒng)中，伺服電機(jī)設(shè)置為位置控制模式，使用指令MC_MoveVelocity進(jìn)行模擬速度控制。故“電機(jī)轉(zhuǎn)一周的工作行程”的顯示單位選擇“脈沖”，數(shù)值與“電機(jī)轉(zhuǎn)一周的指令脈沖數(shù)”相同。二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軸的創(chuàng)建

(4)軸的操作設(shè)置點(diǎn)擊[操作設(shè)置]按鈕，出現(xiàn)“操作設(shè)置”界面，如圖所示。設(shè)置伺服電機(jī)的最大速度、最大加速度/減速度等參數(shù)。這里的單位會(huì)隨著“單位單位換算界面”中的單位變化而變化。軸的操作設(shè)置

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軸的創(chuàng)建

(5)軸的其他操作設(shè)置點(diǎn)擊[其他操作設(shè)置]按鈕，出現(xiàn)“其他操作設(shè)置”界面，如圖所示。設(shè)置立即停止輸入停止方法等參數(shù)。

軸的其他操作設(shè)置

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軸的創(chuàng)建

(6)軸的位置計(jì)數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊[位置計(jì)數(shù)設(shè)置]按鈕，出現(xiàn)“位置計(jì)數(shù)設(shè)置”界面，如圖所示。計(jì)數(shù)模式是軸的進(jìn)給模式，為每個(gè)軸的命令位置選擇計(jì)數(shù)模式。線性模式有一個(gè)有限的軸進(jìn)給范圍，環(huán)形模式有一個(gè)無(wú)限的軸進(jìn)給范圍。軸的位置計(jì)數(shù)設(shè)置

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備3．軸的創(chuàng)建線性模式：以“0”為中心的直線設(shè)定。在相對(duì)值移動(dòng)或絕對(duì)值移動(dòng)等指定目標(biāo)位置的定位中，無(wú)法發(fā)出超范圍目標(biāo)位置的指令。循環(huán)模式：在設(shè)定范圍內(nèi)重復(fù)無(wú)限計(jì)數(shù)的環(huán)計(jì)數(shù)器形式的模式。在轉(zhuǎn)臺(tái)或卷軸等中使用。軸的設(shè)置還有“限位設(shè)置”、“原點(diǎn)返回設(shè)置”、“伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)置”等，根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行選擇設(shè)置。同樣的方法對(duì)MC_Axis001（1）也就是對(duì)節(jié)點(diǎn)2上的軸進(jìn)行設(shè)置。二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備4．伺服驅(qū)動(dòng)器的試運(yùn)行通過SysmacStudio，使用MC試運(yùn)行功能來(lái)檢查網(wǎng)絡(luò)的連接情況以及軸的參數(shù)設(shè)置是否正確。(1)使控制器處于“在線模式”。(2)在“MC_Axis000（0）”軸上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“開始MC試運(yùn)行”，如圖所示。開始MC試運(yùn)行

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備4．伺服驅(qū)動(dòng)器的試運(yùn)行(3)當(dāng)出現(xiàn)如圖所示的警示對(duì)話框時(shí)，仔細(xì)閱讀，確認(rèn)安全。警對(duì)話框

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備4．伺服驅(qū)動(dòng)器的試運(yùn)行(4)點(diǎn)擊警示對(duì)話框中的“確定”按鈕。出現(xiàn)如圖所示的MC試運(yùn)行界面。MC試運(yùn)行界面二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備4．伺服驅(qū)動(dòng)器的試運(yùn)行點(diǎn)動(dòng)操作界面

(5)在伺服ON的情況下，點(diǎn)擊“點(diǎn)動(dòng)“按鈕，進(jìn)入點(diǎn)動(dòng)操作界面，如圖所示。輸入目標(biāo)速度、加速度和減速度，然后點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕。操作運(yùn)行按鈕即可觀察電機(jī)是否以設(shè)定的參數(shù)運(yùn)行。二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備三、軸變量

MC功能模塊控制軸的運(yùn)行，軸變量是系統(tǒng)定義變量，用于表示軸參數(shù)和監(jiān)視信息。用SysmacStudio創(chuàng)建軸時(shí)，軸變量按照軸生成的順序登記在變量表中。(1)軸變量的名稱軸變量的名稱為_MC_AX[0-63]，0-63為軸號(hào)；數(shù)據(jù)類型為_sAXIS_REF型的結(jié)構(gòu)體變量。

(2)軸變量的屬性軸變量的屬性見表，表中列舉了部分軸變量。軸變量_MC_AX[0-63]軸狀態(tài)_MC_AX[0].Status軸準(zhǔn)備執(zhí)行_MC_AX[0].Status.Ready軸無(wú)效_MC_AX[0].Status.Disable軸控制狀態(tài)_MC_AX[0].Details軸空閑_MC_AX[0].Details.Idle原點(diǎn)確定_MC_AX[0].Details.Homed軸命令_MC_AX[0].Cmd命令當(dāng)前位置_MC_AX[0].Cmd.Pos命令當(dāng)前速度_MC_AX[0].Cmd.Vel軸當(dāng)前值_MC_AX[0].Act當(dāng)前實(shí)際位置_MC_AX[0].Act.Pos當(dāng)前實(shí)際速度_MC_AX[0].Act.Vel軸變量的屬性

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備四、軸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換PLCopen運(yùn)動(dòng)控制指令決定了軸的狀態(tài)變化。啟動(dòng)軸相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制指令后，軸的動(dòng)作如圖所示。(1)伺服OFF軸處于伺服OFF的狀態(tài)。切換至該狀態(tài)時(shí)，解除指令多重啟動(dòng)的待機(jī)狀態(tài)。1)軸無(wú)效：軸處于伺服OFF、停止中、啟動(dòng)準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)。2)錯(cuò)誤減速停止中：軸處于伺服OFF、停止中，發(fā)生軸異常的狀態(tài)。軸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備四、軸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

(2)伺服ON軸處于伺服ON的狀態(tài)。1)停止中：軸處于伺服ON，無(wú)動(dòng)作的狀態(tài)。2)定位動(dòng)作中：正在執(zhí)行指定了目標(biāo)位置的定位的狀態(tài)。也包括等待定位完成的狀態(tài)和定位動(dòng)作中將超調(diào)值設(shè)定為“0”而使速度為“0”的狀態(tài)。3)連續(xù)動(dòng)作中：正在執(zhí)行未指定目標(biāo)位置的連續(xù)動(dòng)作的狀態(tài)。速度控制或轉(zhuǎn)矩控制時(shí)變?yōu)榇藸顟B(tài)。也包括將目標(biāo)速度設(shè)為“0”而使速度為“0”的狀態(tài)、以及連續(xù)動(dòng)作中將超調(diào)值設(shè)定為“0”而使速度為“0”的狀態(tài)。4)同步動(dòng)作中：通過同步控制指令同步控制軸的狀態(tài)。也包括同步控制指令切換后的同步等待狀態(tài)。二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備四、軸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換5)減速停止中：通過MC_Stop（強(qiáng)制停止）指令或MC_TouchProbe（啟用外部鎖定）指令直至軸停止的狀態(tài)。也包括通過MC_Stop（強(qiáng)制停止）指令停止后，Execute（啟動(dòng)）為TRUE的狀態(tài)。該狀態(tài)下無(wú)法通過軸指令執(zhí)行動(dòng)作。執(zhí)行后指令的CommandAborted（執(zhí)行中斷）變?yōu)門RUE。6)錯(cuò)誤減速停止中：軸處于伺服ON、發(fā)生軸異常的狀態(tài)。也包括執(zhí)行了MC_ImmediateStop（立即停止）指令的狀態(tài)和軸因發(fā)生異常而減速的狀態(tài)。該狀態(tài)下無(wú)法執(zhí)行軸動(dòng)作指令。執(zhí)行后指令處于中斷（CommandAborted=1）狀態(tài)。7)原點(diǎn)復(fù)位中：通過MC_Home（原點(diǎn)復(fù)位）指令或MC_HomeWithParameter（參數(shù)指定原點(diǎn)復(fù)位）指令搜索原點(diǎn)的狀態(tài)。二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備五、常用伺服驅(qū)動(dòng)指令要從NJ系列的用戶程序執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制功能，需要使用作為功能塊定義的運(yùn)動(dòng)控制指令。MC功能模塊的運(yùn)動(dòng)控制指令以PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制用功能塊的技術(shù)規(guī)格為基礎(chǔ)。1．MC_Power將伺服驅(qū)動(dòng)器切換為可運(yùn)行狀態(tài)。指令圖如圖4-83所示。圖2-83MC_Power指令A(yù)xis：使用在SysmacStudio的軸基本設(shè)定畫面中創(chuàng)建的用戶定義變量的軸變量名稱（默認(rèn)“MC_Axis***”）或系統(tǒng)定義變量的軸變量名稱（_MC_AX[**]）。MC_Power指令二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備五、常用伺服驅(qū)動(dòng)指令輸入變量：Enable：將Enable（有效）設(shè)為TRUE時(shí)，Axis（軸）指定的軸進(jìn)入可運(yùn)行狀態(tài)?？蓪?shí)現(xiàn)軸控制。將Enable（有效）設(shè)為FALSE，可解除Axis（軸）指定軸的可運(yùn)行狀態(tài)。解除可運(yùn)行狀態(tài)后，軸不接收動(dòng)作指令，無(wú)法實(shí)現(xiàn)軸控制。輸出變量：Status：進(jìn)入可運(yùn)行狀態(tài)時(shí)變?yōu)門RUE。Busy：接收指令后變?yōu)門RUE。Error：發(fā)生異常時(shí)變?yōu)門RUE。ErrorID：發(fā)生異常時(shí)，輸出錯(cuò)誤代碼。16#0000為正常。應(yīng)用實(shí)例如圖所示。MC_Power指令應(yīng)用實(shí)例

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備五、常用伺服驅(qū)動(dòng)指令當(dāng)PLC開機(jī)運(yùn)行時(shí)，軸MC_Axis000處于可運(yùn)行狀態(tài)，變量“伺服已準(zhǔn)備”=1；當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，變量“伺服故障”=1。2．MC_MoveVelocity使用伺服驅(qū)動(dòng)器的位置控制模式，進(jìn)行模擬速度控制。指令圖如圖所示。Execute（啟動(dòng)）：在Execute的上升沿，開始速度控制的動(dòng)作。若在連續(xù)動(dòng)作中變更輸入?yún)?shù)，需再次將Execute設(shè)為TRUE，重啟MC_MoveVelocity指令重啟運(yùn)動(dòng)指令可變更的輸入變量有Velocity（目標(biāo)速度）、Acceleration（加速度）、Deceleration（減速度）。重啟運(yùn)動(dòng)指令變更Velocity（目標(biāo)速度）時(shí),InVelocity（達(dá)到目標(biāo)速度）針對(duì)重啟而設(shè)定的新目標(biāo)速度進(jìn)行動(dòng)作。MC_MoveVelocity指令二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備五、常用伺服驅(qū)動(dòng)指令

Direction（方向選擇）：通過Direction指定移動(dòng)方向。Direction為“0”時(shí)正方向移動(dòng)；為“1”時(shí)負(fù)方向移動(dòng)；為“3”時(shí)當(dāng)前方向移動(dòng)。Direction為“3”時(shí)，動(dòng)作因軸是否停止而不同。軸已停止時(shí)，軸沿著上次的移動(dòng)方向進(jìn)行移動(dòng)。接通電源或重啟電源時(shí)正方向移動(dòng)。在軸移動(dòng)的過程中啟動(dòng)指令時(shí)，沿當(dāng)前移動(dòng)的方向移動(dòng)。應(yīng)用實(shí)例如圖所示。

MC_MoveVelocity指令應(yīng)用實(shí)例

二、EtherCAT系統(tǒng)設(shè)置知識(shí)準(zhǔn)備五、常用伺服驅(qū)動(dòng)指令當(dāng)變量“伺服已準(zhǔn)備”=1，且變量“伺服執(zhí)行”=1時(shí)，軸MC_Axis000以變量“伺服速度給定”設(shè)定的速度正方向運(yùn)行。3．MC_Reset圖4-87MC_Reset指令解