使用 MATLAB 和 PLCnext 进行 2 轴龙门架的免示教路径规划
📌 作者：Roman Mayer、Markus Hoser📌 公司：maku Engineering GmbH📌 联系人：rommayer@maku-engineering.com、marhoser@maku-engineering.com📌 技术：MATLAB/Simulink、Simscape、Phoenix Contact PLCnext、Siemens Drives、Peter Corke’s Robotic Toolbox
动机：为什么要进行无教学路径规划？
在工业自动化中，2 轴龙门架被广泛使用 - 从数控机床和拾放机器人到物料搬运系统。这些龙门架的编程通常通过示教完成，这意味着操作员手动将系统移动到所需位置，将它们保存为航路点，并定义轨迹。
问题：
- 教学非常耗时且容易出错。
- 环境或系统的变化需要重新学习。
- 自动化解决方案通常价格昂贵且需要复杂的集成。
我们的解决方案：我们开发了一种免教学路径规划系统，无需手动教学过程。相反，智能算法会自动生成无碰撞轨迹。
目的：
- 2 轴龙门架的自动路径规划
- 使用 MATLAB/Simulink 和 Simscape 进行建模和仿真
- 为 Phoenix Contact PLC (AXC F 3152) 生成代码
- 通过 Profinet 集成西门子 SINAMICS S210 驱动器
📌 图像/可视化可以在最后一部分找到！
技术实现
我们的路径规划系统利用 MATLAB 的 mobileRobotPRM 算法来生成路径点。这意味着：
🟢自动路径规划
- 环境以地图（矩阵）的形式表示。
- 检测并避开障碍物。
- 计算最短、无碰撞的路径。
🟢 在 MATLAB/Simulink 中建模
- Simscape Multibody 用于龙门系统的物理模拟
- 用于集成西门子伺服电机的 Simscape Electrical
- Peter Corke 用于路径规划的机器人工具箱 [https://github.com/petercorke/robotics-toolbox-matlab]
🟢 代码生成与控制
- 使用 Simulink Coder 和 Embedded Coder 将规划的路径转换为 Phoenix Contact PLC 的可执行代码。
- PLC 通过 Profinet 将轨迹点发送至西门子驱动器。
优点：整个系统可以先进行仿真，然后直接移植到真实硬件上。
此外，我们成功地将西门子电机与菲尼克斯电气支持集成，无需额外的许可证。这是通过使用西门子逆变器设备描述文件（GSDML 文件）来实现 Profinet 通信而实现的。
扩张潜力
我们的系统是模块化的，可以通过适当的努力进行扩展：
🔹更换机械模型及调整驱动
- 只要有必要的工具箱，就可以使用 CAD 数据替换机械模型。
- 根据所需的动态特性，可以预先模拟驱动器配置以优化性能。
🔹动态环境更新
- 当前的静态地图可以由图像处理系统替代。
- 摄像头或 LiDAR 传感器可用于环境检测。
- 地图可以在执行过程中不断更新，以考虑移动障碍物。
🔹扩展到多轴系统
- 目前，该系统设计用于 2 轴运动 (X/Y)。
- 可以扩展到 3 轴系统 (X/Y/Z)。这需要：* 机械模型的适应* 集成第三个驱动器，必须将其纳入路径规划算法
结论与展望
我们的免示教路径规划可实现：✔ 节省时间 – 无需手动示教✔ 灵活性 – 自动考虑环境变化✔ 易于实施 – 直接为 Phoenix Contact PLC 生成代码
下一步是什么？
该项目的部分内容基于开源存储库，并且可以免费使用。我们的增强功能和程序可以根据要求免费提供。当然，如有需要，我们也欢迎来电。
根据对这篇博文的兴趣，我们计划：
- 通过此博客文章将此解决方案作为免费应用提供
- 将其发布到 MathWorks 平台
有问题、建议或想法吗？请随时发表评论或直接联系我们！
硬件设置/印象/结果
我们的硬件设置包括：
- Phoenix Contact AXC F 3152 PLC 用于控制
- 两个西门子电机用于驱动
- 完全虚拟力学 - 整个机械系统在 MATLAB/Simulink 和 Simscape 中进行仿真
以下映射用于执行/创建：
障碍物的宽度根据工具进行调整。另外，从起始点到目标点自动生成的支撑点显示为红色。
需要对存储的航路点进行平滑处理，以实现不同加速阶段之间的无缝过渡。此外，路径保持可微分对于防止电机减速至零速度至关重要。
两个电机的运动同步，加速阶段协调，确保运行平稳。
最后，这是用于路径规划的子模型成功生成代码的图像。生成的对象可以按照菲尼克斯电气提供的描述进行一对一的集成！
注意：
创客博客显示未经菲尼克斯电气测试或审核的社区成员的应用程序和用户故事。使用它们的风险由您自行承担。
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