2024年2月18日发(作者：公丽雅)

西门子SIMOTION D在直角坐标机器人中的应用

余坤;罗晟;孔德帮;曹松

【摘 要】阐述了一种直角坐标机器人的主要结构及其功能,并阐述了该直角坐标机器人控制系统的硬件结构及工作原理.针对其功能具体开发了控制程序及系统组成.系统采用人机界面与运动控制器相结合的控制方式,人机界面作为上位机,实现对坐标机器人的操作和参数修改及设备状态、故障报警显示等,以SIMOTION D运动控制器为系统控制核心.在设计过程中硬件和软件都采用了模块化的思想,使控制系统具备开放性和可移植性的优点.

【期刊名称】《有色金属设计》

【年(卷),期】2017(044)001

【总页数】9页(P72-80)

【关键词】直角坐标机器人;SIMOTION D运动控制器;机器人控制系统;人机界面

【作 者】余坤;罗晟;孔德帮;曹松

【作者单位】昆明鼎承科技有限公司,云南昆明650400;昆明鼎承科技有限公司,云南昆明650400;昆明鼎承科技有限公司,云南昆明650400;昆明鼎承科技有限公司,云南昆明650400

【正文语种】中 文

【中图分类】TH166

直角坐标机器人具有多个自由度且运动自由度构成空间直角的关系，可重复编程实现自动控制，所有运动按所编程序运行。一般由控制系统、驱动系统、机械系统和

末端执行器组成，具有灵活、多功能等特点，被广泛用于工业生产中。文中直角坐标机器人是以直角坐标系统为基本数学模型，以伺服电机驱动的各轴为基本工作单元，以同步带为传动方式所架构起来的机器人系统。

直角坐标机器人的控制系统是一种典型的多轴运动控制系统，文中介绍了一种基于西门子SIMOTION D运动控制器的控制系统,以人机界面和运动控制器相结合的方式，实现对直角坐标机器人的驱动及编程控制，将X、Y、Z轴上的线性运动通过不同的插补方式，完成在系统所构建的三维坐标系中任意一点的到达且遵循可控的运动轨迹。

1.1直角坐标机器人的主要机构

机构示意见图1，主要结构见表1。

1.2功能描述

该直角坐标机器人具有3个自由度,分别是X轴向运动、Y轴向运动和Z轴向运动。X轴向运动由1台伺服电机驱动X轴并带动Y轴、Z轴和末端执行器在X方向上运动；Y轴向运动由1台伺服电机驱动Y轴并带动Z轴和末端执行器在Y方向上运动；Z轴向运动由1台伺服电机驱动Z轴并带动末端执行器在Z方向上运动；由气缸驱动末端执行器抓取物料，然后通过3轴的运行将物料搬运到指定位置；配置的检测开关及传感器检测物料及定位，得到末端执行器抓取物料的位置。3个轴可在各自电机的带动下实现单独运动或者联动。

2.1主要硬件功能

SIMOTION 运动控制系统由硬件平台、工程开发系统以及运行时软件模块组成。

SIMOTION主要有逻辑控制功能、运动控制功能和其他工艺功能三大功能。在运动控制要求比较高的场合中，SIMOTION强大的功能性使得PLC不再成为必要，它自带的梯形图编程工具使得用户可以方便地从使用PLC到SIMOTION 的过渡。对于各种运动控制，SIMOTION 还提供了多种可扩展的工艺包，用户可以根据自

己的需要来选择，从而节省了工程成本。SIMOTION 有SIMOTION-C、SIMOTION-P 和SIMOTION-D 3种硬件平台，文中介绍的是基于驱动的SIMOTION D运动控制器。使用的软件平台为西门子公司开发的SCOUT软件，该软件集成了工程开发中所需的所有步骤，从硬件组态与参数设置，到编程、测试与诊断。它具有图形化的用户指南以及文字和图形化的编程提示，提供了多种编程环境，除了梯形图(LAD)、功能块图(FBD)和基于文本的高级语言ST以外，还可以使用运动控制图(MCC)编制运动顺序，使用驱动控制图(DCC)以结构方式轻松实现增强型控制任务[2]。

文中直角坐标机器人使用的是基于驱动的SIMOTION-D中的SIMOTION-D425，其内部集成SINAMICS S120驱动控制单元，最小用户任务周期和总线循环时间为0.5 ms。支持PROFIBUS、PROFINET 及工业以太网等通讯方式，集运动控制、逻辑控制与工艺控制功能于一身，能够最大程度简化工程系统的开发与调试时间，同时还能保证较高的循环率和最高的产品质量。模块化的设计顺应了模块化机器概念的趋势，特别适合紧凑和模块化的设计，其主要功能如下：

2.1.1编程

SIMOTION 的编程语言常用的有MCC、LAD、ST 3种。其中，MCC是一种图形化编程语言，适用于编写顺序执行的程序，如定位、同步等的几乎所有功能都有图形化的命令与之对应，LAD是广泛使用的一种编程语言，它适用于如边沿触发、二进制数据处理等逻辑控制程序。ST是一种基于文本的，类似于PACAL 的高级编程语言，它具有高级语言的各种元素，例如操作符、表达式等，因此适用于处理数据和包含数学算法的程序[1]。

2.1.2I/O能力

SIMOTION-D集成了8路数字量输入、8路数字量输入/输出(可在软件里进行设置对应的点位作为输入或输出)，可以通过增加选项板扩展I/O或是连接分布式

I/O。

2.1.3通讯

SIMOTION-D425本身具有4个DRIVE-CLiQ接口，可通过DRIVE-CLiQ电缆来连接SINAMICS S120组件，2个工业以太网接口(不同网段)，通过以太网电缆连接以太网工作站，如HMI人机界面和PC等，2个PROFIBUS DP接口，通过PROFIBUS电缆连接PROFIBUS DP，如分布式I/O等。

2.1.4轴的配置

SIMOTION-D425可对多达16根轴进行PLC和运动控制，驱动控制功能支持伺服控制、矢量控制和V/f控制[2]。

2.2控制系统硬件结构及搭建

2.2.1控制系统硬件结构

为了达到开放通用的要求且便于系统的扩展和移植，设计中把控制系统划分为3个模块，包括机器人本体模块、运动控制模块和操作模块。模块的分布见图2。机器人本体模块是系统的被控对象，它包括伺服电机、限位开关、接近开关、光电传感器、激光测距传感器、超声波传感器以及机械结构[5]。其中限位开关作为X、Y、Z三轴的硬限位保护，接近开关、光电传感器为系统提供位置检测、物料检测反馈，激光测距传感器和超声波传感器为系统提供物料距离位置、抓取物料时的相关距离值等反馈；运动控制模块主要是SIMOTION-D425运动控制器，主要负责直角坐标机器人的逻辑控制、完成路径规划、根据接收到的运动控制信号及参数作出相关运算并把控制输出送到相应的驱动器或执行器，完成对被控对象的控制等实时性的任务[5]。操作模块即人机界面，设置了对设备进行操作的控制按钮，负责系统的启动、复位、停止、XYZ三轴的手动操作、提供给定位置输入、参数设置等操作以及设备状态显示以及报警信息显示。

2.2.2控制系统硬件搭建

控制系统核心控制器采用SIEMENS SIMOTION D425来实现完成3个伺服轴的控制。通过Ethernet接口连接人机界面进行人机交互，通过Profibus DP接口连接扩展分布式I/O ET 200S。系统的硬件结构见图3，硬件配置见图4，网络配置见图5。

涉及的其它部件及功能如下：

1)电源模块：设计中选用5 kW SLM书本型电源模块，该模块将三相交流电整流成直流电，供给各电机模块，另必须选用与其功率相应的进线电抗器配套使用。

2)电机模块和电机：选用3A书本型单轴电机模块和1FK7伺服电机，分别用于驱动X轴、Y轴和Z轴。电机模块将540 V或600 V的直流电逆变成三相交流电驱动电机运行。

电机模块与SIMOTION D425之间通过DRIVE-CLiQ接口连接进行快速数据交换；伺服电机所带多圈绝对值编码器通过DRIVE-CLIQ电缆连接到对应电机模块上。

3)人机界面：设计中选用了一个MP377 15触摸屏，实现集中控制、显示、报警等工作[3]。

4)分布式I/O：在设计中选用了两块SIMATAC ET200S模块，用于逻辑输入输出信号处理、模拟量信号处理。

2.2.3轴的配置及参数设置

为了与SIMOTION通讯，在自动组态完成后需要手动为SINAMICS-Integrated配置报文。伺服方式下常用的报文可以选择105报文，见图6。

离线状态下进行轴配置，轴的控制类型为速度方式、位置方式和插补方式，轴类型为线性轴。在应用中，需要根据实际情况对各轴的“Mechanics”、“Default”、“Limits”、“Homing”进行设置。在Mechanics选项框中，测量系统选择“Rotary encoder system”,编码器安装方式选择“Motor side”,根据机械设计参数计算出电机每转一圈行走的距离，并将该值填入对应选项处，见图7。在

Default选项框中，可设置各轴的默认参数：方向(正、反向)、速度(mm/s)、速度曲线类型(梯形速度曲线等)、加速度(mm/s2)、减速度(mm/s2)及Jerk(600/s 3)等，见图8。在Limits选项框中，可设置硬限位、软限位和最大速度等，将激活选项勾选，其中硬限位即将各轴对应的限位开关地址写入，软限位即设置编码器的值作为限位保护，最大速度限制了各轴的最大运行速度，见图9。在Homing选项框中，可对各轴回零位方式等进行设置。

完成驱动和轴的配置后下载项目即使用控制面板调试轴，通过控制面板进行轴的运行功能测试，轴运行正常证明前面轴的配置正确否则检，查轴配置。在“Automatic controller setting”功能下对电机进行优化，优化后的计算参数，速度环的比例增益及积分时间的计算值等与默认值不同，如需要使用优化后的新参数，可以选择接受这组新参数。另外，通过使用“Trace”功能来对电机的动态特性进行调试。通过设定所需要观察的物理量曲线，比如转速设定值和转速实际值等。例如我们设定3条曲线：转速设定值、转速实际值和实际电流值，设定转速值后进行测试，并通过改变速度调节器的比例增益系数和积分时间来对电机的动态特性进行调试，根据每次测试的测量曲线确认是否满足所需，可以根据具体情况进行进一步的调节，见图10。

对于4.1以上版本的SIMOTION，其内部集成了路径插补功能，三维以下包括三维的位置控制都可以通过插补的方式来确定路径。路径有直线、圆弧和多项式曲线3种方式，见图11。对于运行相对简单的场合，一般采用直线的方式。

只有4.1以上版本的SIMOTION才可以激活路径插补功能，另外PATH的工艺包需要被激活。在SCOUT中选中所建项目，在下拉菜单中点击”Select

Technology Packages”，弹出下图所示选项框。勾选“PATH”选项激活PATH工艺包。在轴配置过程中选择path interpolation生成了带有路径插补功能的轴，创建PATH OBJECT后在跳出的选项框中选择“Cartesian 3D”(笛卡尔坐标系)，

并在Interconnections中链接到相应的轴上去，见图12。

此次设计中使用直线插补方式，在库文件中提供的指令为_movePathLiner()，输入目标位置的坐标值，当调用此程序块时，三维上的2个轴(X-Y、Y-Z、X-Z)或3个轴(X-Y-Z)都会到达目标位置的坐标值，而轨迹上的每个点都在这条空间直线上。例如三轴联动的插补,目标位置坐标(X∶1 000.0,Y∶800.0,Z∶50.0),定位方式为绝对定位。

myRetDINT :=-movePathLinear

(pathObject:=pathIPO,

pathPlane:=X-Y-Z,

pathMode:=absolute,

X:=1 000.0,

Y:=800.0,

Z:=50.0);

4.1上位机控制系统

上位机控制软件包含上位机PC部分和上位机人机界面两部分。PC部分利用SIEMENS公司提供的SCOUT软件完成下位机控制程序的编写和驱动的配置及参数的设置，只针对机器人的在线监控、动态分析和调试，不用作工业现场连接。工业现场一般都需要实现机器人的脱机运行，故需要开发人机界面部分的控制软件，其主要负责控制命令发送，控制参数的设定、手/自动控制状态的切换，系统的启动、复位和停止，设备状态的监控显示和报警信息显示等，该部分软件使用SIEMENS公司WinCC flexible编写。软件结构见图13，还可根据需要及机器人功能增加相应的功能模块设计。

4.2下位机控制系统

下位机控制程序主要采用MCC、LAD和ST 3种语言编写。这部分是整个控制系

统的核心部分，编程完成整个控制系统的逻辑控制，包括电机控制、规划路径并进行轨迹插补、进行速度处理和设定、各轴位置检测、模拟量与数字量之间的转换、传感器状态查询等高实时性的任务。由于运动控制器支持多个任务同时运行，编程过程中采用模块化的思想，将不同类型的任务编写成不同模块，模块编写好后，分配到执行系统，设定成不同的优先级，根据优先级的高低执行任务程序。

将控制程序划分为手动操作和自动运行两大部分，需要的功能编写成不同的功能块进行调用执行，整体程序结构采用MCC编写。功能块程序采用ST、MCC和LAD编写。这样控制程序结构清晰，简单明了，易读性强，程序结构见图14。

下位机控制程序主要实现以下功能：

1)系统初始化功能

在系统上电时，对相应的参数设置或设定进行参数赋值和复位。

2)回初始位功能

系统在首次上电自动模式启动或停机重新自动模式启动时， X轴、Y轴和Z轴在不同位置按照不同的轨迹回到所设置的初始位，以便在执行任务的过程中按规划的路径运行，规避障碍物以免报警使运行终止。末端执行器上的气缸也要回到默认位置。

3)逻辑处理与I/O管理

主要处理数字量的输入输出和内部数字逻辑，例如启动、复位、停机、急停、指示灯显示、报警等。

4)人机界面管理

控制按钮的操作，如启动、复位、停机、手/自动切换等；控制系统中各项工作参数的设定，如物料信息参数、工作位置等；系统运行参数的显示，如运行速度、加减速度、报警信号等。

5)轴的回零功能

对于位置轴，输入及显示的相关位置时基于轴坐标系统的，轴的坐标系统必须与实际的机械坐标相一致[1]。电机轴上的绝对值编码器，在轴运行前必须进行一次绝对值编码器的校正。故需要将各轴移动到规定的位置进行编码器回零操作，在因为维修等各种原因造成编码器值漂移时，都必须手动模式下执行此功能，再切换到指定模式以保证正常运行。

6)轴的点动功能

在调试、故障排除、维修等情况下都可能需要各轴点动，在手动模式下控制电机以设定的速度运转。

7)复位功能

出现故障报警或工艺报警时，设备停机，在排除故障后，须执行此功能重新启动设备。

8)急停功能

出现紧急情况需要紧急停止设备，在设备外围设置了急停开关，拍下急停开关后将执行该功能停止轴的运行。

9)区域保护功能

在执行任务的过程中要规避障碍物，将障碍物区域划分出来，禁止各轴运行到该区域，防止发生碰撞。

10)模拟量换算功能

激光测距传感器和超声波传感器均为模拟量输出，需要将其换算为距离值才能使用。在换算前需要对其硬件进行示教，将换算出来的距离值显示在人机界面上。

11)区域物料扫描定位功能

在物料摆放位置有偏差的情况下，末端执行器抓取物料前需要计算出物料的准确位置，以便确定抓取时X轴、Y轴和Z轴的目标位置。

12)轴定位功能

在轴运行过程中，按具体情况使用相对定位或绝对定位方式定位，保证轴准确运行到达目标位置。

13)故障报警处理

针对各种可能出现的故障情况，给出输出位并将之与人机界面的故障信息连接，当出现故障报警时能从人机界面查找故障信息。

14)暂停功能

在设备运行过程过程中，为防止机械伤人事故，外围框架安装有机玻璃门防止人员进入，在打开有机玻璃门时设置暂停运行功能，关闭有机玻璃门后恢复运行。

下位机程序控制流程图见图15。

文中提出的机器人控制系统结合了直角坐标机器人的特点，以人机界面和SIMOTION运动控制器相结合为控制平台，以SCOUT软件开发运动控制程序，人机界面进行操作控制和相关参数设定，SIMOTION D运动控制器负责实时性任务。硬件系统的搭建和软件系统的设计均采用了模块化的思想，从而保证了整个系统的开放性、扩展性和可移植性。目前该控制系统用于直角坐标机器人已实现了搬运、码垛功能，整个系统运行平稳，工作正常。

【相关文献】

[1] ON基本使用手册[G]．西门子(中国)有限公司，2009．

[2] ON运动控制器基础应用[G]．西门子(中国)有限公司，2010．

[3] 设备MP370(WinCC flexible)操作指导[G]．西门子(中国)有限公司，2004．

[4] 金鹏．抛光用直角坐标机器人控制系统设计与实现[D]．成都：西华大学，2013．

[5] 文怀兴，柳建华，白路，等．基于Trio运动控制器的直角坐标机器人控制系统[J]．轻工机械，2009,27(3)：50-53．

[6] 杨峰．SMR搬运机械手的PLC控制系统设计[J]．机车车辆工艺，1998(6)：36-40．

2024年2月18日发(作者：公丽雅)

西门子SIMOTION D在直角坐标机器人中的应用

余坤;罗晟;孔德帮;曹松

【摘 要】阐述了一种直角坐标机器人的主要结构及其功能,并阐述了该直角坐标机器人控制系统的硬件结构及工作原理.针对其功能具体开发了控制程序及系统组成.系统采用人机界面与运动控制器相结合的控制方式,人机界面作为上位机,实现对坐标机器人的操作和参数修改及设备状态、故障报警显示等,以SIMOTION D运动控制器为系统控制核心.在设计过程中硬件和软件都采用了模块化的思想,使控制系统具备开放性和可移植性的优点.

【期刊名称】《有色金属设计》

【年(卷),期】2017(044)001

【总页数】9页(P72-80)

【关键词】直角坐标机器人;SIMOTION D运动控制器;机器人控制系统;人机界面

【作 者】余坤;罗晟;孔德帮;曹松

【作者单位】昆明鼎承科技有限公司,云南昆明650400;昆明鼎承科技有限公司,云南昆明650400;昆明鼎承科技有限公司,云南昆明650400;昆明鼎承科技有限公司,云南昆明650400

【正文语种】中 文

【中图分类】TH166

直角坐标机器人具有多个自由度且运动自由度构成空间直角的关系，可重复编程实现自动控制，所有运动按所编程序运行。一般由控制系统、驱动系统、机械系统和

末端执行器组成，具有灵活、多功能等特点，被广泛用于工业生产中。文中直角坐标机器人是以直角坐标系统为基本数学模型，以伺服电机驱动的各轴为基本工作单元，以同步带为传动方式所架构起来的机器人系统。

直角坐标机器人的控制系统是一种典型的多轴运动控制系统，文中介绍了一种基于西门子SIMOTION D运动控制器的控制系统,以人机界面和运动控制器相结合的方式，实现对直角坐标机器人的驱动及编程控制，将X、Y、Z轴上的线性运动通过不同的插补方式，完成在系统所构建的三维坐标系中任意一点的到达且遵循可控的运动轨迹。

1.1直角坐标机器人的主要机构

机构示意见图1，主要结构见表1。

1.2功能描述

该直角坐标机器人具有3个自由度,分别是X轴向运动、Y轴向运动和Z轴向运动。X轴向运动由1台伺服电机驱动X轴并带动Y轴、Z轴和末端执行器在X方向上运动；Y轴向运动由1台伺服电机驱动Y轴并带动Z轴和末端执行器在Y方向上运动；Z轴向运动由1台伺服电机驱动Z轴并带动末端执行器在Z方向上运动；由气缸驱动末端执行器抓取物料，然后通过3轴的运行将物料搬运到指定位置；配置的检测开关及传感器检测物料及定位，得到末端执行器抓取物料的位置。3个轴可在各自电机的带动下实现单独运动或者联动。

2.1主要硬件功能

SIMOTION 运动控制系统由硬件平台、工程开发系统以及运行时软件模块组成。

SIMOTION主要有逻辑控制功能、运动控制功能和其他工艺功能三大功能。在运动控制要求比较高的场合中，SIMOTION强大的功能性使得PLC不再成为必要，它自带的梯形图编程工具使得用户可以方便地从使用PLC到SIMOTION 的过渡。对于各种运动控制，SIMOTION 还提供了多种可扩展的工艺包，用户可以根据自

己的需要来选择，从而节省了工程成本。SIMOTION 有SIMOTION-C、SIMOTION-P 和SIMOTION-D 3种硬件平台，文中介绍的是基于驱动的SIMOTION D运动控制器。使用的软件平台为西门子公司开发的SCOUT软件，该软件集成了工程开发中所需的所有步骤，从硬件组态与参数设置，到编程、测试与诊断。它具有图形化的用户指南以及文字和图形化的编程提示，提供了多种编程环境，除了梯形图(LAD)、功能块图(FBD)和基于文本的高级语言ST以外，还可以使用运动控制图(MCC)编制运动顺序，使用驱动控制图(DCC)以结构方式轻松实现增强型控制任务[2]。

文中直角坐标机器人使用的是基于驱动的SIMOTION-D中的SIMOTION-D425，其内部集成SINAMICS S120驱动控制单元，最小用户任务周期和总线循环时间为0.5 ms。支持PROFIBUS、PROFINET 及工业以太网等通讯方式，集运动控制、逻辑控制与工艺控制功能于一身，能够最大程度简化工程系统的开发与调试时间，同时还能保证较高的循环率和最高的产品质量。模块化的设计顺应了模块化机器概念的趋势，特别适合紧凑和模块化的设计，其主要功能如下：

2.1.1编程

SIMOTION 的编程语言常用的有MCC、LAD、ST 3种。其中，MCC是一种图形化编程语言，适用于编写顺序执行的程序，如定位、同步等的几乎所有功能都有图形化的命令与之对应，LAD是广泛使用的一种编程语言，它适用于如边沿触发、二进制数据处理等逻辑控制程序。ST是一种基于文本的，类似于PACAL 的高级编程语言，它具有高级语言的各种元素，例如操作符、表达式等，因此适用于处理数据和包含数学算法的程序[1]。

2.1.2I/O能力

SIMOTION-D集成了8路数字量输入、8路数字量输入/输出(可在软件里进行设置对应的点位作为输入或输出)，可以通过增加选项板扩展I/O或是连接分布式

I/O。

2.1.3通讯

SIMOTION-D425本身具有4个DRIVE-CLiQ接口，可通过DRIVE-CLiQ电缆来连接SINAMICS S120组件，2个工业以太网接口(不同网段)，通过以太网电缆连接以太网工作站，如HMI人机界面和PC等，2个PROFIBUS DP接口，通过PROFIBUS电缆连接PROFIBUS DP，如分布式I/O等。

2.1.4轴的配置

SIMOTION-D425可对多达16根轴进行PLC和运动控制，驱动控制功能支持伺服控制、矢量控制和V/f控制[2]。

2.2控制系统硬件结构及搭建

2.2.1控制系统硬件结构

为了达到开放通用的要求且便于系统的扩展和移植，设计中把控制系统划分为3个模块，包括机器人本体模块、运动控制模块和操作模块。模块的分布见图2。机器人本体模块是系统的被控对象，它包括伺服电机、限位开关、接近开关、光电传感器、激光测距传感器、超声波传感器以及机械结构[5]。其中限位开关作为X、Y、Z三轴的硬限位保护，接近开关、光电传感器为系统提供位置检测、物料检测反馈，激光测距传感器和超声波传感器为系统提供物料距离位置、抓取物料时的相关距离值等反馈；运动控制模块主要是SIMOTION-D425运动控制器，主要负责直角坐标机器人的逻辑控制、完成路径规划、根据接收到的运动控制信号及参数作出相关运算并把控制输出送到相应的驱动器或执行器，完成对被控对象的控制等实时性的任务[5]。操作模块即人机界面，设置了对设备进行操作的控制按钮，负责系统的启动、复位、停止、XYZ三轴的手动操作、提供给定位置输入、参数设置等操作以及设备状态显示以及报警信息显示。

2.2.2控制系统硬件搭建

控制系统核心控制器采用SIEMENS SIMOTION D425来实现完成3个伺服轴的控制。通过Ethernet接口连接人机界面进行人机交互，通过Profibus DP接口连接扩展分布式I/O ET 200S。系统的硬件结构见图3，硬件配置见图4，网络配置见图5。

涉及的其它部件及功能如下：

1)电源模块：设计中选用5 kW SLM书本型电源模块，该模块将三相交流电整流成直流电，供给各电机模块，另必须选用与其功率相应的进线电抗器配套使用。

2)电机模块和电机：选用3A书本型单轴电机模块和1FK7伺服电机，分别用于驱动X轴、Y轴和Z轴。电机模块将540 V或600 V的直流电逆变成三相交流电驱动电机运行。

电机模块与SIMOTION D425之间通过DRIVE-CLiQ接口连接进行快速数据交换；伺服电机所带多圈绝对值编码器通过DRIVE-CLIQ电缆连接到对应电机模块上。

3)人机界面：设计中选用了一个MP377 15触摸屏，实现集中控制、显示、报警等工作[3]。

4)分布式I/O：在设计中选用了两块SIMATAC ET200S模块，用于逻辑输入输出信号处理、模拟量信号处理。

2.2.3轴的配置及参数设置

为了与SIMOTION通讯，在自动组态完成后需要手动为SINAMICS-Integrated配置报文。伺服方式下常用的报文可以选择105报文，见图6。

离线状态下进行轴配置，轴的控制类型为速度方式、位置方式和插补方式，轴类型为线性轴。在应用中，需要根据实际情况对各轴的“Mechanics”、“Default”、“Limits”、“Homing”进行设置。在Mechanics选项框中，测量系统选择“Rotary encoder system”,编码器安装方式选择“Motor side”,根据机械设计参数计算出电机每转一圈行走的距离，并将该值填入对应选项处，见图7。在

Default选项框中，可设置各轴的默认参数：方向(正、反向)、速度(mm/s)、速度曲线类型(梯形速度曲线等)、加速度(mm/s2)、减速度(mm/s2)及Jerk(600/s 3)等，见图8。在Limits选项框中，可设置硬限位、软限位和最大速度等，将激活选项勾选，其中硬限位即将各轴对应的限位开关地址写入，软限位即设置编码器的值作为限位保护，最大速度限制了各轴的最大运行速度，见图9。在Homing选项框中，可对各轴回零位方式等进行设置。

完成驱动和轴的配置后下载项目即使用控制面板调试轴，通过控制面板进行轴的运行功能测试，轴运行正常证明前面轴的配置正确否则检，查轴配置。在“Automatic controller setting”功能下对电机进行优化，优化后的计算参数，速度环的比例增益及积分时间的计算值等与默认值不同，如需要使用优化后的新参数，可以选择接受这组新参数。另外，通过使用“Trace”功能来对电机的动态特性进行调试。通过设定所需要观察的物理量曲线，比如转速设定值和转速实际值等。例如我们设定3条曲线：转速设定值、转速实际值和实际电流值，设定转速值后进行测试，并通过改变速度调节器的比例增益系数和积分时间来对电机的动态特性进行调试，根据每次测试的测量曲线确认是否满足所需，可以根据具体情况进行进一步的调节，见图10。

对于4.1以上版本的SIMOTION，其内部集成了路径插补功能，三维以下包括三维的位置控制都可以通过插补的方式来确定路径。路径有直线、圆弧和多项式曲线3种方式，见图11。对于运行相对简单的场合，一般采用直线的方式。

只有4.1以上版本的SIMOTION才可以激活路径插补功能，另外PATH的工艺包需要被激活。在SCOUT中选中所建项目，在下拉菜单中点击”Select

Technology Packages”，弹出下图所示选项框。勾选“PATH”选项激活PATH工艺包。在轴配置过程中选择path interpolation生成了带有路径插补功能的轴，创建PATH OBJECT后在跳出的选项框中选择“Cartesian 3D”(笛卡尔坐标系)，

并在Interconnections中链接到相应的轴上去，见图12。

此次设计中使用直线插补方式，在库文件中提供的指令为_movePathLiner()，输入目标位置的坐标值，当调用此程序块时，三维上的2个轴(X-Y、Y-Z、X-Z)或3个轴(X-Y-Z)都会到达目标位置的坐标值，而轨迹上的每个点都在这条空间直线上。例如三轴联动的插补,目标位置坐标(X∶1 000.0,Y∶800.0,Z∶50.0),定位方式为绝对定位。

myRetDINT :=-movePathLinear

(pathObject:=pathIPO,

pathPlane:=X-Y-Z,

pathMode:=absolute,

X:=1 000.0,

Y:=800.0,

Z:=50.0);

4.1上位机控制系统

上位机控制软件包含上位机PC部分和上位机人机界面两部分。PC部分利用SIEMENS公司提供的SCOUT软件完成下位机控制程序的编写和驱动的配置及参数的设置，只针对机器人的在线监控、动态分析和调试，不用作工业现场连接。工业现场一般都需要实现机器人的脱机运行，故需要开发人机界面部分的控制软件，其主要负责控制命令发送，控制参数的设定、手/自动控制状态的切换，系统的启动、复位和停止，设备状态的监控显示和报警信息显示等，该部分软件使用SIEMENS公司WinCC flexible编写。软件结构见图13，还可根据需要及机器人功能增加相应的功能模块设计。

4.2下位机控制系统

下位机控制程序主要采用MCC、LAD和ST 3种语言编写。这部分是整个控制系

统的核心部分，编程完成整个控制系统的逻辑控制，包括电机控制、规划路径并进行轨迹插补、进行速度处理和设定、各轴位置检测、模拟量与数字量之间的转换、传感器状态查询等高实时性的任务。由于运动控制器支持多个任务同时运行，编程过程中采用模块化的思想，将不同类型的任务编写成不同模块，模块编写好后，分配到执行系统，设定成不同的优先级，根据优先级的高低执行任务程序。

将控制程序划分为手动操作和自动运行两大部分，需要的功能编写成不同的功能块进行调用执行，整体程序结构采用MCC编写。功能块程序采用ST、MCC和LAD编写。这样控制程序结构清晰，简单明了，易读性强，程序结构见图14。

下位机控制程序主要实现以下功能：

1)系统初始化功能

在系统上电时，对相应的参数设置或设定进行参数赋值和复位。

2)回初始位功能

系统在首次上电自动模式启动或停机重新自动模式启动时， X轴、Y轴和Z轴在不同位置按照不同的轨迹回到所设置的初始位，以便在执行任务的过程中按规划的路径运行，规避障碍物以免报警使运行终止。末端执行器上的气缸也要回到默认位置。

3)逻辑处理与I/O管理

主要处理数字量的输入输出和内部数字逻辑，例如启动、复位、停机、急停、指示灯显示、报警等。

4)人机界面管理

控制按钮的操作，如启动、复位、停机、手/自动切换等；控制系统中各项工作参数的设定，如物料信息参数、工作位置等；系统运行参数的显示，如运行速度、加减速度、报警信号等。

5)轴的回零功能

对于位置轴，输入及显示的相关位置时基于轴坐标系统的，轴的坐标系统必须与实际的机械坐标相一致[1]。电机轴上的绝对值编码器，在轴运行前必须进行一次绝对值编码器的校正。故需要将各轴移动到规定的位置进行编码器回零操作，在因为维修等各种原因造成编码器值漂移时，都必须手动模式下执行此功能，再切换到指定模式以保证正常运行。

6)轴的点动功能

在调试、故障排除、维修等情况下都可能需要各轴点动，在手动模式下控制电机以设定的速度运转。

7)复位功能

出现故障报警或工艺报警时，设备停机，在排除故障后，须执行此功能重新启动设备。

8)急停功能

出现紧急情况需要紧急停止设备，在设备外围设置了急停开关，拍下急停开关后将执行该功能停止轴的运行。

9)区域保护功能

在执行任务的过程中要规避障碍物，将障碍物区域划分出来，禁止各轴运行到该区域，防止发生碰撞。

10)模拟量换算功能

激光测距传感器和超声波传感器均为模拟量输出，需要将其换算为距离值才能使用。在换算前需要对其硬件进行示教，将换算出来的距离值显示在人机界面上。

11)区域物料扫描定位功能

在物料摆放位置有偏差的情况下，末端执行器抓取物料前需要计算出物料的准确位置，以便确定抓取时X轴、Y轴和Z轴的目标位置。

12)轴定位功能

在轴运行过程中，按具体情况使用相对定位或绝对定位方式定位，保证轴准确运行到达目标位置。

13)故障报警处理

针对各种可能出现的故障情况，给出输出位并将之与人机界面的故障信息连接，当出现故障报警时能从人机界面查找故障信息。

14)暂停功能

在设备运行过程过程中，为防止机械伤人事故，外围框架安装有机玻璃门防止人员进入，在打开有机玻璃门时设置暂停运行功能，关闭有机玻璃门后恢复运行。

下位机程序控制流程图见图15。

文中提出的机器人控制系统结合了直角坐标机器人的特点，以人机界面和SIMOTION运动控制器相结合为控制平台，以SCOUT软件开发运动控制程序，人机界面进行操作控制和相关参数设定，SIMOTION D运动控制器负责实时性任务。硬件系统的搭建和软件系统的设计均采用了模块化的思想，从而保证了整个系统的开放性、扩展性和可移植性。目前该控制系统用于直角坐标机器人已实现了搬运、码垛功能，整个系统运行平稳，工作正常。

【相关文献】

[1] ON基本使用手册[G]．西门子(中国)有限公司，2009．

[2] ON运动控制器基础应用[G]．西门子(中国)有限公司，2010．

[3] 设备MP370(WinCC flexible)操作指导[G]．西门子(中国)有限公司，2004．

[4] 金鹏．抛光用直角坐标机器人控制系统设计与实现[D]．成都：西华大学，2013．

[5] 文怀兴，柳建华，白路，等．基于Trio运动控制器的直角坐标机器人控制系统[J]．轻工机械，2009,27(3)：50-53．

[6] 杨峰．SMR搬运机械手的PLC控制系统设计[J]．机车车辆工艺，1998(6)：36-40．