Планирование путей без обучения для 2-осевых порталов с использованием MATLAB и PLCnext

📌 Автор(ы): Роман Майер, Маркус Хозер 📌 Компания: maku engineering GmbH 📌 Контакт: rommayer@maku-engineering.com, marhoser@maku-engineering.com 📌 Технологии: MATLAB/Simulink, Simscape, Phoenix Contact PLCnext, Приводы Siemens, Робототехнический инструментарий Питера Корке

Мотивация: Зачем планирование путей без обучения?

В промышленной автоматизации 2-осевые порталы широко используются — от станков с ЧПУ и роботов pick-and-place до систем материального потока. Программирование этих порталов часто выполняется через обучение (teaching), то есть оператор вручную перемещает систему в желаемые позиции, сохраняет их как путевые точки и определяет траекторию.

Проблема:

• Обучение требует много времени и подвержено ошибкам.
• Изменения в среде или системе требуют переобучения.
• Автоматизированные решения часто дороги и требуют сложной интеграции.

Наше решение: Мы разработали систему планирования путей без обучения, которая устраняет необходимость в ручных процессах обучения. Вместо этого интеллектуальный алгоритм автоматически генерирует траекторию без столкновений.

Цель:

• Автоматическое планирование путей для 2-осевого портала
• Использование MATLAB/Simulink и Simscape для моделирования и симуляции
• Генерация кода для ПЛК Phoenix Contact (AXC F 3152)
• Интеграция приводов Siemens SINAMICS S210 через Profinet

📌 Изображения/Визуализации можно найти в последнем разделе!

Техническая реализация

Наша система планирования путей использует алгоритм mobileRobotPRM из MATLAB для генерации путевых точек. Это означает:

🟢 Автоматизированное планирование путей

• Среда представлена в виде карты (матрицы).
• Препятствия обнаруживаются и избегаются.
• Вычисляется кратчайший путь без столкновений.

🟢 Моделирование в MATLAB/Simulink

• Simscape Multibody для физической симуляции системы портала
• Simscape Electrical для интеграции сервоприводов Siemens
• Робототехнический инструментарий Питера Корке для планирования путей [https://github.com/petercorke/robotics-toolbox-matlab]

🟢 Генерация кода и управление

• Запланированный путь преобразуется в исполняемый код для ПЛК Phoenix Contact с использованием Simulink Coder и Embedded Coder.
• ПЛК отправляет точки траектории через Profinet приводам Siemens.

Преимущество: Вся система может быть сначала смоделирована, а затем напрямую перенесена на реальное оборудование.

Кроме того, мы успешно интегрировали двигатели Siemens с поддержкой Phoenix Contact без необходимости дополнительных лицензий. Это стало возможным за счет использования файлов описания устройств инвертора Siemens (GSDML-файлы) для обеспечения Profinet-коммуникации.

Потенциал расширения

Наша система модульная и может быть расширена при соответствующих усилиях:

🔹 Замена механической модели и настройка приводов

• Механическая модель может быть заменена с использованием CAD-данных, при условии наличия необходимых инструментальных средств.
• На основе желаемой динамики конфигурацию привода можно предварительно смоделировать для оптимизации производительности.

🔹 Динамические обновления среды

• Текущая статическая карта может быть заменена системой обработки изображений.
• Камеры или LiDAR-датчики могут использоваться для обнаружения среды.
• Карта может обновляться непрерывно во время выполнения для учета движущихся препятствий.

🔹 Расширение до многоосевых систем

• В настоящее время система предназначена для 2-осевого движения (X/Y).
• Расширение до 3-осевых систем (X/Y/Z) возможно. Это требует: * Адаптации механической модели * Интеграции третьего привода, который должен быть включен в алгоритм планирования путей

Заключение и перспективы

Наше планирование путей без обучения обеспечивает: ✔ Экономию времени — ручное обучение не требуется ✔ Гибкость — изменения среды учитываются автоматически ✔ Легкую реализацию — прямая генерация кода для ПЛК Phoenix Contact

Что дальше?

Части этого проекта основаны на репозитории с открытым исходным кодом и свободно доступны. Наши улучшения и программы могут быть предоставлены бесплатно по запросу. Конечно, мы также открыты для звонка, если необходимо.

В зависимости от интереса к этой статье мы планируем:

• Предложить это решение как бесплатное приложение через эту запись блога
• Опубликовать его на платформе MathWorks

Вопросы, предложения или идеи? Не стесняйтесь оставлять комментарий или связаться с нами напрямую!

Аппаратная настройка / Впечатления / Результаты

Наша аппаратная настройка состояла из:

• ПЛК Phoenix Contact AXC F 3152 для управления
• Двух двигателей Siemens для привода
• Полностью виртуальной механики — вся механическая система смоделирована в MATLAB/Simulink и Simscape

Была использована следующая карта для выполнения/создания:

Ширина препятств скорректирована в соответствии с инструментом. Кроме того, автоматически сгенерированные опорные точки от старта до целевой точки показаны красным.

Сохраненные путевые точки нужно сгладить для достижения бесшовных переходов между разными фазами ускорения. Кроме того, критически важно, что путь остается дифференцируемым, чтобы предотвратить замедление моторов до нулевой скорости.

Движение обоих моторов синхронизировано, их фазы ускорения координированы для обеспечения плавной работы.

Наконец, вот изображение успешной генерации кода подмодели для планирования путей. Интеграция сгенерированного объекта может быть выполнена один-в-один, следуя описаниям, предоставленным Phoenix Contact!

Примечание:

Блог Makers демонстрирует приложения и пользовательские истории членов сообщества, которые не тестировались и не проверялись Phoenix Contact. Используйте их на свой страх и риск.