Teach-Free padplanning voor 2-assige portalen met MATLAB &PLCnext

📌 Auteur(s):Roman Mayer, Markus Hoser📌 Bedrijf:maku engineering GmbH📌 Contact:rommayer@maku-engineering.com, marhoser@maku-engineering.com📌 Technologieën:MATLAB/Simulink, Simscape, Phoenix Contact PLCnext, Siemens Drives, Peter Corke’s Robotic Toolbox

Motivatie:waarom lesvrije trajectplanning?

In de industriële automatisering worden 2-assige portalen veel gebruikt – van CNC-machines en pick-and-place-robots tot materiaalhandlingsystemen. Het programmeren van deze portalen gebeurt vaak via lesgeven, wat betekent dat de operator het systeem handmatig naar de gewenste posities beweegt, deze opslaat als waypoints en een traject definieert.

Het probleem:

• Lesgeven is tijdrovend en foutgevoelig.
• Veranderingen in de omgeving of het systeem vereisen opnieuw leren.
• Geautomatiseerde oplossingen zijn vaak duur en vereisen complexe integraties.

Onze oplossing:We hebben een onderwijsvrij trajectplanningssysteem ontwikkeld dat de noodzaak van handmatige onderwijsprocessen elimineert. In plaats daarvan genereert een intelligent algoritme automatisch het botsingsvrije traject.

Doelstelling:

• Automatische padplanning voor een portaal met 2 assen
• Gebruik van MATLAB/Simulink &Simscape voor modellering en simulatie
• Codegeneratie voor een Phoenix Contact PLC (AXC F 3152)
• Integratie van Siemens SINAMICS S210-schijven via Profinet

📌 Afbeeldingen/visualisaties zijn te vinden in de laatste sectie!

Technische implementatie

Ons padplanningssysteem maakt gebruik van het mobileRobotPRM-algoritme van MATLAB om waypoints te genereren. Dit betekent:

🟢 Geautomatiseerde padplanning

• De omgeving wordt weergegeven als een kaart (matrix).
• Obstakels worden gedetecteerd en vermeden.
• Het kortste, botsingsvrije pad wordt berekend.

🟢 Modelleren in MATLAB/Simulink

• Simscape Multibody voor de fysieke simulatie van het portaalsysteem
• Simscape Electrical voor het integreren van Siemens servomotoren
• Peter Corke's Robotic Toolbox voor padplanning [https://github.com/petercorke/robotics-toolbox-matlab]

🟢 Codegeneratie en controle

• Het geplande pad wordt met Simulink Coder &Embedded Coder omgezet in uitvoerbare code voor de Phoenix Contact PLC.
• De PLC verzendt trajectpunten via Profinet naar Siemens-schijven.

Voordeel:Het hele systeem kan eerst worden gesimuleerd en vervolgens direct naar de echte hardware worden overgedragen.

Bovendien hebben we met succes Siemens-motoren met Phoenix Contact-ondersteuning geïntegreerd, zonder dat daarvoor extra licenties nodig waren. Dit werd mogelijk gemaakt door gebruik te maken van de apparaatbeschrijvingsbestanden van de Siemens-omvormer (GSDML-bestanden) om Profinet-communicatie mogelijk te maken.

Uitbreidingspotentieel

Ons systeem is modulair en kan met de nodige inspanning worden uitgebreid:

🔹 Vervanging van het mechanische model en aanpassing van aandrijvingen

• Het mechanische model kan worden vervangen met behulp van CAD-gegevens, op voorwaarde dat de benodigde toolboxen beschikbaar zijn.
• Op basis van de gewenste dynamiek kan de schijfconfiguratie vooraf worden gesimuleerd om de prestaties te optimaliseren.

🔹 Dynamische omgevingsupdates

• De huidige statische kaart kan worden vervangen door een beeldverwerkingssysteem.
• Camera's of LiDAR-sensoren kunnen worden gebruikt voor omgevingsdetectie.
• De kaart kan tijdens de uitvoering voortdurend worden bijgewerkt om rekening te houden met bewegende obstakels.

🔹 Uitbreiding naar meerassige systemen

• Momenteel is het systeem ontworpen voor beweging over twee assen (X/Y).
• Een uitbreiding naar 3-assige systemen (X/Y/Z) is mogelijk. Dit vereist:* Aanpassing van het mechanische model* Integratie van een derde aandrijving, die moet worden opgenomen in het padplanningsalgoritme

Conclusie en vooruitzichten

Onze leervrije padplanning maakt het volgende mogelijk:✔ Tijdbesparing – Geen handmatig lesgeven vereist✔ Flexibiliteit – Er wordt automatisch rekening gehouden met omgevingsveranderingen✔ Eenvoudige implementatie – Directe codegeneratie voor Phoenix Contact PLC

Wat is het volgende?

Delen van dit project zijn gebaseerd op een open-source repository en zijn gratis beschikbaar. Onze verbeteringen en programma's kunnen op verzoek gratis worden geleverd. Uiteraard staan wij ook open voor een telefoontje als dat nodig is.

Afhankelijk van de interesse in deze blogpost zijn we van plan om:

• Bied deze oplossing aan als gratis app via dit blogbericht
• Publiceer het op het MathWorks-platform

Vragen, suggesties of ideeën? Laat gerust een reactie achter of neem direct contact met ons op!

Hardware-installatie/vertoningen/resultaten

Onze hardware-installatie bestond uit:

• Phoenix Contact AXC F 3152 PLC voor besturing
• Twee Siemens-motoren voor bediening
• Volledig virtuele mechanica – Het volledige mechanische systeem werd gesimuleerd in MATLAB/Simulink &Simscape

Voor de uitvoering/creatie werd de volgende kaart gebruikt:

De breedte van de obstakels wordt aangepast aan het gereedschap. Bovendien worden de automatisch gegenereerde steunpunten vanaf het startpunt tot aan het eindpunt rood weergegeven.

De opgeslagen waypoints moeten worden afgevlakt om naadloze overgangen tussen verschillende acceleratiefasen te bereiken. Bovendien is het van cruciaal belang dat het pad differentieerbaar blijft om te voorkomen dat de motoren vertragen naar nulsnelheid.

De beweging van beide motoren is gesynchroniseerd en de versnellingsfasen zijn gecoördineerd om een soepele werking te garanderen.

Tenslotte is hier een afbeelding van de succesvolle codegeneratie van het submodel voor padplanning. De integratie van het gegenereerde object kan één-op-één worden uitgevoerd volgens de beschrijvingen van Phoenix Contact!

Opmerking:

Op de Makers Blog worden toepassingen en gebruikersverhalen van communityleden getoond die niet door Phoenix Contact zijn getest of beoordeeld. Gebruik ze op eigen risico.