Lehrfreie Bahnplanung für 2-Achs-Portale mit MATLAB & PLCnext

📌 Autor(en): Roman Mayer, Markus Hoser 📌 Firma: maku engineering GmbH 📌 Kontakt: rommayer@maku-engineering.com, marhoser@maku-engineering.com 📌 Technologien: MATLAB/Simulink, Simscape, Phoenix Contact PLCnext, Siemens Antriebe, Peter Corkes Robotic Toolbox

Motivation: Warum lehrfreie Bahnplanung?

In der industriellen Automatisierung werden 2-Achs-Portale weit verbreitet eingesetzt – von CNC-Maschinen und Pick-and-Place-Robotern bis hin zu Materialhandhabungssystemen. Die Programmierung dieser Portale erfolgt oft über Teachen, d. h. der Bediener bewegt das System manuell zu gewünschten Positionen, speichert diese als Wegpunkte und definiert eine Bahn.

Das Problem:

• Teachen ist zeitaufwändig und fehleranfällig.
• Änderungen in der Umgebung oder am System erfordern Neulernen.
• Automatisierte Lösungen sind oft teuer und erfordern komplexe Integrationen.

Unsere Lösung: Wir haben ein lehrfreies Bahnplanungssystem entwickelt, das die Notwendigkeit manueller Teach-Prozesse eliminiert. Stattdessen generiert ein intelligenter Algorithmus automatisch die kollisionsfreie Bahn.

Ziel:

• Automatische Bahnplanung für ein 2-Achs-Portal
• Einsatz von MATLAB/Simulink & Simscape für Modellierung und Simulation
• Codegenerierung für eine Phoenix Contact SPS (AXC F 3152)
• Integration von Siemens SINAMICS S210 Antrieben über Profinet

📌 Bilder/Visualisierungen finden Sie im letzten Abschnitt!

Technische Umsetzung

Unser Bahnplanungssystem nutzt den mobileRobotPRM-Algorithmus von MATLAB zur Generierung von Wegpunkten. Das bedeutet:

🟢 Automatisierte Bahnplanung

• Die Umgebung wird als Karte (Matrix) dargestellt.
• Hindernisse werden erkannt und umfahren.
• Der kürzeste, kollisionsfreie Pfad wird berechnet.

🟢 Modellierung in MATLAB/Simulink

• Simscape Multibody für die physikalische Simulation des Portalsystems
• Simscape Electrical für die Integration von Siemens Servomotoren
• Peter Corkes Robotic Toolbox für Bahnplanung [https://github.com/petercorke/robotics-toolbox-matlab]

🟢 Codegenerierung & Steuerung

• Der geplante Pfad wird in ausführbaren Code für die Phoenix Contact SPS umgewandelt, mithilfe von Simulink Coder & Embedded Coder.
• Die SPS sendet Bahnpunkte über Profinet an die Siemens Antriebe.

Vorteil: Das gesamte System kann zuerst simuliert und dann direkt auf die reale Hardware übertragen werden.

Zusätzlich gelang die Integration von Siemens Motoren mit Phoenix Contact Support erfolgreich, ohne zusätzliche Lizenzen. Dies wurde durch die Verwendung der Siemens Umrichter-Gerätebeschreibungsdateien (GSDML-Dateien) zur Ermöglichung der Profinet-Kommunikation ermöglicht.

Erweiterungspotenzial

Unser System ist modular und kann mit entsprechendem Aufwand erweitert werden:

🔹 Austausch des mechanischen Modells und Anpassung der Antriebe

• Das mechanische Modell kann mithilfe von CAD-Daten ersetzt werden, sofern die notwendigen Toolboxes verfügbar sind.
• Basierend auf der gewünschten Dynamik kann die Antriebskonfiguration vorab simuliert werden, um die Leistung zu optimieren.

🔹 Dynamische Umgebungsaktualisierungen

• Die aktuelle statische Karte kann durch ein Bildverarbeitungssystem ersetzt werden.
• Kameras oder LiDAR-Sensoren könnten für die Umgebungsdetektion verwendet werden.
• Die Karte kann während der Ausführung kontinuierlich aktualisiert werden, um bewegte Hindernisse zu berücksichtigen.

🔹 Erweiterung auf Mehr-Achs-Systeme

• Derzeit ist das System für 2-Achs-Bewegung (X/Y) ausgelegt.
• Eine Erweiterung auf 3-Achs-Systeme (X/Y/Z) ist möglich. Dies erfordert: * Anpassung des mechanischen Modells * Integration eines dritten Antriebs, der in den Bahnplanungsalgorithmus eingebunden werden muss

Fazit & Ausblick

Unsere lehrfreie Bahnplanung ermöglicht: ✔ Zeitersparnis – Kein manuelles Teachen erforderlich ✔ Flexibilität – Umgebungsänderungen werden automatisch berücksichtigt ✔ Einfache Implementierung – Direkte Codegenerierung für Phoenix Contact SPS

Was kommt als Nächstes?

Teile dieses Projekts basieren auf einem Open-Source-Repository und sind frei verfügbar. Unsere Erweiterungen und Programme können auf Anfrage kostenlos bereitgestellt werden. Natürlich sind wir auch für einen Anruf offen.

Je nach Interesse an diesem Blog-Beitrag planen wir:

• Diese Lösung als kostenlose App über diesen Blog-Eintrag anzubieten
• Sie auf der MathWorks-Plattform zu veröffentlichen

Fragen, Anregungen oder Ideen? Fühlen Sie sich frei, einen Kommentar zu hinterlassen oder uns direkt zu kontaktieren!

Hardware-Setup / Eindrücke / Ergebnisse

Unser Hardware-Setup bestand aus:

• Phoenix Contact AXC F 3152 SPS für die Steuerung
• Zwei Siemens Motoren für die Antrieb
• Vollständig virtuelle Mechanik – Das gesamte mechanische System wurde in MATLAB/Simulink & Simscape simuliert

Die folgende Karte wurde für Ausführung/Erstellung verwendet:

Die Breite der Hindernisse wird gemäß dem Werkzeug angepasst. Zusätzlich sind die automatisch generierten Stützpunkte vom Start- zum Zielpunkt in Rot dargestellt.

Die gespeicherten Wegpunkte müssen geglättet werden, um nahtlose Übergänge zwischen verschiedenen Beschleunigungsphasen zu erreichen. Zudem ist es entscheidend, dass der Pfad differenzierbar bleibt, um ein Abbremsen der Motoren auf Nullgeschwindigkeit zu verhindern.

Die Bewegung beider Motoren ist synchronisiert, wobei ihre Beschleunigungsphasen koordiniert sind, um einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten.

Schließlich hier ein Bild der erfolgreichen Codegenerierung des Teilmodells für die Bahnplanung. Die Integration des generierten Objekts kann eins-zu-eins gemäß den von Phoenix Contact bereitgestellten Beschreibungen erfolgen!

Hinweis:

Der Makers Blog zeigt Anwendungen und Benutzerberichte von Community-Mitgliedern, die nicht von Phoenix Contact getestet oder überprüft wurden. Verwendung auf eigenes Risiko.