MATLAB & PLCnextによる2軸ガントリーのティーチフリー経路計画

📌 著者: Roman Mayer、Markus Hoser 📌 会社: maku engineering GmbH 📌 連絡先: rommayer@maku-engineering.com、marhoser@maku-engineering.com 📌 技術: MATLAB/Simulink、Simscape、Phoenix Contact PLCnext、Siemensドライブ、Peter Corkeのロボティクス ツールボックス

動機: なぜティーチフリー経路計画なのか？

産業オートメーションでは、2軸ガントリーが広く使用されています。CNC工作機械、ピックアンドプレース ロボット、マテリアル ハンドリング システムなどです。これらのガントリーのプログラミングは、多くの場合ティーチングによって行われます。つまり、オペレーターがシステムを所望の位置に手動で移動し、それらをウェイポイントとして保存し、軌道を定義します。

問題点：

• ティーチングは時間がかかり、エラーが発生しやすい。
• 環境やシステムの変更には再学習が必要。
• 自動化ソリューションは高価で複雑な統合を必要とすることが多い。

私たちのソリューション: 手動ティーチング プロセスを不要にするティーチフリー経路計画システムを開発しました。代わりに、インテリジェントなアルゴリズムが衝突フリーの軌道を自動的に生成します。

目的：

• 2軸ガントリーの自動経路計画
• MATLAB/Simulink & Simscapeによるモデリングとシミュレーション
• Phoenix Contact PLC（AXC F 3152）向けコード生成
• Profinet経由でのSiemens SINAMICS S210ドライブの統合

📌 画像/視覚化は最後のセクションにあります！

技術的実装

私たちの経路計画システムは、MATLABのmobileRobotPRMアルゴリズムを使用してウェイポイントを生成します。これは次のことを意味します：

🟢 自動経路計画

• 環境をマップ（行列）として表現。
• 障害物を検出し回避。
• 最短の衝突フリー経路を計算。

🟢 MATLAB/Simulinkでのモデリング

• Simscape Multibodyによるガントリー システムの物理シミュレーション
• Simscape ElectricalによるSiemensサーボ モーターの統合
• Peter Corkeのロボティクス ツールボックスによる経路計画 [https://github.com/petercorke/robotics-toolbox-matlab]

🟢 コード生成と制御

• 計画された経路を、Simulink Coder & Embedded Coderを使用してPhoenix Contact PLC向けの実行可能コードに変換。
• PLCがProfinet経由でSiemensドライブに軌道ポイントを送信。

利点: システム全体をまずシミュレートし、その後実際のハードウェアに直接転送できます。

また、Phoenix Contactのサポートにより、追加ライセンスなしでSiemensモーターを統合することに成功しました。これは、Siemensインバータ デバイス記述ファイル（GSDMLファイル）を使用してProfinet通信を有効にすることで可能になりました。

拡張の可能性

私たちのシステムはモジュラーであり、適切な労力で拡張可能です：

🔹 機械モデルの置き換えとドライブの調整

• 必要なツールボックスが利用可能であれば、CADデータを使用して機械モデルを置き換え可能。
• 望ましいダイナミクスに基づいて、ドライブ構成を事前にシミュレートしてパフォーマンスを最適化。

🔹 動的環境更新

• 現在の静的マップを画像処理システムに置き換え可能。
• カメラやLiDARセンサーを環境検出に使用可能。
• 実行中にマップを継続的に更新して、移動障害物を考慮可能。

🔹 多軸システムへの拡張

• 現在は2軸モーション（X/Y）向けに設計。
• 3軸システム（X/Y/Z）への拡張も可能。これには: * 機械モデルの適応 * 経路計画アルゴリズムに組み込む必要がある第3のドライブの統合

結論と展望

私たちのティーチフリー経路計画により可能になること： ✔ 時間短縮 – 手動ティーチング不要 ✔ 柔軟性 – 環境変化を自動考慮 ✔ 簡単な実装 – Phoenix Contact PLC向け直接コード生成

次のステップは？

このプロジェクトの一部はオープンソース リポジトリに基づいており、自由に利用可能です。私たちの拡張とプログラムは要請があれば無料で提供可能です。もちろん、必要であれば打ち合わせも可能です。

このブログ記事への関心に応じて、以下を計画しています：

• このブログ エントリを通じて、このソリューションを無料アプリとして提供
• MathWorksプラットフォームで公開

質問、提案、アイデアがあれば、コメントを残すか直接お問い合わせください！

ハードウェア セットアップ / 印象 / 結果

私たちのハードウェア セットアップは以下で構成されていました：

• 制御用Phoenix Contact AXC F 3152 PLC
• 駆動用2台のSiemensモーター
• 完全にバーチャルなメカニクス – 機械システム全体をMATLAB/Simulink & Simscapeでシミュレート

実行/作成に使用されたマップ：

障害物の幅はツールに合わせて調整されています。また、開始点から目標点への自動生成されたサポート ポイントが赤で表示されています。

格納されたウェイポイントは、異なる加速フェーズ間のシームレスな遷移を達成するためにスムージングする必要があります。また、モーターがゼロ速度まで減速しないように、経路が微分可能なままであることが重要です。

両モーターの動きは同期され、加速フェーズが調整されてスムーズな動作を確保しています。

最後に、経路計画のサブモデルのコード生成が成功した画像を示します。生成されたオブジェクトの統合は、Phoenix Contactが提供する説明に従って1対1で実行できます！

注記：

Makers Blogは、Phoenix Contactによってテストまたはレビューされていないコミュニティ メンバーのアプリケーションとユーザー ストーリーを紹介しています。自己責任でご利用ください。