基于PLC的藥房碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

侯 輝，劉廣瑞

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

在自動化立體倉庫技術(shù)日益成熟的今天，碼垛機(jī)器人的應(yīng)用也逐漸普及，它不僅極大地降低了人的勞動強(qiáng)度，提高了勞動效率，還具有出錯率低、便于聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國大力發(fā)展輕工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的呼聲漸高，小型、經(jīng)濟(jì)、自動化程度高的碼垛機(jī)器人成為市場的急需品，在這個(gè)市場幾近空白的前提下，本文提出一種全新的碼垛機(jī)器人系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)在PLC的控制下，由伺服電機(jī)驅(qū)動一個(gè)四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，依靠真空吸附技術(shù)實(shí)現(xiàn)藥物抓取。因?yàn)樗欧姍C(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器可以形成局部閉環(huán)，保證了一定的精確度，所以整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成開環(huán)的，省去了尋址環(huán)節(jié)，可以使系統(tǒng)可靠性更高。由PC機(jī)和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上位控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測，節(jié)約了成本；由PROFIBUS-DP總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組網(wǎng)，可靠性更高。

除了本文提到的藥房自動存取藥應(yīng)用外，通過對PLC編程和末端手改造可以使系統(tǒng)靈活運(yùn)用于圖書館自助借還書、超市自動存取包、飯店自動上菜等領(lǐng)域，具有極大的市場空間。

1 藥房碼垛機(jī)器人系統(tǒng)分析

1.1 控制系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以PC機(jī)作為主控機(jī)，其上搭載西門子CP5611通信網(wǎng)卡以及組態(tài)王人機(jī)交互軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信、機(jī)器人操作和藥柜信息監(jiān)測等。歐姆龍CP1H PLC搭載PROFIBUS總線單元和擴(kuò)展I/O單元，通過伺服、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動機(jī)器人電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動控制。

圖1 控制系統(tǒng)構(gòu)架框圖

圖1即為藥房碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)架框圖。

1.2 碼垛機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡介

該系統(tǒng)采用直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人，這種典型結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、重復(fù)定位精度高和經(jīng)濟(jì)性良好等優(yōu)點(diǎn)。其中橫軸為Ⅰ軸，縱軸為Ⅱ軸，豎軸為Ⅲ軸，手爪旋轉(zhuǎn)軸為Ⅳ軸。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

碼垛機(jī)器人由三個(gè)直線電控工作臺和一個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺外加真空吸盤組成。其中Ⅰ軸和Ⅱ軸除了行程不一致以外，自身結(jié)構(gòu)形式完全相同，均采用直線導(dǎo)軌支撐、滾珠絲杠傳動的機(jī)構(gòu)，具有承載能力強(qiáng)，安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。Ⅲ軸因承載較低，故采用光軸支撐、滾珠絲杠傳動的結(jié)構(gòu)。三個(gè)軸互成直角搭建而成，是典型的直角坐標(biāo)機(jī)器人。Ⅳ軸為旋轉(zhuǎn)軸，采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，通過支架與Ⅲ軸平臺相連。機(jī)器人的末端手連接在Ⅳ軸上，采用真空吸附的形式抓取藥品。Ⅰ軸和Ⅲ軸由伺服電機(jī)驅(qū)動，通過旋轉(zhuǎn)編碼器形成局部閉環(huán)，保證了工作精度?？紤]到Ⅱ軸和Ⅳ軸相對精度要求較低，可選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖2 碼垛機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

該碼垛機(jī)器人最大負(fù)載10kg，最高速度0.3m/s，定位精度±0.7mm，重復(fù)定位精度±0.05mm。

1.3 藥柜的設(shè)計(jì)

藥柜的設(shè)計(jì)參照自動化立體倉庫，碼垛機(jī)器人兩側(cè)各有一個(gè)藥柜，提高了空間利用率。如圖3所示。每一種藥品對應(yīng)一個(gè)倉格，倉格內(nèi)裝有微動開關(guān)，用來檢測藥品有無。常用藥放在靠近出口的一端以提高效率。工作人員拿到處方以后將信息輸入計(jì)算機(jī)，碼垛機(jī)器人移動到相應(yīng)的倉格將藥品取出。

圖3 藥柜立體模型圖

2 PLC在藥房碼垛機(jī)器人中的應(yīng)用

2.1 PLC的選用

考察了各種PLC的特點(diǎn)以后，本系統(tǒng)選用了歐姆龍的CP1H-X40DT-D PLC。該型號的PLC是歐姆龍公司為滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)υO(shè)備的高性能、高集成度以及高維護(hù)性能的需求，而推出的具有高度擴(kuò)展性的小型一體化PLC。該P(yáng)LC處理速度大幅提高，可達(dá)到大型PLC的指令處理速度；內(nèi)置輸入24點(diǎn)、輸出16點(diǎn)（通過擴(kuò)展I/O單元可達(dá)最多320點(diǎn)輸入輸出）；搭載了最大4軸的100kHz高速脈沖輸出功能，可從內(nèi)置的輸出點(diǎn)發(fā)出固定占空比脈沖信號，輸入到伺服電機(jī)驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)定位或速度控制；搭載了最大4軸單相100kHz、相位差50kHz的高速計(jì)數(shù)功能，將旋轉(zhuǎn)編碼器連接到內(nèi)置輸入，即可進(jìn)行高速計(jì)數(shù)器輸入；可擴(kuò)展CJ系列高功能單元，通過CJ單元適配器可以連接CPU總線單元來實(shí)現(xiàn)上位、下位的網(wǎng)絡(luò)通信。另外，該P(yáng)LC還具有原點(diǎn)搜索、輸入中斷、脈沖接收以及USB串行通信等功能。

2.2 PLC硬件接線圖

如圖4所示即為PLC硬件接線圖，碼垛機(jī)器人的各軸都裝有限位開關(guān)和原點(diǎn)開關(guān)，既可以避免機(jī)器人運(yùn)行過程中與藥柜發(fā)生干涉而保證安全性，又可以隨時(shí)進(jìn)行原點(diǎn)檢查保持高精度。PLC通過控制電磁閥的動作操作真空吸盤，實(shí)現(xiàn)藥品的抓取和釋放。

圖4 PLC硬件接線圖

3 藥房碼垛機(jī)器人開環(huán)控制原理

本系統(tǒng)采用標(biāo)定和機(jī)器學(xué)習(xí)的方式來獲取藥柜各個(gè)倉格的位置。倉格尺寸信息作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編寫進(jìn)PLC程序，藥品信息和倉格位置相關(guān)聯(lián)，一一對應(yīng)。

PLC得到上位PC機(jī)的藥品信息后，先將其關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的倉格，并通過對比目的地址和當(dāng)前地址得出要運(yùn)行的起止距離，然后選用合適的速度運(yùn)行，達(dá)到調(diào)速和停準(zhǔn)的目的。整個(gè)運(yùn)行過程中的速度和位移都采用開環(huán)控制，但由碼垛機(jī)器人的伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器組成的局部閉環(huán)回路可將末端精度控制在±1mm以內(nèi)。考慮到藥品的重量較輕，且藥房規(guī)模較小，完全可以滿足精度的要求。

圖5 碼垛機(jī)器人理想加減速曲線

碼垛機(jī)器人的起止位置是不確定的、離散的，不同的距離對應(yīng)不同的加減速曲線。實(shí)際中碼垛機(jī)器人的運(yùn)行曲線可以概括為幾條理想的加減速曲線，如圖5所示。S4為四個(gè)倉格間的距離，S1為一個(gè)倉格的距離。PLC根據(jù)不同的距離選用不同的加減速曲線運(yùn)行，從而達(dá)到高速運(yùn)行、換速平穩(wěn)、低速停準(zhǔn)的控制要求。控制流程圖如圖6所示。

碼垛機(jī)器人采用開環(huán)控制不需要機(jī)器尋址，精簡了大量傳感器，使整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊、穩(wěn)定，同時(shí)降低了成本。

4 結(jié)束語

圖6 碼垛機(jī)器人運(yùn)行控制流程圖

通過研究與探索，本文將自動化立體倉庫的概念引入藥房，提出一種以碼垛機(jī)器人為載體的自動化取藥理念，并充分利用了CP1H PLC強(qiáng)大的高速脈沖輸出和高速計(jì)數(shù)器功能，實(shí)現(xiàn)了對碼垛機(jī)器人四軸的開環(huán)控制，構(gòu)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定且具有高擴(kuò)展性和高性價(jià)比的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將PLC的高可靠性、模塊化結(jié)構(gòu)和碼垛機(jī)器人的高穩(wěn)定性和強(qiáng)通用性等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，使兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，在醫(yī)藥、餐飲、物流和圖書借閱等行業(yè)具有極強(qiáng)的推廣性。

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