直角坐標(biāo)型機器人機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè)計

王占軍，趙玉剛，劉新玉

WANG Zhan-jun, ZHAO Yu-gang, LIU Xin-yu

（山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，淄博 255049）

0 引言

隨著科技的進步及企業(yè)生產(chǎn)自動化水平的提高，碼垛機器人的應(yīng)用越來越廣泛，在大型食品飲料、化工和煤礦等企業(yè)中，現(xiàn)代碼垛技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用,大幅度提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率并降低了勞動力成本[1]。而在瓷磚包裝生產(chǎn)線中，由于瓷磚的重量較大且需要碼垛的距離長，普通的碼垛機器人很難滿足作業(yè)要求。因此需要設(shè)計一種全新的碼垛機器人對瓷磚進行碼垛作業(yè)。

根據(jù)瓷磚包裝生產(chǎn)線的具體碼垛要求，設(shè)計了新型的4自由度的直角坐標(biāo)機器人。該機器人的碼垛距離長且承載能力較大，能夠滿足其作業(yè)要求。該機器人以PLC作為控制系統(tǒng)的核心，配有觸摸屏和其他輔助模塊。該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對機器人的精確控制要求，并且該控制系統(tǒng)的編程簡單，擁有較好的可擴展性和維護性。另外，該機器人的性價比較高，適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。

1 直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

新設(shè)計的直角坐標(biāo)機器人為4自由度的機器人，該機器人能夠?qū)崿F(xiàn)抓手在三維空間內(nèi)沿x軸、y軸和z軸的移動，并且可以完成繞z軸的轉(zhuǎn)動，能夠滿足對瓷磚長距離的碼垛作業(yè)要求。

1.1 直線運動單元的選擇

當(dāng)機器人的抓手在三維空間移動時需要借助直線運動單元，常用的直線運動單元主要有：絲杠螺母副，齒輪齒條副，同步齒型帶等[2]。由于抓手在x軸的移動距離較大，而絲杠和齒條在長度較大時容易產(chǎn)生較大的變形，不宜選用絲杠螺母副和齒輪齒條副。由于齒形帶可以做的較長并且變形較小，因此在x軸方向選用同步齒型帶作為直線運動單元。抓手在y軸和z軸的移動距離較小，絲杠螺母副和齒輪齒條副都能滿足要求，因此在y軸選用滾珠絲杠副作為直線運動單元，在z軸選用齒輪齒條副作為直線運動單元。

1.2 機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)確定機器人的直線運動單元后，對機器人的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。機器人的整體結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示。機器人的驅(qū)動系統(tǒng)為4個伺服電動機，伺服電動機的控制精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)對機器人的精確控制[3]。機器人在作業(yè)過程中首先接收到物料傳遞的信號，然后PLC控制抓手夾緊物料；然后z軸電機通過齒輪齒條副帶動抓手向上移動；到達(dá)一定位置后，x軸和y軸電機在水平面內(nèi)做直線插補運動；當(dāng)抓手到達(dá)跺盤的正上方后，z軸電機反向轉(zhuǎn)動，帶動抓手向下運動；當(dāng)將物料放入跺盤后，抓手釋放物料，完成對物料的碼垛作業(yè)。

圖1 直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)簡圖

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，利用計算機編寫好程序后下載到PLC中，PLC通過控制伺服電動機的轉(zhuǎn)動進而控制機器人的運動，并將機器人的運動信息實時的顯示到人機交互界面上（HMI），以便操作者參考。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

目前工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的控制系統(tǒng)主要分為以下三種：單片機控制系統(tǒng)、微型計算機控制系統(tǒng)以及PLC控制系統(tǒng)[4,5]。由于單片機的穩(wěn)定性較差，數(shù)據(jù)處理能力也難以滿足碼垛要求，因此不能選用單片機作為控制系統(tǒng)的核心。微型計算機在穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理能力方面能夠滿足碼垛機器人的作業(yè)要求，但成本較高，不利于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。而PLC作為控制系統(tǒng)有著巨大的優(yōu)勢，PLC的抗干擾能力強，性價比高，擁有較強的數(shù)據(jù)處理能力，并且PLC的編程簡單、維修方便。因此選用PLC作為碼垛機器人的控制系統(tǒng)的核心。

3.1 PLC的選型

本文選用的P L C 為西門子公司生產(chǎn)的S 7-2 0 0 CPU226的PLC作為控制系統(tǒng)，該PLC的數(shù)據(jù)處理能力強，能夠滿足碼垛機器人的控制要求。PLC連接I/O擴展模塊后，I/O點數(shù)目最大可達(dá)到248點[6]。由于在機器人控制系統(tǒng)中需要用到四個交流伺服電動機的驅(qū)動器，因此PLC需要擴展4個EM253定位控制模塊，以實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器的控制。EM253定位控制模塊輸出脈沖頻率最大可達(dá)到200kHz，能夠滿足伺服電動機的轉(zhuǎn)速要求[7]。

3.2 人機交互模塊設(shè)計

顯示器作為人機交互的終端，應(yīng)實時顯示機器人的運動狀態(tài)，以供操作人員進行參考[8]。觸摸屏作為上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的新的人機互交的技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。不僅節(jié)省了空間，而且方便了操作人員的使用。另外，觸摸屏自帶編程軟件，編程簡單、方便。因此，該控制系統(tǒng)選用觸摸屏作為人機交互的界面。

3.3 控制系統(tǒng)硬件接線圖

直角坐標(biāo)型機器人控制系統(tǒng)的硬件接線如圖3所示。

在對碼垛機器人進行設(shè)計時，各個軸都需要用到限位開關(guān)以及原點復(fù)位開關(guān)，以保證機器人在運動過程中不會發(fā)生碰撞等危險動作，保護機器和操作者的安全[9]。生產(chǎn)線上檢測貨物的傳感器所發(fā)出的信號也需要傳送給PLC，以便PLC作出響應(yīng)。在輸出端PLC通過4個EM253位置控制模塊驅(qū)動4個伺服電動機轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動直角坐標(biāo)機器人運動。

圖3 PLC硬件接線圖

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計對機器人作業(yè)的精度和穩(wěn)定性有著重要影響。PLC控制系統(tǒng)主要包括以下五個模塊：初始化模塊，示教模塊，軌跡規(guī)劃模塊，運行模塊以及監(jiān)視模塊[10]，如圖4所示。

圖4 PLC控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

初始化模塊：當(dāng)PLC上電后，初始化模塊對PLC的CPU及其他各個模塊進行初始化設(shè)置，去除上一次運行時殘留的信息，并檢測各個控制單元運行是否正常。

示教模塊：當(dāng)機器人在第一次作業(yè)時需要對機器人進行示教操作，以便使機器人能夠按照預(yù)定的軌跡運動。在示教過程中，PLC記錄機器人在每個位置下的位姿，并生成相應(yīng)的示教文件。

軌跡規(guī)劃模塊：根據(jù)機器人采集到的各個點的坐標(biāo)，對機械臂的運行軌跡進行規(guī)劃，并生成相應(yīng)的插補算法，完成對機器人運行路徑的規(guī)劃。

運行模塊：根據(jù)示教模塊和軌跡規(guī)劃模塊生成的信息，控制機器人進行作業(yè)，完成對物料的搬運和碼垛任務(wù)。碼垛作業(yè)完成后，機器人回到原點位置。

監(jiān)視模塊：時刻顯示機器人在作業(yè)過程中的運動狀態(tài)，并對控制系統(tǒng)的各個單元進行監(jiān)視。當(dāng)機器人在運動過程中出現(xiàn)錯誤信息后，立刻在顯示器上顯示錯誤信息并進行報警。

5 結(jié)論

本文根據(jù)瓷磚包裝生產(chǎn)線的具體碼垛要求，設(shè)計了4自由度的直角坐標(biāo)型機器人。該機器人的運動空間廣，承載能力強，能夠完全滿足瓷磚包裝生產(chǎn)線的作業(yè)要求。并對機器人各個運動單元進行了設(shè)計，以保證機器人的運動精度和穩(wěn)定性。最后對機器人的控制系統(tǒng)進行了研究，以PLC作為控制系統(tǒng)的核心，通過控制4個伺服驅(qū)動器完成對機器人的控制，并對控制系統(tǒng)的各個模塊進行了設(shè)計。實驗表明，以PLC為控制系統(tǒng)的直角坐標(biāo)機器人具有較高的精度和穩(wěn)定性。另外，該機器人擁有較高的性價比，在瓷磚包裝行業(yè)的應(yīng)用前景較為廣泛。

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