碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭 峰

（重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404000）

碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭 峰

（重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404000）

碼垛機(jī)器人是能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)碼垛功能的機(jī)電一體化設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)、物流運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。但是，碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)目前還不十分成熟，因此研究碼垛機(jī)器人的控制系統(tǒng)具有重要意義。

碼垛機(jī)器人 控制系統(tǒng) PLC

引言

隨著我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)效率的不斷提高，碼垛機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。碼垛機(jī)器人按照一定的規(guī)律將一件件的產(chǎn)品碼垛成堆，以方便物料的裝卸、存儲(chǔ)和運(yùn)輸，從而提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，進(jìn)而提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷加大和產(chǎn)品的多樣化程度不斷提高，對(duì)碼垛機(jī)器人的柔性和可靠性提出了越來(lái)越高的要求，而這些性能的提高主要取決于碼垛機(jī)器人的控制系統(tǒng)。針對(duì)這樣的生產(chǎn)需求和技術(shù)現(xiàn)狀，本文將主要研究碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

1 碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

本文設(shè)計(jì)的是四自由度的關(guān)節(jié)式碼垛機(jī)器人，主要由四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，分別實(shí)現(xiàn)腰部旋轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕旋轉(zhuǎn)四種運(yùn)動(dòng)，且各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。大臂和小臂的俯仰關(guān)節(jié)主要由伺服電機(jī)、減速器、帶輪、齒輪帶、滑塊、托板、水平導(dǎo)軌和滾珠絲杠組成。腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要由伺服電機(jī)、減速器、空心軸、機(jī)架、法蘭等組成。腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要由伺服電機(jī)、減速器、手爪、氣缸、導(dǎo)軌、電磁閥等組成。

下面介紹四自由度關(guān)節(jié)式碼垛機(jī)器人的工作原理。伺服電機(jī)通過(guò)減速器控制同步帶輪和減速器旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊和托板動(dòng)作，最后實(shí)現(xiàn)大臂和小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。腰部的伺服電機(jī)通過(guò)減速器控制空心軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)架運(yùn)動(dòng)，最后實(shí)現(xiàn)腰部旋轉(zhuǎn)。腕部的伺服電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)手爪連接盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)。物品的抓取通過(guò)手爪完成，手爪由氣缸驅(qū)動(dòng)，最終完成手爪的加緊動(dòng)作。

2 碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體控制方案

制定控制方案首先要明確碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能需求。第一，碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)要有自動(dòng)復(fù)位功能，防止當(dāng)系統(tǒng)斷電或發(fā)生故障時(shí)堆垛和抓取的參考點(diǎn)丟失。第二，一臺(tái)碼垛機(jī)器人要能夠抓取多條生產(chǎn)線(xiàn)上的產(chǎn)品，堆成一個(gè)垛，以提高生產(chǎn)效率，防止一條生產(chǎn)線(xiàn)兩次碼垛作業(yè)之間的等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。第三，具有多產(chǎn)品、多垛型的堆垛能力，能夠適應(yīng)不同產(chǎn)品和不同堆垛要求的堆垛作業(yè)任務(wù)。第四，離線(xiàn)編程功能，傳統(tǒng)的示教編程方式雖然可以能夠完成碼垛，但是存在編程和生產(chǎn)作業(yè)不能同時(shí)進(jìn)行、無(wú)法完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡的示教、對(duì)人體有害環(huán)境中的示教危害健康等缺點(diǎn)。第五，具備故障自診斷功能，能夠?qū)⒃\斷信息通過(guò)友好的人機(jī)界面告知用戶(hù)，以提高碼垛機(jī)器人的故障排除效率。

其次，制定控制方案要明確碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。首先要確定碼垛產(chǎn)品的重量、尺寸等信息，其次要確定一定負(fù)載下碼垛機(jī)器人每小時(shí)的抓取次數(shù)，最后要確定垛型和一臺(tái)碼垛機(jī)器人對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)線(xiàn)數(shù)量。

最后，制定碼垛機(jī)器人的控制方案。當(dāng)前，比較主流的碼垛機(jī)器人控制方案有兩種：一種是基于可編程控制器的控制系統(tǒng)，另一種是基于計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)?；赑LC的碼垛控制系統(tǒng)可靠性好、編程簡(jiǎn)單，PLC能夠遠(yuǎn)程控制碼垛設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，這種系統(tǒng)對(duì)不同碼垛任務(wù)的適應(yīng)能力較差，基于組態(tài)軟件的人機(jī)交互方式對(duì)復(fù)雜任務(wù)的處理能力較差。基于PC的碼垛控制系統(tǒng)有效避免了基于可編程控制器控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)。這種控制系統(tǒng)的上位機(jī)使用工控機(jī)開(kāi)發(fā)，在計(jì)算機(jī)上處理復(fù)雜算法，碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃和伺服電機(jī)的動(dòng)作都通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制，故碼垛控制系統(tǒng)的柔性較高，下位控制可靠。但是，這種控制方式難以編程，也不能實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)編程和實(shí)時(shí)控制。本設(shè)計(jì)采用的控制方案是在以上兩種控制方案的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的。以PLC控制流水線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和輸入輸出接口，人機(jī)界面采用HMI制作并使用觸摸屏，使用運(yùn)動(dòng)控制器完成軌跡規(guī)劃；上位機(jī)程序基于Windows平臺(tái)，用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，采用適用于多條生產(chǎn)線(xiàn)的多任務(wù)處理系統(tǒng)，具備優(yōu)異的抗干擾能力。

3 碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

由上文所述的關(guān)節(jié)式碼垛機(jī)器人的工作原理，決定在控制箱中集成安裝工控機(jī)和可編程控制器。觸摸屏和顯示器通過(guò)通信接口連接工控機(jī)，用于控制電機(jī)的PCI Trio控制器集成在工控機(jī)中，用PLC接收外部信號(hào)并控制工控機(jī)。碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括PLC選型、主控電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。其中，PLC主要用來(lái)擴(kuò)展模塊和控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。本文采用歐姆龍的PLC，輸入輸出點(diǎn)數(shù)分別為24點(diǎn)和16點(diǎn)，程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間分別為20KB和32KB，通信接口為兩個(gè)串口，編程通過(guò)1個(gè)通用串行總線(xiàn)完成。根據(jù)控制系統(tǒng)的功能需求和技術(shù)要求，本文選用的工控機(jī)配備了2個(gè)顯卡、2個(gè)串口、1個(gè)PCI插槽、1個(gè)網(wǎng)卡和1個(gè)USB接口，能夠在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。

運(yùn)動(dòng)控制器選用Trio公司生產(chǎn)的Trio數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器，能夠滿(mǎn)足四自由度的控制要求，能完成直線(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、螺旋線(xiàn)插補(bǔ)等多種插補(bǔ)算法，能夠通過(guò)RS232、RS485、CAN、Modbus和通用伺服電機(jī)等多類(lèi)型的接口通信，擁有多任務(wù)、模塊化的編程能力，內(nèi)置輸入輸出接口的數(shù)量分別為16個(gè)和8個(gè)。除了以上提到的通信接口外，還配備了一個(gè)用于連接光纖設(shè)備的TTL通道，具備控制任意4個(gè)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的控制能力。人機(jī)界面采用直觀、方便的觸摸屏，用于用戶(hù)和機(jī)器之間的溝通，具備實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)記錄、報(bào)警記錄、生成報(bào)表等功能。觸摸屏由傳感器、控制單元、驅(qū)動(dòng)軟件等組成，用于檢測(cè)用戶(hù)輸入的信息?？刂茊卧糜趯⒂脩?hù)輸入的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，驅(qū)動(dòng)軟件用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件和傳感器之間的信息交流。

4 碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的工作原理和硬件設(shè)計(jì)，采用模塊化方式設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人的控制軟件。控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)首先要選取適當(dāng)?shù)能浖_(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。本設(shè)計(jì)基于Visual C++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用面向?qū)ο蟮腃#為上位開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，系統(tǒng)文件均采用xml格式?？刂葡到y(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，各個(gè)模塊配合完成碼垛機(jī)器人的碼垛功能。本設(shè)計(jì)將控制系統(tǒng)劃分為離線(xiàn)編程模塊、仿真模塊和控制器模塊。其中，離線(xiàn)編程模塊進(jìn)一步劃分為設(shè)置、自動(dòng)計(jì)算等模塊。各模塊的設(shè)計(jì)要遵循尺寸合理性原則、功能合理性原則、環(huán)境相合性原則、系統(tǒng)優(yōu)化性原則，以達(dá)到人機(jī)工程學(xué)的理論要求，設(shè)計(jì)出良好的人機(jī)交互界面。

下面分別介紹各個(gè)軟件功能模塊的設(shè)計(jì)。為防止系統(tǒng)斷電、停機(jī)或發(fā)生故障時(shí)丟掉原點(diǎn)信息，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入原點(diǎn)復(fù)位界面，依次對(duì)碼垛機(jī)器人抓手、上下軸、機(jī)身等進(jìn)行復(fù)位，直到復(fù)位成功。原點(diǎn)復(fù)位模塊用于實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)復(fù)位功能。碼垛機(jī)器人需對(duì)不同的垛型都能進(jìn)行碼垛。垛型信息輸入模塊自動(dòng)確定碼垛時(shí)物件堆放到托盤(pán)上的次序和位置信息，完成相應(yīng)垛型的碼垛。用戶(hù)坐標(biāo)系設(shè)定模塊用于將托盤(pán)坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)信息。設(shè)置模塊在離線(xiàn)編程開(kāi)始時(shí)，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、碼垛參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)。碼垛參數(shù)有產(chǎn)品代碼、產(chǎn)品尺寸、托盤(pán)尺寸以及垛型、層數(shù)等，運(yùn)行參數(shù)指定程序開(kāi)始運(yùn)行的點(diǎn)和運(yùn)行速度。

5 結(jié)論與展望

碼垛機(jī)器人是綜合應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)的自動(dòng)化裝備，能有效提高工業(yè)生產(chǎn)、物流運(yùn)輸?shù)鹊男?，?yīng)用前景十分廣泛。本文介紹了碼垛機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，討論了碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

[1]陳黎明.碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[2]李成偉，朱秀麗，贠超.碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)電工程，2008，（12）：81-84，99.

[3]李成偉，贠超.碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2008，（5）：9-10，27.

Palletizing Robot Control System Design

ZHENG Feng
(Chongqing Three Gorges Polytechnic College, Chongqing 404000)

Palletizing robot is to achieve the function of automatic palletizing, electromechanical integration equipment, in the industrial production, logistics, transportation and other fields played a huge role. However, palletizing robot control system development technology is still not very mature. Therefore, the study of the palletizing robot control system has important significance.

palletizing robot, control system, PLC