基于三軸控制器校重機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)

林元文

【摘 要】調(diào)研了企業(yè)目前在電子衡器校重領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用情況，在總結(jié)人工采用砝碼對(duì)電子秤進(jìn)行校重的工作流程的基礎(chǔ)上，提出了一種基于三軸運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行自動(dòng)電子秤校重的校重機(jī)器人的設(shè)計(jì)。分析了基于三軸控制器的校重機(jī)器人的性能需求，基于工程化的理念分析了應(yīng)用三軸運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行機(jī)械手運(yùn)動(dòng)與搬移的性能優(yōu)勢與實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)選用了電子吸盤實(shí)現(xiàn)了校重砝碼的抓取與放置?；谌S控制器的校重機(jī)器人屬于典型的機(jī)電技術(shù)結(jié)合產(chǎn)品，通過控制器的實(shí)時(shí)有效控制與滑軌等運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的作用，校重機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了對(duì)人工搬運(yùn)砝碼工作過程的自動(dòng)化，有效提升了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)的用工成本。結(jié)論表明，基于三軸控制器的校重機(jī)器人研究設(shè)計(jì)具有重要的理論意義與實(shí)踐推廣價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】三軸控制器；校重；砝碼；電子秤；研究

中圖分類號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）31-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.011

0 引言

目前工業(yè)自動(dòng)化改造對(duì)于降低企業(yè)的勞動(dòng)力成本，提升企業(yè)的生產(chǎn)效率都具有不可或缺的重要意義。全球主要國家都針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化與智能化提出了設(shè)想，如美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與德國的工業(yè)4.0，我國則提出了中國制造2025的概念。但是目前國內(nèi)的部分中小型企業(yè)由于技術(shù)與資金等方面的問題，仍然廣泛采用傳統(tǒng)的手工為主的流水線進(jìn)行生產(chǎn)。如G公司主營產(chǎn)品電子秤在出廠之前都需要進(jìn)行校重，其方案就是由人工將不同質(zhì)量的5個(gè)砝碼（1KG-20KG）在秤體的五個(gè)不同位置（中心點(diǎn)與四個(gè)角）進(jìn)行測試，驗(yàn)證秤體的準(zhǔn)確度。長期搬運(yùn)砝碼進(jìn)行校重，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，同時(shí)也存在著效率低下等方面的現(xiàn)實(shí)問題。根據(jù)這樣的情況進(jìn)行了基于三軸控制器校重機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)。

1 功能確定

校重機(jī)器人的主要功能就確定為砝碼的自動(dòng)抓取與釋放，砝碼自動(dòng)搬移到指定的位置，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作流程的不斷循環(huán)?？刂品桨复_定為順序線性的執(zhí)行，設(shè)計(jì)要點(diǎn)就是控制器對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)控制精度、抓取的有效性與穩(wěn)定性等方面的內(nèi)容。

為了能夠保證產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)確定了以下幾個(gè)方面的功能。首先就是產(chǎn)品要能夠根據(jù)測試不同電子秤機(jī)型，產(chǎn)品要能夠方便進(jìn)行在線編程，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)的重新設(shè)置；同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)的生產(chǎn)過程，產(chǎn)品要具有急停等功能按鈕。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

校重機(jī)器人屬于典型的機(jī)電結(jié)合的產(chǎn)品，在硬件電路設(shè)計(jì)中主要有控制器、電磁吸盤、伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)電源等電類組件，同時(shí)也具有滾珠絲桿、聯(lián)軸器、滑軌等機(jī)械類構(gòu)建，以三軸控制器作為控制核心，實(shí)現(xiàn)在X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)控制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)不同砝碼的抓取與放置，完成對(duì)電子秤的自動(dòng)校重工作過程。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 控制器

對(duì)于校重機(jī)器人控制器的選擇方面，研究分析了控制的要求以及工程特性，沒有采用價(jià)格昂貴的PLC控制器，選擇使用了PMC（Programmable Motion Controller）可編程運(yùn)動(dòng)控制器。PMC集成了PLC與運(yùn)動(dòng)控制器雙重功能，控制簡單便捷，編程方便簡易。過程控制方式的編寫方式，所見即所得。控制器本身采用高性能32位CPU，驅(qū)動(dòng)裝置采用高精度步進(jìn)電機(jī)或者交流伺服電機(jī)，配備可以外接的顯示器。該系統(tǒng)具有可靠性高，精度高，噪音小，操作靈活等特點(diǎn)。。本設(shè)計(jì)中采用的是ROLLON可編程三軸運(yùn)動(dòng)控制器SGRL-PMC-3，可以控制三個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位、連續(xù)、聯(lián)動(dòng)等功能。具有循環(huán)、跳轉(zhuǎn)等功能，同時(shí)可以連接電腦軟件，實(shí)現(xiàn)電腦模擬控制，軟件分步調(diào)試，示教等功能。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制與工業(yè)智能化改造等行業(yè)。

2.3 伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器

設(shè)計(jì)中采用的伺服電機(jī)是日本三菱公司的HF-KP43伺服電機(jī)其主要性能如下，電流：3A；輸出力矩：1.2Nm（牛米）；機(jī)身長度：56mm；出軸長度：21mm；出軸軸徑：8mm/6.35MM（可根據(jù)要求定制）；出軸方式：單/雙出軸；出線方式：二相四根引出線（黑色A+綠色A-紅色B+藍(lán)色B-）；出軸方式：默認(rèn)軸徑8毫米+單扁絲。設(shè)計(jì)中采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為TB6600，其輸入電壓為DC（直流）9～42V，能夠有效適應(yīng)惡劣的電網(wǎng)環(huán)境；工作電流為4A，獨(dú)創(chuàng)速度自適應(yīng)電路，電流能自動(dòng)尋優(yōu)；細(xì)分?jǐn)?shù)為6400，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器具有過流、過壓、欠壓、短路等保護(hù)與脫機(jī)（ENA）保護(hù)功能。

2.4 滾珠絲桿

滾珠絲桿的主要作用是將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為在X、Y、Z三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，是目前實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的必要器件，在諸如機(jī)器手等高精度的機(jī)械傳動(dòng)方面具有廣泛的應(yīng)用。在校重機(jī)器人設(shè)計(jì)中采用滾珠絲桿的目的就是因?yàn)闈L珠絲桿具有摩擦阻力小，可逆性強(qiáng)與轉(zhuǎn)換效率高的突出優(yōu)勢。本項(xiàng)目中采用的滾珠絲桿主要由螺桿、螺母、鋼球以及反向器等部件構(gòu)成。

2.5 電磁吸盤

ELE-P50/27電吸盤與普通的強(qiáng)磁吸盤的原理不同，在使用過程中對(duì)被吸附物體的表面平整度具有較高的要求。校重機(jī)器人的被吸附物體是導(dǎo)磁率較強(qiáng)的低碳鋼制作的砝碼，其被吸附表明平整度高，吸附面積大于吸盤的面積，具有良好的吸附效果。同時(shí)在吸盤的鍍鎳可以有效去除殘余的磁場，保證抓取與放置的效果。但是ELE-P50/27電吸盤的吸引力是磁鐵與被吸附砝碼通電后產(chǎn)生的吸力，因此需要完全接觸，在Z方向的移動(dòng)中要求能夠控制精確，保證吸盤與砝碼的有效接觸。同時(shí)在長時(shí)間工作過程中，吸盤會(huì)持續(xù)生產(chǎn)一定的熱量。以此校重機(jī)器人在長期工作之后需要做短暫的休息。

3 控制程序的編寫

三軸運(yùn)動(dòng)控制器采用NcStudio進(jìn)行控制，NcStudio是目前運(yùn)動(dòng)控制方面應(yīng)用較為廣泛的軟件，由于其人性化的操作界面，對(duì)于PLC的編程基礎(chǔ)不是很了解的從業(yè)人員也可以根據(jù)要求進(jìn)行控制程序的編寫。NcStudio可以應(yīng)用控制器實(shí)現(xiàn)特定的工業(yè)方面的加工需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制，同時(shí)更為優(yōu)越的就是系統(tǒng)可以與伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路直接連接進(jìn)行控制，對(duì)于校重機(jī)器人的應(yīng)用極為合適。校重機(jī)器人是線性控制流程，在運(yùn)行過程中沒有判別，就是按照路徑實(shí)現(xiàn)不同砝碼在電子秤上不同位置的測試，因此程序主要是進(jìn)行行程大小的設(shè)置（要根據(jù)砝碼的大小設(shè)置對(duì)應(yīng)的量程，保證電吸盤能夠有效進(jìn)行砝碼吸附），同時(shí)要進(jìn)行路徑的示教，并進(jìn)行吸盤的控制，實(shí)現(xiàn)砝碼的抓取與放置。

4 調(diào)試與運(yùn)行

在完成系統(tǒng)的程序編寫與硬件安裝后，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試，系統(tǒng)調(diào)試就是進(jìn)行系統(tǒng)性能的測試與參數(shù)調(diào)整，在本設(shè)計(jì)中主要就是要實(shí)際測試在砝碼抓取運(yùn)行過程中會(huì)不會(huì)出現(xiàn)碰撞方面的問題以及電子吸盤能否有效實(shí)現(xiàn)。在測試過程中最為重要的就是兩個(gè)方面，首先是行程的校正，通過步進(jìn)的方式檢測三軸實(shí)際運(yùn)動(dòng)的距離，因?yàn)殡娮游P必須要能夠與砝碼無間隙接觸才能夠保證對(duì)砝碼的有效抓取。同時(shí)對(duì)于不同型號(hào)的電子秤要能夠?qū)崿F(xiàn)不同位置的測試。三軸運(yùn)動(dòng)控制器可以通過在NcStudio軟件上進(jìn)行移動(dòng)距離、移動(dòng)時(shí)間等參數(shù)的調(diào)整。

5 結(jié)論

基于三軸控制器的校重機(jī)器人以三軸控制器作為控制單元，使用電子吸盤完成了對(duì)電子秤校正過程中砝碼的抓取，用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)砝碼的搬移。產(chǎn)品針對(duì)目前企業(yè)的實(shí)際需求，替代了傳統(tǒng)的人工作業(yè)方案。論文分析了目前企業(yè)在進(jìn)行電子秤校重過程的實(shí)際需求，總計(jì)出應(yīng)用自動(dòng)化方案實(shí)現(xiàn)人工作業(yè)的流程與思路，分析了校重機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)與控制思路。產(chǎn)品替代了實(shí)際生產(chǎn)過程中的人工勞動(dòng)，有效提升了生產(chǎn)效率，同時(shí)為生產(chǎn)線其它的工作崗位的自動(dòng)化改造提供了必要的經(jīng)驗(yàn)，因此產(chǎn)品具有較大的理論意義與實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

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