基于 PLC 碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

顏安 冷曉春 宋艷芳

摘要：隨著工業(yè)自動化技術(shù)的進(jìn)一步成熟與發(fā)展，碼垛機(jī)器人在水泥、包裝、物流等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且在工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)的升級發(fā)揮著重要作用。由于市場環(huán)境不斷變化和工業(yè)4.0的提出與發(fā)展，本文研究開發(fā)了基于 PLC 一款四自由度直角坐標(biāo)紙箱碼垛機(jī)器人，來代替人工碼垛。

關(guān)鍵詞：PLC;交流伺服;碼垛機(jī)器人

1.????? 引言

自動化碼垛技術(shù)作為物流方面的重要環(huán)節(jié)，在工業(yè)自動化中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。例如在自動化流水線上，通過機(jī)器人把從流水線上輸送過來的紙箱等物料按照實(shí)現(xiàn)規(guī)定的擺放規(guī)則依次在托盤上堆放起來，其主要目的是為了使得物料的存儲、搬運(yùn)、運(yùn)輸變得更加方便有序。而傳統(tǒng)的機(jī)械式自動化碼垛設(shè)備己經(jīng)不能滿足人們對工業(yè)生產(chǎn)自動化的高要求，取而代之的是更為先進(jìn)的智能化碼垛機(jī)器人。

2.????? 碼垛機(jī)器人組成

根據(jù)工廠生產(chǎn)線的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一款4自由度的直角坐標(biāo)機(jī)器人就能夠?qū)崿F(xiàn)碼垛任務(wù)。該機(jī)器人的空間姿態(tài)少，結(jié)構(gòu)簡單，重復(fù)定位精度高，其三維視圖如圖1所示。碼垛機(jī)器人不但可以沿著 X 軸（前后），Y 軸（左右），Z 軸（上下）方向作直線運(yùn)動，還能夠旋轉(zhuǎn)（R）定位，R 軸的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對貨物的夾取以及碼垛，其中 R 軸附加在Z 軸。

3.????? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1?? 控制系統(tǒng)的思路

控制系統(tǒng)的流程框圖如圖2所示。

由圖2所知，采用三菱 PLC 作為主控制器，交流伺服電機(jī)和氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，位置傳感器和光電編碼器作為實(shí)時檢測裝置。主要作用是用來檢測是否碼垛和碼垛的位置，實(shí)現(xiàn)對碼垛位置的精確定位以及控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)?，F(xiàn)場工作人員按照生產(chǎn)控制要求操作，指揮碼垛機(jī)器人完成相關(guān)的工作任務(wù)。

3.2控制系統(tǒng)的方案

其中前三個伺服電機(jī)分別控制 XYZ 三個軸的運(yùn)動，最后一個電機(jī)驅(qū)動末端執(zhí)行器的夾緊和放松以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，碼垛機(jī)器人在不同的工作方式下有不同的運(yùn)行模式。圖3中 PLC 通過編碼器“記住”了每個運(yùn)動軸的位置，在自動模式下發(fā)送連續(xù)脈沖，編碼器實(shí)時檢測該軸的位置，PLC 通過高速計(jì)數(shù)器端口接收編碼器返回的脈沖反饋，當(dāng)編碼器返回的值在誤差允許范圍內(nèi)，PLC 停止該軸脈沖的發(fā)送。

4.????? 控制系統(tǒng)硬件電路

4.1?? 系統(tǒng)硬件組成

碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)由 PLC、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、編碼器等組成。XYZ 三個軸的移動速度，而這三個軸的移動速度又取決于它們各自的驅(qū)動電機(jī)，最后選擇松下系列的型號為 MSMA042A 交流伺服電機(jī)與相應(yīng)伺服驅(qū)動器。

4.2?? 主回路控制

碼垛機(jī)器人的電氣控制主電路如圖3所示。

4.3?? 程序設(shè)計(jì)過程

將碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的程序分為4個模塊，從上到下分別為公用程序模塊、自動程序模塊、手動程序模塊、回原位程序模塊。公用程序模塊為各部分程序共同使用，主要進(jìn)行程序的初始化。自動程序模塊包括單步、單周期、連續(xù)運(yùn)行，由于這三種工作方式比較類似，所以梯形圖程序也比較相似，只要給定不同的條件便能實(shí)現(xiàn)不同的工作方式。

5.結(jié)語

碼垛機(jī)器人主要用于流水線和物流方面，通過設(shè)計(jì)不同的夾具就可以適用于不同物料進(jìn)行碼垛。從而避免了人們長期在惡劣有害的環(huán)境下從事碼垛工作，且機(jī)器人自動化碼垛的效率高，不容易出錯，對工業(yè)自動化的發(fā)展起到了巨大的革新。

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