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(jī)械工程學(xué)院，淄博 255049）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步及企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，碼垛機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)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(dòng)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(zhǎng)，普通的碼垛機(jī)器人很難滿足作業(yè)要求。因此需要設(shè)計(jì)一種全新的碼垛機(jī)器人對(duì)瓷磚進(jìn)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(jì)了新型的4自由度的直角坐標(biāo)機(jī)器人。該機(jī)器人的碼垛距離長(zhǎng)且承載能力較大，能夠滿足其作業(yè)要求。該機(jī)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(duì)機(jī)器人的精確控制要求，并且該控制系統(tǒng)的編程簡(jiǎn)單，擁有較好的可擴(kuò)展性和維護(hù)性。另外，該機(jī)器人的性價(jià)比較高，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新設(shè)計(jì)的直角坐標(biāo)機(jī)器人為4自由度的機(jī)器人，該機(jī)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(dòng)，并且可以完成繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠滿足對(duì)瓷磚長(zhǎng)距離的碼垛作業(yè)要求。

1.1 直線運(yùn)動(dòng)單元的選擇

當(dāng)機(jī)器人的抓手在三維空間移動(dòng)時(shí)需要借助直線運(yùn)動(dòng)單元，常用的直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)距離較大，而絲杠和齒條在長(zhǎng)度較大時(shí)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)單元。抓手在y軸和z軸的移動(dòng)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(yùn)動(dòng)單元，在z軸選用齒輪齒條副作為直線運(yùn)動(dòng)單元。

1.2 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖1 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，利用計(jì)算機(jī)編寫(xiě)好程序后下載到PLC中，PLC通過(guò)控制伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息實(shí)時(shí)的顯示到人機(jī)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(jì)

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：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以及PLC控制系統(tǒng)[4,5]。由于單片機(jī)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(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。微型計(jì)算機(jī)在穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理能力方面能夠滿足碼垛機(jī)器人的作業(yè)要求，但成本較高，不利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。而PLC作為控制系統(tǒng)有著巨大的優(yōu)勢(shì)，PLC的抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高，擁有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，并且PLC的編程簡(jiǎn)單、維修方便。因此選用PLC作為碼垛機(jī)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P(yáng)LC的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，能夠滿足碼垛機(jī)器人的控制要求。PLC連接I/O擴(kuò)展模塊后，I/O點(diǎn)數(shù)目最大可達(dá)到248點(diǎn)[6]。由于在機(jī)器人控制系統(tǒng)中需要用到四個(gè)交流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，因此PLC需要擴(kuò)展4個(gè)EM253定位控制模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要求[7]。

3.2 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

顯示器作為人機(jī)交互的終端，應(yīng)實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以供操作人員進(jìn)行參考[8]。觸摸屏作為上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的新的人機(jī)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(jiǎn)單、方便。因此，該控制系統(tǒng)選用觸摸屏作為人機(jī)交互的界面。

3.3 控制系統(tǒng)硬件接線圖

直角坐標(biāo)型機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件接線如圖3所示。

在對(duì)碼垛機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)軸都需要用到限位開(kāi)關(guān)以及原點(diǎn)復(fù)位開(kāi)關(guān)，以保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生碰撞等危險(xiǎn)動(dòng)作，保護(hù)機(jī)器和操作者的安全[9]。生產(chǎn)線上檢測(cè)貨物的傳感器所發(fā)出的信號(hào)也需要傳送給PLC，以便PLC作出響應(yīng)。在輸出端PLC通過(guò)4個(gè)EM253位置控制模塊驅(qū)動(dòng)4個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)直角坐標(biāo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

圖3 PLC硬件接線圖

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)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(gè)模塊：初始化模塊，示教模塊，軌跡規(guī)劃模塊，運(yùn)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(duì)PLC的CPU及其他各個(gè)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，去除上一次運(yùn)行時(shí)殘留的信息，并檢測(cè)各個(gè)控制單元運(yùn)行是否正常。

示教模塊：當(dāng)機(jī)器人在第一次作業(yè)時(shí)需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教操作，以便使機(jī)器人能夠按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。在示教過(guò)程中，PLC記錄機(jī)器人在每個(gè)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(jī)器人采集到的各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)行軌跡進(jìn)行規(guī)劃，并生成相應(yīng)的插補(bǔ)算法，完成對(duì)機(jī)器人運(yùn)行路徑的規(guī)劃。

運(yùn)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(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，完成對(duì)物料的搬運(yùn)和碼垛任務(wù)。碼垛作業(yè)完成后，機(jī)器人回到原點(diǎn)位置。

監(jiān)視模塊：時(shí)刻顯示機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)單元進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤信息后，立刻在顯示器上顯示錯(cuò)誤信息并進(jìn)行報(bào)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(jì)了4自由度的直角坐標(biāo)型機(jī)器人。該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間廣，承載能力強(qiáng)，能夠完全滿足瓷磚包裝生產(chǎn)線的作業(yè)要求。并對(duì)機(jī)器人各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。最后對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以PLC作為控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)控制4個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)機(jī)器人的控制，并對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，以PLC為控制系統(tǒng)的直角坐標(biāo)機(jī)器人具有較高的精度和穩(wěn)定性。另外，該機(jī)器人擁有較高的性價(jià)比，在瓷磚包裝行業(yè)的應(yīng)用前景較為廣泛。

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