基于PLC的药房码垛机器人控制系统研究

侯 辉，刘广瑞

（郑州大学 机械工程学院，郑州 450001）

0 引言

在自动化立体仓库技术日益成熟的今天，码垛机器人的应用也逐渐普及，它不仅极大地降低了人的劳动强度，提高了劳动效率，还具有出错率低、便于联网实现自动化等优点。随着我国大力发展轻工业和第三产业的呼声渐高，小型、经济、自动化程度高的码垛机器人成为市场的急需品，在这个市场几近空白的前提下，本文提出一种全新的码垛机器人系统方案。该系统在PLC的控制下，由伺服电机驱动一个四自由度直角坐标机器人，依靠真空吸附技术实现药物抓取。因为伺服电机和旋转编码器可以形成局部闭环，保证了一定的精确度，所以整个系统设计成开环的，省去了寻址环节，可以使系统可靠性更高。由PC机和组态软件实现上位控制和实时监测，节约了成本；由PROFIBUS-DP总线实现系统组网，可靠性更高。

除了本文提到的药房自动存取药应用外，通过对PLC编程和末端手改造可以使系统灵活运用于图书馆自助借还书、超市自动存取包、饭店自动上菜等领域，具有极大的市场空间。

1 药房码垛机器人系统分析

1.1 控制系统构架设计

该系统以PC机作为主控机，其上搭载西门子CP5611通信网卡以及组态王人机交互软件，实现系统通信、机器人操作和药柜信息监测等。欧姆龙CP1H PLC搭载PROFIBUS总线单元和扩展I/O单元，通过伺服、步进电机驱动器驱动机器人电机实现机器人运动控制。

图1 控制系统构架框图

图1即为药房码垛机器人控制系统构架框图。

1.2 码垛机器人机械结构简介

该系统采用直角坐标码垛机器人，这种典型结构的工业机器人具有结构简单、刚度高、重复定位精度高和经济性良好等优点。其中横轴为Ⅰ轴，纵轴为Ⅱ轴，竖轴为Ⅲ轴，手爪旋转轴为Ⅳ轴。其机械结构如图2所示。

码垛机器人由三个直线电控工作台和一个旋转工作台外加真空吸盘组成。其中Ⅰ轴和Ⅱ轴除了行程不一致以外，自身结构形式完全相同，均采用直线导轨支撑、滚珠丝杠传动的机构，具有承载能力强，安装方便的优点。Ⅲ轴因承载较低，故采用光轴支撑、滚珠丝杠传动的结构。三个轴互成直角搭建而成，是典型的直角坐标机器人。Ⅳ轴为旋转轴，采用蜗轮蜗杆结构，通过支架与Ⅲ轴平台相连。机器人的末端手连接在Ⅳ轴上，采用真空吸附的形式抓取药品。Ⅰ轴和Ⅲ轴由伺服电机驱动，通过旋转编码器形成局部闭环，保证了工作精度。考虑到Ⅱ轴和Ⅳ轴相对精度要求较低，可选用步进电机驱动，进一步提升系统的经济性。

图2 码垛机器人机械结构图

该码垛机器人最大负载10kg，最高速度0.3m/s，定位精度±0.7mm，重复定位精度±0.05mm。

1.3 药柜的设计

药柜的设计参照自动化立体仓库，码垛机器人两侧各有一个药柜，提高了空间利用率。如图3所示。每一种药品对应一个仓格，仓格内装有微动开关，用来检测药品有无。常用药放在靠近出口的一端以提高效率。工作人员拿到处方以后将信息输入计算机，码垛机器人移动到相应的仓格将药品取出。

图3 药柜立体模型图

2 PLC在药房码垛机器人中的应用

2.1 PLC的选用

考察了各种PLC的特点以后，本系统选用了欧姆龙的CP1H-X40DT-D PLC。该型号的PLC是欧姆龙公司为满足工业控制领域对设备的高性能、高集成度以及高维护性能的需求，而推出的具有高度扩展性的小型一体化PLC。该PLC处理速度大幅提高，可达到大型PLC的指令处理速度；内置输入24点、输出16点（通过扩展I/O单元可达最多320点输入输出）；搭载了最大4轴的100kHz高速脉冲输出功能，可从内置的输出点发出固定占空比脉冲信号，输入到伺服电机驱动器来实现定位或速度控制；搭载了最大4轴单相100kHz、相位差50kHz的高速计数功能，将旋转编码器连接到内置输入，即可进行高速计数器输入；可扩展CJ系列高功能单元，通过CJ单元适配器可以连接CPU总线单元来实现上位、下位的网络通信。另外，该PLC还具有原点搜索、输入中断、脉冲接收以及USB串行通信等功能。

2.2 PLC硬件接线图

如图4所示即为PLC硬件接线图，码垛机器人的各轴都装有限位开关和原点开关，既可以避免机器人运行过程中与药柜发生干涉而保证安全性，又可以随时进行原点检查保持高精度。PLC通过控制电磁阀的动作操作真空吸盘，实现药品的抓取和释放。

图4 PLC硬件接线图

3 药房码垛机器人开环控制原理

本系统采用标定和机器学习的方式来获取药柜各个仓格的位置。仓格尺寸信息作为基础数据编写进PLC程序，药品信息和仓格位置相关联，一一对应。

PLC得到上位PC机的药品信息后，先将其关联到相应的仓格，并通过对比目的地址和当前地址得出要运行的起止距离，然后选用合适的速度运行，达到调速和停准的目的。整个运行过程中的速度和位移都采用开环控制，但由码垛机器人的伺服电机和旋转编码器组成的局部闭环回路可将末端精度控制在±1mm以内。考虑到药品的重量较轻，且药房规模较小，完全可以满足精度的要求。

图5 码垛机器人理想加减速曲线

码垛机器人的起止位置是不确定的、离散的，不同的距离对应不同的加减速曲线。实际中码垛机器人的运行曲线可以概括为几条理想的加减速曲线，如图5所示。S4为四个仓格间的距离，S1为一个仓格的距离。PLC根据不同的距离选用不同的加减速曲线运行，从而达到高速运行、换速平稳、低速停准的控制要求。控制流程图如图6所示。

码垛机器人采用开环控制不需要机器寻址，精简了大量传感器，使整个系统更加紧凑、稳定，同时降低了成本。

4 结束语

图6 码垛机器人运行控制流程图

通过研究与探索，本文将自动化立体仓库的概念引入药房，提出一种以码垛机器人为载体的自动化取药理念，并充分利用了CP1H PLC强大的高速脉冲输出和高速计数器功能，实现了对码垛机器人四轴的开环控制，构建了一个结构简单、性能稳定且具有高扩展性和高性价比的控制系统。该系统将PLC的高可靠性、模块化结构和码垛机器人的高稳定性和强通用性等优点结合起来，使两者优势互补，在医药、餐饮、物流和图书借阅等行业具有极强的推广性。

[1] 赵雪峰, 贠超, 刘相权, 等. 自动化药房系统研究[J]. 仪器仪表学报, 2008, 4(29): 320-324.

[2] 刘清, 韩宝玲, 罗庆生, 黄麟. S7-200可编程控制器在新型智能码垛机器人中的应用研究[J]. 制造业自动化,2008, 30(7): 39-34.

[3] 徐菱, 劳扬健, 王金诺. 基于PLC的堆垛机控制系统设计[J].组合机床与自动化加工技术, 2005(1): 72-75.

[4] 张丰华, 韩宝玲, 罗庆生, 等. 基于PLC的新型工业码垛机器人控制系统设计[J]. 计算机测量与控制, 2009,17(11): 2191-2196.

[5] 王辉, 张亚妮, 徐江伟. 欧姆龙系列PLC原理及应用[M].北京: 人民邮电出版社, 2009, 6: 2-3.