码垛机器人控制系统设计

郑 峰

（重庆三峡职业学院，重庆 404000）

码垛机器人控制系统设计

郑 峰

（重庆三峡职业学院，重庆 404000）

码垛机器人是能实现自动码垛功能的机电一体化设备，在工业生产、物流运输等领域发挥了巨大作用。但是，码垛机器人控制系统的开发技术目前还不十分成熟，因此研究码垛机器人的控制系统具有重要意义。

码垛机器人 控制系统 PLC

引言

随着我国机器人技术的不断发展和工业生产效率的不断提高，码垛机器人在生产中的应用越来越普遍。码垛机器人按照一定的规律将一件件的产品码垛成堆，以方便物料的装卸、存储和运输，从而提高工业生产的效率，降低企业的生产成本，进而提高产品的竞争力。随着生产规模的不断加大和产品的多样化程度不断提高，对码垛机器人的柔性和可靠性提出了越来越高的要求，而这些性能的提高主要取决于码垛机器人的控制系统。针对这样的生产需求和技术现状，本文将主要研究码垛机器人控制系统的开发。

1 码垛机器人的结构组成及工作原理

本文设计的是四自由度的关节式码垛机器人，主要由四个旋转关节组成，分别实现腰部旋转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕旋转四种运动，且各关节的运动都采用交流伺服电机驱动。大臂和小臂的俯仰关节主要由伺服电机、减速器、带轮、齿轮带、滑块、托板、水平导轨和滚珠丝杠组成。腰部旋转关节主要由伺服电机、减速器、空心轴、机架、法兰等组成。腕部旋转关节主要由伺服电机、减速器、手爪、气缸、导轨、电磁阀等组成。

下面介绍四自由度关节式码垛机器人的工作原理。伺服电机通过减速器控制同步带轮和减速器旋转，进而带动滚珠丝杠转动，带动滑块和托板动作，最后实现大臂和小臂的俯仰运动。腰部的伺服电机通过减速器控制空心轴旋转，进而带动机架运动，最后实现腰部旋转。腕部的伺服电机通过减速器驱动手爪连接盘转动，进而实现腕部的旋转。物品的抓取通过手爪完成，手爪由气缸驱动，最终完成手爪的加紧动作。

2 码垛机器人控制系统的整体控制方案

制定控制方案首先要明确码垛机器人控制系统的功能需求。第一，码垛机器人控制系统要有自动复位功能，防止当系统断电或发生故障时堆垛和抓取的参考点丢失。第二，一台码垛机器人要能够抓取多条生产线上的产品，堆成一个垛，以提高生产效率，防止一条生产线两次码垛作业之间的等待时间过长。第三，具有多产品、多垛型的堆垛能力，能够适应不同产品和不同堆垛要求的堆垛作业任务。第四，离线编程功能，传统的示教编程方式虽然可以能够完成码垛，但是存在编程和生产作业不能同时进行、无法完成复杂运动轨迹的示教、对人体有害环境中的示教危害健康等缺点。第五，具备故障自诊断功能，能够将诊断信息通过友好的人机界面告知用户，以提高码垛机器人的故障排除效率。

其次，制定控制方案要明确码垛机器人控制系统的技术要求。首先要确定码垛产品的重量、尺寸等信息，其次要确定一定负载下码垛机器人每小时的抓取次数，最后要确定垛型和一台码垛机器人对应的生产线数量。

最后，制定码垛机器人的控制方案。当前，比较主流的码垛机器人控制方案有两种：一种是基于可编程控制器的控制系统，另一种是基于计算机的控制系统。基于PLC的码垛控制系统可靠性好、编程简单，PLC能够远程控制码垛设备的运转。但是，这种系统对不同码垛任务的适应能力较差，基于组态软件的人机交互方式对复杂任务的处理能力较差。基于PC的码垛控制系统有效避免了基于可编程控制器控制系统的缺点。这种控制系统的上位机使用工控机开发，在计算机上处理复杂算法，码垛机器人的运动轨迹的规划和伺服电机的动作都通过运动控制器控制，故码垛控制系统的柔性较高，下位控制可靠。但是，这种控制方式难以编程，也不能实现离线编程和实时控制。本设计采用的控制方案是在以上两种控制方案的基础上改进得到的。以PLC控制流水线运动和输入输出接口，人机界面采用HMI制作并使用触摸屏，使用运动控制器完成轨迹规划；上位机程序基于Windows平台，用工控机实现复杂的算法，采用适用于多条生产线的多任务处理系统，具备优异的抗干扰能力。

3 码垛机器人控制系统的硬件设计

由上文所述的关节式码垛机器人的工作原理，决定在控制箱中集成安装工控机和可编程控制器。触摸屏和显示器通过通信接口连接工控机，用于控制电机的PCI Trio控制器集成在工控机中，用PLC接收外部信号并控制工控机。码垛机器人控制系统的硬件设计包括PLC选型、主控电路设计、驱动电路设计和人机交互界面设计。其中，PLC主要用来扩展模块和控制电机运动。本文采用欧姆龙的PLC，输入输出点数分别为24点和16点，程序和数据的存储空间分别为20KB和32KB，通信接口为两个串口，编程通过1个通用串行总线完成。根据控制系统的功能需求和技术要求，本文选用的工控机配备了2个显卡、2个串口、1个PCI插槽、1个网卡和1个USB接口，能够在工业环境中可靠运行。

运动控制器选用Trio公司生产的Trio数字运动控制器，能够满足四自由度的控制要求，能完成直线插补、圆弧插补、螺旋线插补等多种插补算法，能够通过RS232、RS485、CAN、Modbus和通用伺服电机等多类型的接口通信，拥有多任务、模块化的编程能力，内置输入输出接口的数量分别为16个和8个。除了以上提到的通信接口外，还配备了一个用于连接光纤设备的TTL通道，具备控制任意4个步进电机或伺服电机的控制能力。人机界面采用直观、方便的触摸屏，用于用户和机器之间的沟通，具备实时显示、自动记录、报警记录、生成报表等功能。触摸屏由传感器、控制单元、驱动软件等组成，用于检测用户输入的信息。控制单元用于将用户输入的信息转换为数字信号，驱动软件用于实现应用软件和传感器之间的信息交流。

4 码垛机器人控制系统的软件设计

基于码垛机器人控制系统的工作原理和硬件设计，采用模块化方式设计码垛机器人的控制软件。控制系统的软件设计首先要选取适当的软件开发环境和开发语言。本设计基于Visual C++集成开发环境，采用面向对象的C#为上位开发语言，系统文件均采用xml格式。控制系统采用模块化设计，每个模块实现一个功能，各个模块配合完成码垛机器人的码垛功能。本设计将控制系统划分为离线编程模块、仿真模块和控制器模块。其中，离线编程模块进一步划分为设置、自动计算等模块。各模块的设计要遵循尺寸合理性原则、功能合理性原则、环境相合性原则、系统优化性原则，以达到人机工程学的理论要求，设计出良好的人机交互界面。

下面分别介绍各个软件功能模块的设计。为防止系统断电、停机或发生故障时丢掉原点信息，系统开机时系统自动进入原点复位界面，依次对码垛机器人抓手、上下轴、机身等进行复位，直到复位成功。原点复位模块用于实现原点复位功能。码垛机器人需对不同的垛型都能进行码垛。垛型信息输入模块自动确定码垛时物件堆放到托盘上的次序和位置信息，完成相应垛型的码垛。用户坐标系设定模块用于将托盘坐标系中的数据信息转换成大地坐标系中的数据信息。设置模块在离线编程开始时，设置系统参数、码垛参数、运行参数。码垛参数有产品代码、产品尺寸、托盘尺寸以及垛型、层数等，运行参数指定程序开始运行的点和运行速度。

5 结论与展望

码垛机器人是综合应用机电一体化技术的自动化装备，能有效提高工业生产、物流运输等的效率，应用前景十分广泛。本文介绍了码垛机器人的组成结构和工作原理，讨论了码垛机器人控制系统的硬件设计和软件设计，对码垛机器人控制系统的开发具有一定的参考价值。

[1]陈黎明.码垛机器人控制系统设计[D].上海：上海交通大学，2010.

[2]李成伟，朱秀丽，贠超.码垛机器人机构设计与控制系统研究[J].机电工程，2008，（12）：81-84，99.

[3]李成伟，贠超.码垛机器人控制系统的设计与实现[J].机电产品开发与创新，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