0 引言

工業(yè)碼垛機(jī)器人屬于典型的機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品。對企業(yè)提高生產(chǎn)效率、增長經(jīng)濟(jì)效益、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動條件、優(yōu)化作業(yè)布局貢獻(xiàn)巨大，其應(yīng)用的數(shù)量和質(zhì)量標(biāo)志著企業(yè)生產(chǎn)自動化的先進(jìn)水平。控制系統(tǒng)是工業(yè)碼垛機(jī)器人最為重要的組成都分，對機(jī)器人碼垛功能的實(shí)現(xiàn)及作業(yè)性能的保障起著至關(guān)重要的作用，直接決定著機(jī)器人的運(yùn)動精度及工作效果。通過調(diào)奮發(fā)現(xiàn)，目前在用的1=業(yè)碼垛機(jī)器人多采用“運(yùn)動控制器+PC”構(gòu)架形式的控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)以PC為硬件平臺，依靠運(yùn)動控制卡實(shí)現(xiàn)運(yùn)動軸的實(shí)時(shí)控制。雖然上下位關(guān)系清晰，但系統(tǒng)穩(wěn)定性差、可靠性低、可擴(kuò)展能力弱，且功能冗余，性價(jià)比很低。筆者所在科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)，以PLC為主控裝置，使PLC與相關(guān)器件的功能融合達(dá)到理想的程度，所構(gòu)建的機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡，節(jié)能降耗，具有很好的穩(wěn)定性及可擴(kuò)展性，尤其可貴的是，該控制系統(tǒng)性價(jià)比很高，適于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。

1 工業(yè)碼垛機(jī)器人簡介

在充分研究國內(nèi)外工業(yè)碼垛機(jī)器人的基礎(chǔ)上，筆者所在科研團(tuán)隊(duì)研制出一種功能齊全、性能穩(wěn)定、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)動靈活的工業(yè)碼垛機(jī)器人。具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下： (1)性能參數(shù)：本體質(zhì)量：1000kg；最大抓取質(zhì)量：60kg；搬運(yùn)速度：30m/min；堆碼速度：20次/rain。 (2)工作范圍：水平作業(yè)半徑為2.5m，‘垂直作業(yè)高度為2.4m。 (3)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)問不小于24h，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)8h累積誤差不超過士5mm。

圖 1 平衡吊機(jī)構(gòu)原理圖

該工業(yè)碼垛機(jī)器人采用圖1所示平衡吊機(jī)構(gòu)形式。具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、維護(hù)節(jié)省的優(yōu)點(diǎn)。在該機(jī)構(gòu)中，構(gòu)件5和6是兩個(gè)原動件，由于機(jī)構(gòu)有兩個(gè)自由度，所以該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是確定的。桿系核心部分是一個(gè)平行四連桿機(jī)構(gòu)，由ABD、DEF、BC、CE四桿組成，在B、C、D、E、F處用鉸鏈連接，其中BC//=DE和BD//=CE。該機(jī)器人主體機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，無論機(jī)器人空載，還是負(fù)載，在工作范圍內(nèi)的任何位置都可以隨意停下并保持靜止不動，即達(dá)到隨遇平衡狀態(tài)。機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維仿真設(shè)計(jì)效果如圖2所示。由于機(jī)器人具有相互獨(dú)立的四個(gè)自由度，相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)也可分為四個(gè)部分：(1)底座旋轉(zhuǎn)部分及其驅(qū)動裝置7；(2)水平移動部分及其驅(qū)動裝置5；(3)垂直移動部分及其驅(qū)動裝置6；(4)手爪旋轉(zhuǎn)部分及其驅(qū)動裝置8。各自由度均采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動。機(jī)器人水平方向的運(yùn)動由電機(jī)經(jīng)絲杠旋轉(zhuǎn)帶動構(gòu)件5做水平直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)；機(jī)器人垂直方向的運(yùn)動由電機(jī)經(jīng)絲杠旋轉(zhuǎn)帶動構(gòu)件6做垂直方向的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)。底座及手爪部分有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。通過這四個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人抓手在空間內(nèi)的靈活移動，完成碼垛作業(yè)。

圖 2 碼垛機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)示意圖

2 工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)工業(yè)碼垛機(jī)器人整體設(shè)計(jì)指標(biāo)及作業(yè)要求，其控制系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：

(1)四軸四自由度的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定、高效運(yùn)動；

(2)示教控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃；

(3)實(shí)時(shí)性高，動態(tài)響應(yīng)性能好；

(4)高可靠性、安傘性和穩(wěn)定性；

(5)友好的人機(jī)界面，編程方便，易于操作；

(6)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，并具有一定的可擴(kuò)展性。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，筆者和科研團(tuán)隊(duì)其他成員們共同設(shè)計(jì)了如圖3所示的工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件構(gòu)架。

圖 3 碼垛機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)圖

需要指出，工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心是橫河FA一M3 PLC。該P(yáng)LC功能多、性能好、處理速度快和擴(kuò)展能力強(qiáng)，主要完成伺服電機(jī)驅(qū)動、示教功能及其它外圍I/0量的處理等任務(wù)。FA—M3 PLC采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同任務(wù)需求采用不同的模塊。本機(jī)器人控制系統(tǒng)需要采用：電源模塊、CPU模塊、數(shù)字量模塊、位置控制模塊和通信模塊等。

其中位置控制模塊F3NC34根據(jù)來自CPU模塊的命令，生成位置定位用的軌跡，以脈沖串的形式輸出位置命令值。按照輸出脈沖串的數(shù)量指定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，按照頻率指定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)接收編碼器的反饋值，構(gòu)成閉環(huán)控制。碼垛機(jī)器人位置控制原理如圖4所示。

圖 4 位置模塊運(yùn)行原理示意圖

位置控制模塊中裝有32點(diǎn)位的固定輸入和輸出繼電器，將位置控制所需常用命令固化在其中，方便位置控制的實(shí)現(xiàn)。位置控制模塊的特點(diǎn)如下：

(1)高速和高精度的定位控制使用交流伺服電動機(jī)時(shí)。最大輸出為5Mpps；對于機(jī)器人1軸啟動的情況，可使用0.15ms的短時(shí)位控；對于4軸直線插補(bǔ)和2軸圓弧插補(bǔ)，可使用0.5ms以下的短時(shí)位控，這樣就町使機(jī)器人開始高速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的同步。

(2)豐富的位置功能該模塊的控制方式有定位控制、速度控制、速度控制向定位控制的切換控制、定位控制向速度控制的切換控制。作為插入控制有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、螺旋插補(bǔ)等。豐富的功能使機(jī)器人能夠輕易實(shí)現(xiàn)多種多樣的定位控制。

(3)脈沖計(jì)數(shù)器/通用輸入輸出接點(diǎn)因?yàn)榭梢园凑諜C(jī)器人的軸數(shù)安裝輸入值最大為5Mpps的脈沖計(jì)數(shù)器(支持絕對值編碼器)，使用該模塊就可以讀取電動機(jī)的反饋脈沖，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)前位置的確認(rèn)、位置偏離的檢測等更加正確的定位控制。通用輸入接點(diǎn)(6點(diǎn)/軸)、通用輸出接點(diǎn)(3點(diǎn)/軸)與電動機(jī)/驅(qū)動器相連接，可以作為控制用輸入輸出接點(diǎn)(驅(qū)動器報(bào)警、定位完成、伺服電動機(jī)ON、驅(qū)動器復(fù)位等)來使用。

(4)通過位置模塊設(shè)定工具可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、動作監(jiān)視、動作測試根據(jù)位置控制模塊的設(shè)定工具“ToolBox位置模塊”可以進(jìn)行寄存器參數(shù)、動作模式以及位置數(shù)據(jù)的設(shè)定、動作監(jiān)視、動作測試等，從而使該模塊的運(yùn)行準(zhǔn)備以及調(diào)試工作等變得更加簡便。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)十分重要，在保障機(jī)器入碼垛功能的實(shí)現(xiàn)和作業(yè)效果的提升方面起著舉足輕重的作用。筆者和科研團(tuán)隊(duì)的成員們共同努力，制定出如圖5所示的機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件構(gòu)架。

圖 5 控制系統(tǒng)軟件構(gòu)架示意圖

其中，人機(jī)交互軟件的編寫采用觸摸屏自帶編寫軟件，界面

通俗易懂，適合工廠化環(huán)境使用，且成本低廉。各模塊功能如下：

初始化模塊：負(fù)責(zé)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)啟動和程序初始化，監(jiān)測控制系統(tǒng)各單元是否工作正常并及時(shí)反饋；

示教模塊：完成機(jī)器人的位置示教，生成示教指令文件； 監(jiān)控模塊：監(jiān)控機(jī)器人的工作，顯示機(jī)器人的工作狀態(tài)， 文件處理模塊：管理各種文件，包括文件的調(diào)用、改名和刪除、復(fù)制等；

參數(shù)設(shè)置模塊：進(jìn)行機(jī)器人控制參數(shù)以及機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)等可調(diào)參數(shù)的設(shè)置、控制系統(tǒng)I/O的設(shè)置和管理；

碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件采用橫河PLC通用軟件wide—field進(jìn)行編寫，可采用梯形圖和語句表形式，模式運(yùn)行時(shí)也可采用自帶軟件ToolBox進(jìn)行編寫，只需設(shè)定相關(guān)參數(shù)即可，簡單易行。工作鼉大大減少。各模塊功能如下：

軌跡規(guī)劃模塊：完成機(jī)器人各種軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)算法；

位置控制模塊：主要包括單軸定位、插補(bǔ)定位、定位動作中的目標(biāo)位置變更、速度變更等；

速度控制模塊：主要包括速度控制、速度控制中的速度變更、速度控制和位置控制的相互切換等；

原點(diǎn)搜索模塊：包括自動原點(diǎn)搜索、手動原點(diǎn)搜索等；中的目標(biāo)位置變更、速度變更等；

手動控制模塊：包括JOG控制、手動脈沖發(fā)生器等。

碼垛機(jī)器人軟件系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖 6 工業(yè)碼垛機(jī)器人軟件系統(tǒng)工作流程

4 結(jié)論

本文以新型工業(yè)碼垛機(jī)器人為研究對象，以橫河FA—M3 PLC為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了機(jī)器人控制系統(tǒng)，并根據(jù)碼垛機(jī)器人工作特點(diǎn)和實(shí)際需要設(shè)計(jì)了兩種常用工作模式。經(jīng)實(shí)際工程樣機(jī)運(yùn)行測試，可知以PLC為核心的工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)既可以完成對現(xiàn)場I/O量的采集和控制，也可以通過位置控制模塊驅(qū)動交流伺服電機(jī)，完成對碼垛機(jī)器人四軸的運(yùn)動控制。工業(yè)碼垛機(jī)器人工程樣機(jī)性能測試表明，本文所構(gòu)建的碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮PLC的技術(shù)特點(diǎn)，在滿足碼垛機(jī)器人多樣化作業(yè)要求的前提下，可顯著提高機(jī)器人的可靠性及性價(jià)比，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。