基于PLC的藥房碼垛機器人控制系統研究

侯 輝，劉廣瑞

（鄭州大學 機械工程學院，鄭州 450001）

0 引言

在自動化立體倉庫技術日益成熟的今天，碼垛機器人的應用也逐漸普及，它不僅極大地降低了人的勞動強度，提高了勞動效率，還具有出錯率低、便于聯網實現自動化等優點。隨著我國大力發展輕工業和第三產業的呼聲漸高，小型、經濟、自動化程度高的碼垛機器人成為市場的急需品，在這個市場幾近空白的前提下，本文提出一種全新的碼垛機器人系統方案。該系統在PLC的控制下，由伺服電機驅動一個四自由度直角坐標機器人，依靠真空吸附技術實現藥物抓取。因為伺服電機和旋轉編碼器可以形成局部閉環，保證了一定的精確度，所以整個系統設計成開環的，省去了尋址環節，可以使系統可靠性更高。由PC機和組態軟件實現上位控制和實時監測，節約了成本；由PROFIBUS-DP總線實現系統組網，可靠性更高。

除了本文提到的藥房自動存取藥應用外，通過對PLC編程和末端手改造可以使系統靈活運用于圖書館自助借還書、超市自動存取包、飯店自動上菜等領域，具有極大的市場空間。

1 藥房碼垛機器人系統分析

1.1 控制系統構架設計

該系統以PC機作為主控機，其上搭載西門子CP5611通信網卡以及組態王人機交互軟件，實現系統通信、機器人操作和藥柜信息監測等。歐姆龍CP1H PLC搭載PROFIBUS總線單元和擴展I/O單元，通過伺服、步進電機驅動器驅動機器人電機實現機器人運動控制。

圖1 控制系統構架框圖

圖1即為藥房碼垛機器人控制系統構架框圖。

1.2 碼垛機器人機械結構簡介

該系統采用直角坐標碼垛機器人，這種典型結構的工業機器人具有結構簡單、剛度高、重復定位精度高和經濟性良好等優點。其中橫軸為Ⅰ軸，縱軸為Ⅱ軸，豎軸為Ⅲ軸，手爪旋轉軸為Ⅳ軸。其機械結構如圖2所示。

碼垛機器人由三個直線電控工作臺和一個旋轉工作臺外加真空吸盤組成。其中Ⅰ軸和Ⅱ軸除了行程不一致以外，自身結構形式完全相同，均采用直線導軌支撐、滾珠絲杠傳動的機構，具有承載能力強，安裝方便的優點。Ⅲ軸因承載較低，故采用光軸支撐、滾珠絲杠傳動的結構。三個軸互成直角搭建而成，是典型的直角坐標機器人。Ⅳ軸為旋轉軸，采用蝸輪蝸桿結構，通過支架與Ⅲ軸平臺相連。機器人的末端手連接在Ⅳ軸上，采用真空吸附的形式抓取藥品。Ⅰ軸和Ⅲ軸由伺服電機驅動，通過旋轉編碼器形成局部閉環，保證了工作精度。考慮到Ⅱ軸和Ⅳ軸相對精度要求較低，可選用步進電機驅動，進一步提升系統的經濟性。

圖2 碼垛機器人機械結構圖

該碼垛機器人最大負載10kg，最高速度0.3m/s，定位精度±0.7mm，重復定位精度±0.05mm。

1.3 藥柜的設計

藥柜的設計參照自動化立體倉庫，碼垛機器人兩側各有一個藥柜，提高了空間利用率。如圖3所示。每一種藥品對應一個倉格，倉格內裝有微動開關，用來檢測藥品有無。常用藥放在靠近出口的一端以提高效率。工作人員拿到處方以后將信息輸入計算機，碼垛機器人移動到相應的倉格將藥品取出。

圖3 藥柜立體模型圖

2 PLC在藥房碼垛機器人中的應用

2.1 PLC的選用

考察了各種PLC的特點以后，本系統選用了歐姆龍的CP1H-X40DT-D PLC。該型號的PLC是歐姆龍公司為滿足工業控制領域對設備的高性能、高集成度以及高維護性能的需求，而推出的具有高度擴展性的小型一體化PLC。該PLC處理速度大幅提高，可達到大型PLC的指令處理速度；內置輸入24點、輸出16點（通過擴展I/O單元可達最多320點輸入輸出）；搭載了最大4軸的100kHz高速脈沖輸出功能，可從內置的輸出點發出固定占空比脈沖信號，輸入到伺服電機驅動器來實現定位或速度控制；搭載了最大4軸單相100kHz、相位差50kHz的高速計數功能，將旋轉編碼器連接到內置輸入，即可進行高速計數器輸入；可擴展CJ系列高功能單元，通過CJ單元適配器可以連接CPU總線單元來實現上位、下位的網絡通信。另外，該PLC還具有原點搜索、輸入中斷、脈沖接收以及USB串行通信等功能。

2.2 PLC硬件接線圖

如圖4所示即為PLC硬件接線圖，碼垛機器人的各軸都裝有限位開關和原點開關，既可以避免機器人運行過程中與藥柜發生干涉而保證安全性，又可以隨時進行原點檢查保持高精度。PLC通過控制電磁閥的動作操作真空吸盤，實現藥品的抓取和釋放。

圖4 PLC硬件接線圖

3 藥房碼垛機器人開環控制原理

本系統采用標定和機器學習的方式來獲取藥柜各個倉格的位置。倉格尺寸信息作為基礎數據編寫進PLC程序，藥品信息和倉格位置相關聯，一一對應。

PLC得到上位PC機的藥品信息后，先將其關聯到相應的倉格，并通過對比目的地址和當前地址得出要運行的起止距離，然后選用合適的速度運行，達到調速和停準的目的。整個運行過程中的速度和位移都采用開環控制，但由碼垛機器人的伺服電機和旋轉編碼器組成的局部閉環回路可將末端精度控制在±1mm以內。考慮到藥品的重量較輕，且藥房規模較小，完全可以滿足精度的要求。

圖5 碼垛機器人理想加減速曲線

碼垛機器人的起止位置是不確定的、離散的，不同的距離對應不同的加減速曲線。實際中碼垛機器人的運行曲線可以概括為幾條理想的加減速曲線，如圖5所示。S4為四個倉格間的距離，S1為一個倉格的距離。PLC根據不同的距離選用不同的加減速曲線運行，從而達到高速運行、換速平穩、低速停準的控制要求。控制流程圖如圖6所示。

碼垛機器人采用開環控制不需要機器尋址，精簡了大量傳感器，使整個系統更加緊湊、穩定，同時降低了成本。

4 結束語

圖6 碼垛機器人運行控制流程圖

通過研究與探索，本文將自動化立體倉庫的概念引入藥房，提出一種以碼垛機器人為載體的自動化取藥理念，并充分利用了CP1H PLC強大的高速脈沖輸出和高速計數器功能，實現了對碼垛機器人四軸的開環控制，構建了一個結構簡單、性能穩定且具有高擴展性和高性價比的控制系統。該系統將PLC的高可靠性、模塊化結構和碼垛機器人的高穩定性和強通用性等優點結合起來，使兩者優勢互補，在醫藥、餐飲、物流和圖書借閱等行業具有極強的推廣性。

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