直角坐標型機器人機械結構與控制系統的設計

王占軍，趙玉剛，劉新玉

WANG Zhan-jun, ZHAO Yu-gang, LIU Xin-yu

（山東理工大學 機械工程學院，淄博 255049）

0 引言

隨著科技的進步及企業生產自動化水平的提高，碼垛機器人的應用越來越廣泛，在大型食品飲料、化工和煤礦等企業中，現代碼垛技術已得到廣泛應用,大幅度提高了企業的生產效率并降低了勞動力成本[1]。而在瓷磚包裝生產線中，由于瓷磚的重量較大且需要碼垛的距離長，普通的碼垛機器人很難滿足作業要求。因此需要設計一種全新的碼垛機器人對瓷磚進行碼垛作業。

根據瓷磚包裝生產線的具體碼垛要求，設計了新型的4自由度的直角坐標機器人。該機器人的碼垛距離長且承載能力較大，能夠滿足其作業要求。該機器人以PLC作為控制系統的核心，配有觸摸屏和其他輔助模塊。該控制系統能夠實現對機器人的精確控制要求，并且該控制系統的編程簡單，擁有較好的可擴展性和維護性。另外，該機器人的性價比較高，適合工業現場應用。

1 直角坐標機器人結構設計

新設計的直角坐標機器人為4自由度的機器人，該機器人能夠實現抓手在三維空間內沿x軸、y軸和z軸的移動，并且可以完成繞z軸的轉動，能夠滿足對瓷磚長距離的碼垛作業要求。

1.1 直線運動單元的選擇

當機器人的抓手在三維空間移動時需要借助直線運動單元，常用的直線運動單元主要有：絲杠螺母副，齒輪齒條副，同步齒型帶等[2]。由于抓手在x軸的移動距離較大，而絲杠和齒條在長度較大時容易產生較大的變形，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動單元。抓手在y軸和z軸的移動距離較小，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動單元，在z軸選用齒輪齒條副作為直線運動單元。

1.2 機器人整體結構設計

當確定機器人的直線運動單元后，對機器人的整體結構進行設計。機器人的整體結構幾何模型如圖1所示。機器人的驅動系統為4個伺服電動機，伺服電動機的控制精度較高，能夠實現對機器人的精確控制[3]。機器人在作業過程中首先接收到物料傳遞的信號，然后PLC控制抓手夾緊物料；然后z軸電機通過齒輪齒條副帶動抓手向上移動；到達一定位置后，x軸和y軸電機在水平面內做直線插補運動；當抓手到達跺盤的正上方后，z軸電機反向轉動，帶動抓手向下運動；當將物料放入跺盤后，抓手釋放物料，完成對物料的碼垛作業。

圖1 直角坐標機器人結構簡圖

2 控制系統總體設計

控制系統的整體結構如圖2所示，利用計算機編寫好程序后下載到PLC中，PLC通過控制伺服電動機的轉動進而控制機器人的運動，并將機器人的運動信息實時的顯示到人機交互界面上（HMI），以便操作者參考。

圖2 控制系統結構圖

3 控制系統的硬件設計

目前工業上應用較為廣泛的控制系統主要分為以下三種：單片機控制系統、微型計算機控制系統以及PLC控制系統[4,5]。由于單片機的穩定性較差，數據處理能力也難以滿足碼垛要求，因此不能選用單片機作為控制系統的核心。微型計算機在穩定性和數據處理能力方面能夠滿足碼垛機器人的作業要求，但成本較高，不利于工業現場應用。而PLC作為控制系統有著巨大的優勢，PLC的抗干擾能力強，性價比高，擁有較強的數據處理能力，并且PLC的編程簡單、維修方便。因此選用PLC作為碼垛機器人的控制系統的核心。

3.1 PLC的選型

本文選用的P L C 為西門子公司生產的S 7-2 0 0 CPU226的PLC作為控制系統，該PLC的數據處理能力強，能夠滿足碼垛機器人的控制要求。PLC連接I/O擴展模塊后，I/O點數目最大可達到248點[6]。由于在機器人控制系統中需要用到四個交流伺服電動機的驅動器，因此PLC需要擴展4個EM253定位控制模塊，以實現對伺服驅動器的控制。EM253定位控制模塊輸出脈沖頻率最大可達到200kHz，能夠滿足伺服電動機的轉速要求[7]。

3.2 人機交互模塊設計

顯示器作為人機交互的終端，應實時顯示機器人的運動狀態，以供操作人員進行參考[8]。觸摸屏作為上世紀90年代出現的新的人機互交的技術已得到廣泛應用。不僅節省了空間，而且方便了操作人員的使用。另外，觸摸屏自帶編程軟件，編程簡單、方便。因此，該控制系統選用觸摸屏作為人機交互的界面。

3.3 控制系統硬件接線圖

直角坐標型機器人控制系統的硬件接線如圖3所示。

在對碼垛機器人進行設計時，各個軸都需要用到限位開關以及原點復位開關，以保證機器人在運動過程中不會發生碰撞等危險動作，保護機器和操作者的安全[9]。生產線上檢測貨物的傳感器所發出的信號也需要傳送給PLC，以便PLC作出響應。在輸出端PLC通過4個EM253位置控制模塊驅動4個伺服電動機轉動，進而驅動直角坐標機器人運動。

圖3 PLC硬件接線圖

4 控制系統的軟件設計

控制系統的軟件設計對機器人作業的精度和穩定性有著重要影響。PLC控制系統主要包括以下五個模塊：初始化模塊，示教模塊，軌跡規劃模塊，運行模塊以及監視模塊[10]，如圖4所示。

圖4 PLC控制系統軟件結構示意圖

初始化模塊：當PLC上電后，初始化模塊對PLC的CPU及其他各個模塊進行初始化設置，去除上一次運行時殘留的信息，并檢測各個控制單元運行是否正常。

示教模塊：當機器人在第一次作業時需要對機器人進行示教操作，以便使機器人能夠按照預定的軌跡運動。在示教過程中，PLC記錄機器人在每個位置下的位姿，并生成相應的示教文件。

軌跡規劃模塊：根據機器人采集到的各個點的坐標，對機械臂的運行軌跡進行規劃，并生成相應的插補算法，完成對機器人運行路徑的規劃。

運行模塊：根據示教模塊和軌跡規劃模塊生成的信息，控制機器人進行作業，完成對物料的搬運和碼垛任務。碼垛作業完成后，機器人回到原點位置。

監視模塊：時刻顯示機器人在作業過程中的運動狀態，并對控制系統的各個單元進行監視。當機器人在運動過程中出現錯誤信息后，立刻在顯示器上顯示錯誤信息并進行報警。

5 結論

本文根據瓷磚包裝生產線的具體碼垛要求，設計了4自由度的直角坐標型機器人。該機器人的運動空間廣，承載能力強，能夠完全滿足瓷磚包裝生產線的作業要求。并對機器人各個運動單元進行了設計，以保證機器人的運動精度和穩定性。最后對機器人的控制系統進行了研究，以PLC作為控制系統的核心，通過控制4個伺服驅動器完成對機器人的控制，并對控制系統的各個模塊進行了設計。實驗表明，以PLC為控制系統的直角坐標機器人具有較高的精度和穩定性。另外，該機器人擁有較高的性價比，在瓷磚包裝行業的應用前景較為廣泛。

[1] 李曉剛,劉晉浩.碼垛機器人的研究與應用現狀、問題及對策[J].包裝工程,2011(2)：96-101.

[2] 劉夢茹.上下料用模塊化直角坐標機器人研究[D].天津：天津大學,2010.

[3] 李成偉,貧超.碼垛機器人機構設計與運動學研究[J].機械設計與制造,2009(06)：181-183.

[4] 王炎歡,陳阿三,劉鑫茂.直角坐標機器人控制系統的研制[J].輕工機械,2010(04)：67-69.

[5] 謝少榮,羅均,吳安德.常用可編程序控制器及其應用[M].北京：化學工業出版社,2006.

[6] 韓戰濤.S7-200PLC編程與工程實例詳解[M].北京：電子工業出版社,2013.

[7] 龔仲華.S7-200系列PLC應用技術[M].北京：人民郵電出版社,2011.

[8] 李金泉,楊向東,付鐵.碼垛機器人機械結構與控制系統的設計[M].北京：北京理工大學出版社,2011.

[9] 侯輝,劉光瑞.基于PLC的藥房碼垛機器人控制系統研究[J].制造業自動化,2012(10)：108-110.

[10] 張豐華,韓寶玲,羅慶生,等.基于PLC的新型工業碼垛機器人控制系統的設計[J].計算機測量與控制,2009(11)：2191-2193.