直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

柏甫榮

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)自動化領(lǐng)域的多自由度機(jī)械手或多關(guān)節(jié)的機(jī)器裝置，它能夠自動執(zhí)行工作，是靠自身動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器裝置。它可以接受人類的調(diào)度指揮，也可以按照預(yù)先編制的程序去運(yùn)行，現(xiàn)代化的工業(yè)機(jī)器人還能根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)去執(zhí)行[1-2]。工業(yè)機(jī)器人按照機(jī)械機(jī)構(gòu)行使主要分類為關(guān)節(jié)型機(jī)器人、水下機(jī)器人和直角坐標(biāo)機(jī)器人等。直角坐標(biāo)機(jī)器人作為工業(yè)機(jī)器人的一種，被廣泛的應(yīng)用在制造業(yè)行業(yè)，它主要以直線運(yùn)動軸為主，各個運(yùn)動軸通常對應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸、Y軸和Z軸，3個軸都是主動軸，且各個直線運(yùn)動軸之間的夾角為直角，一般X軸和Y軸布置在水平面上，Z軸是上下運(yùn)動軸，共可以提供3個自由度，完成空間點(diǎn)的自由定位，如圖1所示。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用情況，如果完成指定的動作需要多個自由度，可以在Z軸末端加上多個旋轉(zhuǎn)軸和擺動軸，確定末端的姿態(tài)以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，可以完成焊接、包裝、碼垛等制造業(yè)中常見的工作。直角坐標(biāo)機(jī)器人通常由機(jī)械結(jié)構(gòu)、動力驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。

圖1 龍門式直角坐標(biāo)機(jī)器人

直角坐標(biāo)機(jī)器人定位精度高，重復(fù)定位精度可以達(dá)到0.01 mm～0.05 mm；負(fù)載能力強(qiáng)，單根直線運(yùn)動單元的最大負(fù)載為200 kg，當(dāng)采用多滑塊剛性連接時，直線運(yùn)動單元承受最大負(fù)載可以增加6～10倍；行程比較大，龍門式單根直線運(yùn)動單元的行程最大是6 m，還可以用多根直線運(yùn)動單元方便的組成超大行程；對比關(guān)節(jié)型機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人外形直觀，而且生產(chǎn)成本低，方便操作人員日常維護(hù)和使用[3-5]。鑒于直角坐標(biāo)機(jī)器人以上的種種優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人自動化裝備的選擇中，直角坐標(biāo)機(jī)器人應(yīng)當(dāng)是首選。

目前，國內(nèi)外機(jī)器人生產(chǎn)廠家針對直角坐標(biāo)機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)和直線運(yùn)動單元進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究分析，設(shè)計(jì)出了直線運(yùn)動單元模塊，并且針對直角坐標(biāo)機(jī)器人形成了非常成熟的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備機(jī)械方案。但是傳統(tǒng)的直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制系統(tǒng)基本上都是開發(fā)者對于自己獨(dú)特的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的，這樣的控制系統(tǒng)通常采用了專用的機(jī)器人編程語言、專用的處理器等專用的結(jié)構(gòu)體系。這種專用化的控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化發(fā)展的小批量、多品種要求。

因此，柔性化和開放性是直角坐標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，本文旨在研究一套高性能、高柔性化的開放式直角坐標(biāo)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)，滿足現(xiàn)代化裝備制造業(yè)的發(fā)展要求。

1 直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人功能要求

隨著機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展，對機(jī)器人的控制系統(tǒng)提出了更高的要求，要求各種機(jī)器人能夠相互協(xié)作，要求更好的操作性、更好的兼容性和開放性。因此，直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)如下基本功能：

1)以脈沖的方式提供對各個模組電機(jī)驅(qū)動器的控制，實(shí)現(xiàn)S形平滑曲線的加減速過程，并控制好運(yùn)動節(jié)拍，使設(shè)備與流水線在時序上協(xié)調(diào)同步；

2)控制系統(tǒng)提供多路擴(kuò)展的I/O端口，為用戶提供可以擴(kuò)展設(shè)備的通道；

3)分模塊編寫程序，實(shí)現(xiàn)查找故障快速定位；

4)人機(jī)界面中要有安全模塊和故障診斷模塊，實(shí)現(xiàn)按照用戶等級開放數(shù)據(jù)塊[6]。

2 直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)提供系統(tǒng)控制器，I/O現(xiàn)場總線接口，控制I/O模塊中的傳感元件、控制按鈕和執(zhí)行元件，直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人中集成更多的外部傳感器，如視覺傳感器、壓力傳感器等，以提高直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的智能化；控制系統(tǒng)連接驅(qū)動器，控制電機(jī)驅(qū)動碼垛機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)運(yùn)動；控制系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)和人機(jī)界面的實(shí)時通訊，實(shí)時反饋各工作元件的工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)自診斷功能，直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1 控制系統(tǒng)

直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心是系統(tǒng)控制器，通常選用數(shù)控系統(tǒng)、PLC或加運(yùn)動控制卡的工控機(jī)來做控制系統(tǒng)。PLC(programmable logic controller，可編程邏輯控制器)是一種專門在工業(yè)系統(tǒng)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字式運(yùn)算操作的電子裝置[7]。PLC使用可以編制程序的存儲器，用在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)數(shù)、計(jì)時和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并且能夠通過數(shù)字式或者模擬式的輸入和輸出，來控制各種類型的機(jī)械裝置或生產(chǎn)過程，符合直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人的控制要求；由于PLC具有能耗低、體積小、編程簡單、經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)代的工業(yè)控制領(lǐng)域中，以PLC構(gòu)成的自動化控制系統(tǒng)占有相當(dāng)大的份額[8]。因此，本文選用可編程邏輯控制器作為直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人的系統(tǒng)控制器。

2.2 PLC控制程序

為了設(shè)計(jì)出符合開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制系統(tǒng)，直角坐標(biāo)系碼垛機(jī)器人的PLC控制系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化的編程，把整個控制程序按照功能分成多個子程序，每個子程序?yàn)橐粋€獨(dú)立模塊，使每一個模塊的工作變得簡單而明確。整個程序包括7大模塊：手動操作模塊；自動運(yùn)行模塊；伺服電機(jī)控制模塊；人機(jī)交互模塊；I/O模塊；安全模塊；自診斷模塊。由于模塊相互獨(dú)立，因此在設(shè)計(jì)其中一個模塊的時候，不會受到其他模塊的影響，因此可以將原來較為復(fù)雜的問題簡化為一系列簡單模塊的設(shè)計(jì)。程序中的7個模塊根據(jù)控制系統(tǒng)要求設(shè)置優(yōu)先級，充分體現(xiàn)了“分時多任務(wù)”的優(yōu)越性，同時還能夠保證良好的維護(hù)性和清晰的結(jié)構(gòu)框架。

在直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人中，每個軸關(guān)節(jié)由配置有增量式編碼器的交流伺服電機(jī)驅(qū)動。伺服驅(qū)動部分根據(jù)安裝負(fù)載的要求選用伺服驅(qū)動器，本文以臺達(dá)伺服驅(qū)動器為例，臺達(dá)伺服驅(qū)動器的主要特征是：操作安全、調(diào)試方便；具有過流、熱保護(hù)裝置；能耗低等。臺達(dá)伺服驅(qū)動器與PLC、伺服電機(jī)的接線如圖3所示，臺達(dá)伺服驅(qū)動器有一個內(nèi)置的制動器功能，用于保證設(shè)備安全停機(jī)并避免重新的意外啟動，通過這種方式，臺達(dá)伺服驅(qū)動器控制的電機(jī)就不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖3 臺達(dá)伺服驅(qū)動器接線圖

2.3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人的人機(jī)界面作為使用者與其溝通、傳達(dá)和接收信息的一個接口，是機(jī)器實(shí)現(xiàn)自動化控制很重要的一部分。人機(jī)界面可以使直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人系統(tǒng)變得更直觀、更方便、多功能，使操作人員輕松的發(fā)現(xiàn)并解決機(jī)器故障，并根據(jù)提示完成預(yù)防性維護(hù)。

直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人的人機(jī)界面功能豐富，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括運(yùn)行畫面、參數(shù)設(shè)置和輔助操作三個一級界面，還有一系列的彈出式報警窗口，報警窗口對運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的故障和解決方法做詳實(shí)的說明，能夠使操作人員根據(jù)說明很快很準(zhǔn)確地解決問題。

圖4 人機(jī)界面結(jié)構(gòu)框圖

3 末端執(zhí)行器氣動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人的應(yīng)用場合，選擇合適的末端執(zhí)行器。如果直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人用于表面光滑物體的搬運(yùn)碼垛，如板材和箱體等，或者用于對工件表面要求特別嚴(yán)格的場合，末端執(zhí)行器可以使用真空吸盤，通過吸盤和物體表面產(chǎn)生的負(fù)氣壓抬升物體，其氣動控制原理圖如圖5所示。如果直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人用于不規(guī)則物體的搬運(yùn)碼垛，如袋狀物和瓶裝物等，或者真空吸盤在這些物體表面不便產(chǎn)生負(fù)氣壓，末端執(zhí)行器可以使用氣缸控制的夾爪，其氣動控制原理圖如圖6所示。

圖5 吸盤氣動控制原理圖

圖6 氣缸氣動控制原理圖

4 結(jié)語

結(jié)合當(dāng)前碼垛機(jī)器人控制方案和碼垛機(jī)器人功能需求以及技術(shù)需求，本著經(jīng)濟(jì)性、高效和通用性好的原則，設(shè)計(jì)了基于PLC的直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)。針對碼垛機(jī)器人系統(tǒng)的基本要求，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，而且系統(tǒng)中集成更多的傳感器，實(shí)現(xiàn)直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的智能化；實(shí)現(xiàn)了控制程序的模塊化編程，保證控制系統(tǒng)有清晰的結(jié)構(gòu)和良好的維護(hù)性；設(shè)計(jì)了具有安全模塊和自診斷功能的人機(jī)界面，使操作人員能夠快速解決現(xiàn)場故障。

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