基于 PLC 碼垛機器人控制系統的設計

顏安 冷曉春 宋艷芳

摘要：隨著工業自動化技術的進一步成熟與發展，碼垛機器人在水泥、包裝、物流等行業已經得到了廣泛的應用，并且在工業自動化產業的升級發揮著重要作用。由于市場環境不斷變化和工業4.0的提出與發展，本文研究開發了基于 PLC 一款四自由度直角坐標紙箱碼垛機器人，來代替人工碼垛。

關鍵詞：PLC;交流伺服;碼垛機器人

1.????? 引言

自動化碼垛技術作為物流方面的重要環節，在工業自動化中已經得到了廣泛的應用。例如在自動化流水線上，通過機器人把從流水線上輸送過來的紙箱等物料按照實現規定的擺放規則依次在托盤上堆放起來，其主要目的是為了使得物料的存儲、搬運、運輸變得更加方便有序。而傳統的機械式自動化碼垛設備己經不能滿足人們對工業生產自動化的高要求，取而代之的是更為先進的智能化碼垛機器人。

2.????? 碼垛機器人組成

根據工廠生產線的實際情況，設計一款4自由度的直角坐標機器人就能夠實現碼垛任務。該機器人的空間姿態少，結構簡單，重復定位精度高，其三維視圖如圖1所示。碼垛機器人不但可以沿著 X 軸（前后），Y 軸（左右），Z 軸（上下）方向作直線運動，還能夠旋轉（R）定位，R 軸的旋轉實現對貨物的夾取以及碼垛，其中 R 軸附加在Z 軸。

3.????? 控制系統設計方案

3.1?? 控制系統的思路

控制系統的流程框圖如圖2所示。

由圖2所知，采用三菱 PLC 作為主控制器，交流伺服電機和氣缸作為執行機構，位置傳感器和光電編碼器作為實時檢測裝置。主要作用是用來檢測是否碼垛和碼垛的位置，實現對碼垛位置的精確定位以及控制電機的運轉。現場工作人員按照生產控制要求操作，指揮碼垛機器人完成相關的工作任務。

3.2控制系統的方案

其中前三個伺服電機分別控制 XYZ 三個軸的運動，最后一個電機驅動末端執行器的夾緊和放松以及旋轉運動，碼垛機器人在不同的工作方式下有不同的運行模式。圖3中 PLC 通過編碼器“記住”了每個運動軸的位置，在自動模式下發送連續脈沖，編碼器實時檢測該軸的位置，PLC 通過高速計數器端口接收編碼器返回的脈沖反饋，當編碼器返回的值在誤差允許范圍內，PLC 停止該軸脈沖的發送。

4.????? 控制系統硬件電路

4.1?? 系統硬件組成

碼垛機器人控制系統由 PLC、伺服電機、伺服驅動器、編碼器等組成。XYZ 三個軸的移動速度，而這三個軸的移動速度又取決于它們各自的驅動電機，最后選擇松下系列的型號為 MSMA042A 交流伺服電機與相應伺服驅動器。

4.2?? 主回路控制

碼垛機器人的電氣控制主電路如圖3所示。

4.3?? 程序設計過程

將碼垛機器人控制系統的程序分為4個模塊，從上到下分別為公用程序模塊、自動程序模塊、手動程序模塊、回原位程序模塊。公用程序模塊為各部分程序共同使用，主要進行程序的初始化。自動程序模塊包括單步、單周期、連續運行，由于這三種工作方式比較類似，所以梯形圖程序也比較相似，只要給定不同的條件便能實現不同的工作方式。

5.結語

碼垛機器人主要用于流水線和物流方面，通過設計不同的夾具就可以適用于不同物料進行碼垛。從而避免了人們長期在惡劣有害的環境下從事碼垛工作，且機器人自動化碼垛的效率高，不容易出錯，對工業自動化的發展起到了巨大的革新。

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