0 引言

工業碼垛機器人屬于典型的機電一體化高科技產品。對企業提高生產效率、增長經濟效益、保證產品質量、改善勞動條件、優化作業布局貢獻巨大，其應用的數量和質量標志著企業生產自動化的先進水平。控制系統是工業碼垛機器人最為重要的組成都分，對機器人碼垛功能的實現及作業性能的保障起著至關重要的作用，直接決定著機器人的運動精度及工作效果。通過調奮發現，目前在用的1=業碼垛機器人多采用“運動控制器+PC”構架形式的控制系統。這種控制系統以PC為硬件平臺，依靠運動控制卡實現運動軸的實時控制。雖然上下位關系清晰，但系統穩定性差、可靠性低、可擴展能力弱，且功能冗余，性價比很低。筆者所在科研團隊設計的工業碼垛機器人控制系統，以PLC為主控裝置，使PLC與相關器件的功能融合達到理想的程度，所構建的機器人控制系統結構精簡，節能降耗，具有很好的穩定性及可擴展性，尤其可貴的是，該控制系統性價比很高，適于工業現場應用。

1 工業碼垛機器人簡介

在充分研究國內外工業碼垛機器人的基礎上，筆者所在科研團隊研制出一種功能齊全、性能穩定、成本低廉、結構簡單、機動靈活的工業碼垛機器人。具體設計指標如下： (1)性能參數：本體質量：1000kg；最大抓取質量：60kg；搬運速度：30m/min；堆碼速度：20次/rain。 (2)工作范圍：水平作業半徑為2.5m，‘垂直作業高度為2.4m。 (3)連續運轉時問不小于24h，連續運轉8h累積誤差不超過士5mm。

圖 1 平衡吊機構原理圖

該工業碼垛機器人采用圖1所示平衡吊機構形式。具有結構簡單、使用方便、維護節省的優點。在該機構中，構件5和6是兩個原動件，由于機構有兩個自由度，所以該機構的運動是確定的。桿系核心部分是一個平行四連桿機構，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。該機器人主體機構的優點在于，無論機器人空載，還是負載，在工作范圍內的任何位置都可以隨意停下并保持靜止不動，即達到隨遇平衡狀態。機器人機械結構的三維仿真設計效果如圖2所示。由于機器人具有相互獨立的四個自由度，相應的機械結構也可分為四個部分：(1)底座旋轉部分及其驅動裝置7；(2)水平移動部分及其驅動裝置5；(3)垂直移動部分及其驅動裝置6；(4)手爪旋轉部分及其驅動裝置8。各自由度均采用交流伺服電機驅動。機器人水平方向的運動由電機經絲杠旋轉帶動構件5做水平直線運動來實現；機器人垂直方向的運動由電機經絲杠旋轉帶動構件6做垂直方向的直線運動來實現。底座及手爪部分有兩個旋轉自由度。通過這四個自由度，實現碼垛機器人抓手在空間內的靈活移動，完成碼垛作業。

圖 2 碼垛機器人機械系統示意圖

2 工業碼垛機器人控制系統硬件設計與實現

根據工業碼垛機器人整體設計指標及作業要求，其控制系統應滿足如下要求：

(1)四軸四自由度的協調控制，實現高速、穩定、高效運動；

(2)示教控制技術，實現路徑規劃；

(3)實時性高，動態響應性能好；

(4)高可靠性、安傘性和穩定性；

(5)友好的人機界面，編程方便，易于操作；

(6)硬件系統結構緊湊，并具有一定的可擴展性。

根據上述設計要求，筆者和科研團隊其他成員們共同設計了如圖3所示的工業碼垛機器人控制系統硬件構架。

圖 3 碼垛機器人硬件結構圖

需要指出，工業碼垛機器人控制系統的核心是橫河FA一M3 PLC。該PLC功能多、性能好、處理速度快和擴展能力強，主要完成伺服電機驅動、示教功能及其它外圍I/0量的處理等任務。FA—M3 PLC采用模塊化設計，可根據不同任務需求采用不同的模塊。本機器人控制系統需要采用：電源模塊、CPU模塊、數字量模塊、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量指定電機的旋轉角度，按照頻率指定電機的旋轉速度，同時接收編碼器的反饋值，構成閉環控制。碼垛機器人位置控制原理如圖4所示。

圖 4 位置模塊運行原理示意圖

位置控制模塊中裝有32點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，方便位置控制的實現。位置控制模塊的特點如下：

(1)高速和高精度的定位控制使用交流伺服電動機時。最大輸出為5Mpps；對于機器人1軸啟動的情況，可使用0.15ms的短時位控；對于4軸直線插補和2軸圓弧插補，可使用0.5ms以下的短時位控，這樣就町使機器人開始高速運行，實現與外圍設備的同步。

(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、圓弧插補、螺旋插補等。豐富的功能使機器人能夠輕易實現多種多樣的定位控制。

(3)脈沖計數器/通用輸入輸出接點因為可以按照機器人的軸數安裝輸入值最大為5Mpps的脈沖計數器(支持絕對值編碼器)，使用該模塊就可以讀取電動機的反饋脈沖，從而實現當前位置的確認、位置偏離的檢測等更加正確的定位控制。通用輸入接點(6點/軸)、通用輸出接點(3點/軸)與電動機/驅動器相連接，可以作為控制用輸入輸出接點(驅動器報警、定位完成、伺服電動機ON、驅動器復位等)來使用。

(4)通過位置模塊設定工具可以實現參數設定、動作監視、動作測試根據位置控制模塊的設定工具“ToolBox位置模塊”可以進行寄存器參數、動作模式以及位置數據的設定、動作監視、動作測試等，從而使該模塊的運行準備以及調試工作等變得更加簡便。

3 控制系統軟件設計與實現

碼垛機器人控制系統的軟件設計與實現十分重要，在保障機器入碼垛功能的實現和作業效果的提升方面起著舉足輕重的作用。筆者和科研團隊的成員們共同努力，制定出如圖5所示的機器人控制系統軟件構架。

圖 5 控制系統軟件構架示意圖

其中，人機交互軟件的編寫采用觸摸屏自帶編寫軟件，界面

通俗易懂，適合工廠化環境使用，且成本低廉。各模塊功能如下：

初始化模塊：負責碼垛機器人控制系統啟動和程序初始化，監測控制系統各單元是否工作正常并及時反饋；

示教模塊：完成機器人的位置示教，生成示教指令文件； 監控模塊：監控機器人的工作，顯示機器人的工作狀態， 文件處理模塊：管理各種文件，包括文件的調用、改名和刪除、復制等；

參數設置模塊：進行機器人控制參數以及機器人結構參數等可調參數的設置、控制系統I/O的設置和管理；

碼垛機器人控制系統的軟件采用橫河PLC通用軟件wide—field進行編寫，可采用梯形圖和語句表形式，模式運行時也可采用自帶軟件ToolBox進行編寫，只需設定相關參數即可，簡單易行。工作鼉大大減少。各模塊功能如下：

軌跡規劃模塊：完成機器人各種軌跡規劃、插補算法；

位置控制模塊：主要包括單軸定位、插補定位、定位動作中的目標位置變更、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；

原點搜索模塊：包括自動原點搜索、手動原點搜索等；中的目標位置變更、速度變更等；

手動控制模塊：包括JOG控制、手動脈沖發生器等。

碼垛機器人軟件系統工作流程如圖6所示。

圖 6 工業碼垛機器人軟件系統工作流程

4 結論

本文以新型工業碼垛機器人為研究對象，以橫河FA—M3 PLC為基礎設計了機器人控制系統，并根據碼垛機器人工作特點和實際需要設計了兩種常用工作模式。經實際工程樣機運行測試，可知以PLC為核心的工業碼垛機器人控制系統既可以完成對現場I/O量的采集和控制，也可以通過位置控制模塊驅動交流伺服電機，完成對碼垛機器人四軸的運動控制。工業碼垛機器人工程樣機性能測試表明，本文所構建的碼垛機器人控制系統能夠充分發揮PLC的技術特點，在滿足碼垛機器人多樣化作業要求的前提下，可顯著提高機器人的可靠性及性價比，具有廣闊的工業應用前景。