摘要：为了能够提高包装物品的生产效率，减少企业的生产成本，本文通过分析包装码垛机器人的基本结构和工作流程，提出了一种基PLC的触摸屏包装码垛机器人控制系统。通过利用触摸屏实现码垛机器人的控制，以横河FA-M3 PLC作为码垛机器人的核心控制系统为例，根据全自动包装码垛作业的需求完成机器人的相关软件编程工作，通过最终的设备运行结果分析该码垛机器人的控制系统安全稳定，同时具备了较强的可拓展性，后期维护简单，该控制系统能够满足码垛操作的实际需求，对于提升产品的生产效率，减少生产成本具有十分重要的价值。
关键词：PLC；全自动；包装；码垛；机器人；分析
一、码垛机器人工作原理
码垛机器人有四个自由度，分别受到四台交流伺服电机驱动，可以将码垛机器人分为三个部分展开分析，整体结构绕基座传动，抓手绕腕部转动，平行四连杆机的运动这三部分。除此之外，还有四个自由度，两个移动副和旋转副，从总体结构上来看是由四台交流伺服电机驱动的最底下是机座，其机座上带有机器人自身进行旋转的腰部结构，该结构受到一台交流伺服电机带动，机器人抓手部的伺服电机抓手绕着自身轴旋转，能够将物品调整到托盘指定的位置，其余两个伺服电机，分别控制机器人的水平和垂直运动，这两个电机通过通控制同步带轮，来控制滚珠丝杠，进而带动滑块沿着丝杠运动，实现机器人抓手的水平和垂直方向的运动，这种设计能够满足进行快速精确定位，运动，驱动大惯性负担的要求。码垛机器人采用这种连杆的结构，能够使机器人具有较高的稳定性和紧凑的结构，同时承载力也是比较大的。
二、码垛机器人控制系统的硬件设计
由于PLC有较高的稳定性和可移植性，同时既能够适应较为复杂的环境，编程相对简单，因此PLC在工业自动化中得到广泛应用。根据包装码垛机器人的四个自由度结构特点和控制功能的要求，本文设计了一套基于PLC码垛机器人控制系统，主要以触摸屏作为上位机，触摸屏可以完成码垛参数进行输入和编辑，可以显示设计编辑的运行状态，在触摸屏上设计类似于示教盒的操作界面，利用触摸屏代替示教器，能够对现场进行示教，并实现示教轨迹的再现，其采用的横河FA-M3 PLC和多轴运动控制模块实现对码垛机器人的伺服控制，进而驱动伺服电机完成码垛机器人的作业任务，同时采用PLC的IO模块实现与流水线中设备的传输信号采集，控制等环节。基于PLC和运动控制模块的结构具备的较高通用性，强抗干扰能力，使其能够在多种复杂的环境下高效运行，而且使机器人控制系统具备成本较低，编程相对简单，开发周期短等特点。
目前码垛机器人的四个自由度能够增加机器人的关节数和流水线等被控参数，选择模块时的PLC主要组成单元有通信模块，电源模块，定位模块，CPU模块等。对机器人系统进行扩张同时只需要在原系统上添加所需要的功能模块就可以完成低成本，高效率的功能添加过程。具体来看CPU模块，为了能够提高生产企业的码垛效率，选择CPU处理效率速度较高，同时能够支持多功能模块的添加，经过对横河PLC系统CPU的比较，本人最终确定选择F3SP59-7S CPU模块。定位模块作为码垛机器人同步控制的最主要的一个功能模块，通过CPU模块发出命令之后，生成相应的定位给需要的轨迹的形势输出信号，该定位模块通过脉冲数量控制伺服电机旋转的角度，通过脉冲输出频率控制转速，同时编辑器反馈的信息传输到CPU可以进行判断分析，从而形成闭环控制，这样就可以完成位置控制功能。
图1 控制系统的硬件总体结构
包装码垛的机器人的控制系统中上位机是触摸屏，通过触摸屏设计的人机界面，能够使系统具备更加复杂的功能和直观性，能够将原始的机械按钮利用触摸屏技术代替，使用时只需要对触摸屏进行编程就可对下位机发送操作命令，利用编程软件对触摸屏进行编程，可以完成复杂的人机界面设计。
三、码垛机器人控制系统的软件设计
码垛机器人控制系统，不仅要求其按照轨迹规划，速度进行有效控制，同时能够提供友好的人机系统，完成自动故障诊断和报警功能。根据其硬件控制系统的组成，我们将控制系统的软件分为两大部分，首先是上位机触摸屏上各人机界面模块程序编程，另外一个是PLC各功能模块编程。在启动按钮之后，系统会完成初始化，抓手复位到物品抓取位置的正上方，进行传送，当检测到传送物到达之后，会立即停止传送带的运动，此时抓手会下降到抓去的位置，检测到抓手运动到差距位置之后抓手臂和抓取物品，抓手上升到高度之后，机械臂联动把物品搬运到指定位置之后，当检测到指定位置，抓手变回打开释放的物品，然后返回开始得位置，这样重复能够完成上述动作。
四、码垛机械人软件与硬件的分析
为了验证我们所设计的全自动包装码垛机器人控制系统是否可行，以及其在实际应用中的效果，我们进行了实验验证，这涉及高低速度下原点搜索，实验仪器重复定位试验，进行人员作为定位坐标参考物，如果在原点搜索中存在较大误差，则机器人在最后放置物品过程中会将此误差带到目标中的定位，影像定位效果。金属块位置与机器人的原点传感器位置存在超前，重合，滞后这三种关系，在不同的试验速度下随机检测两者的间距ΔL。其中重复定位是为了检测机器人返回上一次到达过的位置的能力，为了能够检测包装码垛机器人重复定位的精确度，我们采用激光追踪仪对其重复定位进去度进行测量。
由上述数据可知，基于PLC全自动包装的码垛机器人在原点搜索中的随机测量间距的误差为0.16毫米范围内，可以看出其能够实现原点精确搜索，以确保后期物品的准确码放。
为了能够测试码垛机器人的重复定位精度，我们利用激光跟踪仪对机器人重复定位精度展开测量，数据如下所示。
从数据可以看出，该控制系统下的全自动包装码垛机器人的重复定位精度大致在0.5mm的范围内波动，符合设计需求。
小结
本文以包装码垛机器人作为研究对象，设计了一种基于PLC和触摸屏的控制系统，通过触摸屏实现对码垛机器人的控制和监控，以横河FA-M3 PLC作为其核心的控制系统。根据所需的时间，作业要求和工作流程完成对其软件和硬件的编程，并通过实际样机运行从结果来看，基于PLC的包装码垛机器人能够对现场I/O信号采集控制，同时通过对运动控制系统实现伺服电机的同步运动控制，能够实现包装物品的精确放置。通过实验证明，该控制系统具备了较高的安全稳定性，具备较强的可拓展性，而且后期维修费用较低，最重要的是能够实现机器人的高精度码放作业。
参考文献
[1]朱江军, 周红燕. 全自动包装码垛机运行总结[J].聚氯乙烯, 2017, 45(7):24-25.
论文作者:杨荣生
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/13
标签：机器人论文; 控制系统论文; 触摸屏论文; 模块论文; 抓手论文; 位置论文; 结构论文; 《电力设备》2018年第8期论文;