基于運(yùn)動(dòng)控制器的食品成品箱碼垛機(jī)設(shè)計(jì)

吳曉強(qiáng) 黃云戰(zhàn) 趙永杰

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；3.昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650208）

隨著食品行業(yè)的快速發(fā)展，自動(dòng)碼垛作業(yè)應(yīng)用逐漸廣泛，碼垛機(jī)發(fā)揮著越來越重要的作用，采用碼垛機(jī)作業(yè)不僅可以提高效率，還可以保障工人人身安全［1］。現(xiàn)階段碼垛效率低下的問題嚴(yán)重制約了中國食品行業(yè)物流的發(fā)展，使用碼垛機(jī)可以執(zhí)行大批量的碼垛任務(wù)。彌補(bǔ)了人工作業(yè)的不足，可以大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本［2－4］。

現(xiàn)階段大多數(shù)碼垛機(jī)采用PLC進(jìn)行控制，但一般PLC用于大型工控場合，用在碼垛機(jī)上其靈活性相對(duì)較差，系統(tǒng)不夠穩(wěn)定、可靠性低，許多功能都用不到，造成資源浪費(fèi)，性價(jià)比很低，不利于碼垛機(jī)的發(fā)展［5－7］。近年來，運(yùn)動(dòng)控制器由于其使用方便、通用性好，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。使用運(yùn)動(dòng)控制器的系統(tǒng)可靠性好、靈活性強(qiáng)、系統(tǒng)可擴(kuò)展，在應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)使用，避免了資源浪費(fèi)［8］，本設(shè)計(jì)采用以運(yùn)動(dòng)控制器為核心的控制方式對(duì)食品成品箱碼垛機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其自動(dòng)化程度高、精度高、可靠性好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)工作要求及總體控制方案

1.1 碼垛機(jī)工作要求

碼垛機(jī)的工作原理為：貨盤水平方向或是一定高度之上接收即將進(jìn)行碼垛的成品箱，成品箱從貨盤中裝入托盤中，組合成一層；接下來碼垛機(jī)進(jìn)行第2層成品箱的組合，組合完成后第1層成品箱向下降一層，第2層成品箱放置于第1層成品箱之上，重復(fù)上述動(dòng)作，貨盤一層一層下降，直到成品箱碼好到指定要求［9］，碼好的貨盤降到叉車可以運(yùn)送的高度，運(yùn)送到指定地點(diǎn)。

碼垛機(jī)工作要求如圖1所示。需要3臺(tái)伺服電機(jī)分別對(duì)X、Y、Z3個(gè)方向進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制3個(gè)方向的動(dòng)作，其中：X方向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)碼垛機(jī)在“行”方向行走，進(jìn)行成品箱的推動(dòng)；Y方向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)碼垛機(jī)的升降臺(tái)進(jìn)行升降動(dòng)作，將成品箱分層；Z方向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右方向的貨叉進(jìn)行相應(yīng)的工作。

圖1 碼垛機(jī)工作要求Figure 1 The working requirement of stacking machine

1.2 總體控制方案

根據(jù)碼垛機(jī)的工作要求，采用以“PC機(jī)＋多軸運(yùn)動(dòng)控制器”的方式對(duì)該碼垛機(jī)進(jìn)行控制，其中控制核心為多軸運(yùn)動(dòng)控制器，采取上下位機(jī)方式，以PC機(jī)作為上位機(jī)，多軸運(yùn)動(dòng)控制器作為下位機(jī)，通過上下位機(jī)之間的通訊完成碼垛工作。通過人機(jī)界面進(jìn)行碼垛機(jī)的控制操作以及運(yùn)行狀態(tài)的顯示。上下位機(jī)之間采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，人機(jī)界面與多軸運(yùn)動(dòng)控制器之間通過RS232/485標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行通訊，總體控制方案如圖2所示，該方案可實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)的工作要求，實(shí)現(xiàn)碼垛功能。

圖2 總體控制方案Figure 2 The overall control scheme

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 多軸運(yùn)動(dòng)控制器

多軸運(yùn)動(dòng)控制器一般多基于數(shù)字信號(hào)處理，具有響應(yīng)快、精度高、擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)。它是控制工作的核心硬件。食品成品箱碼垛機(jī)所使用多軸運(yùn)動(dòng)控制器要求可以與上位機(jī)——PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，準(zhǔn)確快速地將信號(hào)發(fā)送到伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)對(duì)反饋信息進(jìn)行準(zhǔn)確快速的處理，通過上下位機(jī)之間的配合實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)的精準(zhǔn)控制。通過調(diào)研，本設(shè)計(jì)所采用的多軸運(yùn)動(dòng)控制器為英國Trio公司的Trio MC403多軸運(yùn)動(dòng)控制器，該控制器可以對(duì)3個(gè)軸進(jìn)行控制，其中包括伺服電機(jī)，也包括步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)該控制器還具有以太網(wǎng)、USB、RS232/485等標(biāo)準(zhǔn)接口，開放性較好，可以與多種硬件進(jìn)行通訊，大大地增加了選擇的靈活性。該控制器程序編寫使用Trio公司提供的“Motion Perfect V3”，程序編寫語言采用Trio公司開發(fā)的Trio Basic語言，該語言與Basic語言相似，便于上手。

2.2 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是碼垛機(jī)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)裝置，多軸運(yùn)動(dòng)控制器通過接收的信息將指令發(fā)送到伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器將指令轉(zhuǎn)化為脈沖驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)X、Y、Z3個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)以及與其他硬件的配合實(shí)現(xiàn)食品成品箱的碼垛工作。伺服控制系統(tǒng)選型主要要考慮負(fù)載特性與電機(jī)自身特性的匹配。經(jīng)過選型計(jì)算，本設(shè)計(jì)所采用的伺服系統(tǒng)為施耐德Lexium 05伺服系統(tǒng)，該伺服系統(tǒng)進(jìn)行精確的位置控制，可以滿足碼垛機(jī)的工作需求。該伺服系統(tǒng)與多軸運(yùn)動(dòng)控制器連接見圖3。

圖3 Lexium 05系列伺服系統(tǒng)與Trio控制器連接圖Figure 3 The figure of Lexium 05servo system connected with the Trio controller

2.3 人機(jī)界面

人機(jī)界面是碼垛機(jī)操作的控制界面，碼垛機(jī)要求人機(jī)界面可以進(jìn)行參數(shù)的輸入與實(shí)時(shí)顯示，以及對(duì)碼垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。所使用人機(jī)界面必須處理速度快，儲(chǔ)存量大，交互性好。經(jīng)過調(diào)研，筆者采用屏通人機(jī)PL104-VST，人機(jī)界面尺寸為10.4寸（800×600）65 536色彩色TFT液晶顯示屏，程序內(nèi)存最大為16MB具有3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口，2個(gè)USB接口，對(duì)人機(jī)界面程序的編寫可以直接使用屏通公司提供的“觸控大師”軟件，省去了使用其他程序語言的麻煩。屏通人機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器的通訊見圖4。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)控制模塊

碼垛機(jī)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，分別為I/O模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、人界模塊。運(yùn)動(dòng)控制模塊是碼垛機(jī)操作的核心，運(yùn)動(dòng)控制模塊流程圖見圖5。

碼垛機(jī)分為手動(dòng)控制與自動(dòng)控制兩種操作方式。其中，手動(dòng)控制時(shí)，手按下相應(yīng)按鈕伺服電機(jī)即進(jìn)行相應(yīng)的操作，手松開后伺服電機(jī)停止操作，使用人員可以根據(jù)使用需求對(duì)其進(jìn)行靈活的操作；自動(dòng)控制時(shí)，點(diǎn)擊開始運(yùn)行按鈕，碼垛機(jī)系統(tǒng)即可調(diào)用相應(yīng)的子程序，并循環(huán)掃描各個(gè)I/O接口的狀態(tài)，通過信息的反饋控制伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作，進(jìn)行自動(dòng)碼垛。碼垛機(jī)系統(tǒng)的程序編寫界面見圖6。上述運(yùn)動(dòng)控制程序代碼也在下面予以給出，但由于篇幅限制，只能給出部分代碼。

圖4 屏通人機(jī)與Trio控制器通訊圖Figure 4 The figure of PL104-VST connected with the Trio controller

圖5 運(yùn)動(dòng)控制模塊流程圖Figure 5 Motion control module flow chart

圖6 編程界面Figure 6 Programming Interface

3.2 人機(jī)模塊

人機(jī)模塊是操作人員與碼垛機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行直接交互的窗口，操作人員根據(jù)實(shí)際情況通過人機(jī)界面輸入?yún)?shù)，監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)。人機(jī)模塊設(shè)計(jì)的原則是以人為本，必須要減少操作人員的生理和心理負(fù)擔(dān)［10］，根據(jù)碼垛機(jī)工作要求與運(yùn)動(dòng)控制模塊和I/O模塊的設(shè)計(jì)，編制人機(jī)模塊界面的一部分如圖7所示。該界面主要碼垛機(jī)的操作，參數(shù)的設(shè)置與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示等。

4 結(jié)束語

本研究通過 “PC機(jī)＋多軸運(yùn)動(dòng)控制器”的方式設(shè)計(jì)了食品成品箱碼垛機(jī)，可實(shí)現(xiàn)食品成品箱的自動(dòng)碼垛，可用于多種食品中。為碼垛機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一條新的思路。

圖7 人機(jī)交互模塊Figure 7 HMI module

1 李華安.碼垛機(jī)器人備受物流、食品和石化行業(yè)青睞［J］.自動(dòng)化信息，2013（3）：11.

2 李曉剛，劉晉浩.碼垛機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、問題及對(duì)策［J］.包裝工程，2011（3）：96～102

3 朱學(xué)建，馬永，馮渝，等.直角坐標(biāo)機(jī)器人瓶坯裝箱生產(chǎn)線控制系統(tǒng)［J］.食品與機(jī)械，2012，28（6）：1～5.

4 趙偉，梁楠，朱學(xué)建，等.基于鹽業(yè)成品箱的碼垛機(jī)設(shè)計(jì)［J］.鹽業(yè)與化工，2013，42（5）：31～34.

5 董愛梅.基于PLC的聚乙烯包裝碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.包裝工程，2005（1）：39～40.

6 王明武.基于PLC的全自動(dòng)鋁錠碼垛機(jī)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2012（2）：101～103.

7 王平，黃玉志.基于PLC控制的包裝碼垛生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011（5）：35～38.

8 吳宏，蔣仕龍，龔小云.運(yùn)動(dòng)控制器的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.機(jī)械制造技術(shù)與機(jī)床，2004（1）：24～27.

9 左青，王貴生.全自動(dòng)碼垛機(jī)的應(yīng)用［J］.中國油脂，2010（2）：66～68.

10 杭久成.淺析數(shù)控機(jī)床觸摸屏人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2008，46（3）：23～26.