基于三軸控制器校重機器人的研究設計

林元文

【摘 要】調研了企業目前在電子衡器校重領域的實際應用情況，在總結人工采用砝碼對電子秤進行校重的工作流程的基礎上，提出了一種基于三軸運動控制器進行自動電子秤校重的校重機器人的設計。分析了基于三軸控制器的校重機器人的性能需求，基于工程化的理念分析了應用三軸運動控制器進行機械手運動與搬移的性能優勢與實現方案，同時選用了電子吸盤實現了校重砝碼的抓取與放置。基于三軸控制器的校重機器人屬于典型的機電技術結合產品，通過控制器的實時有效控制與滑軌等運動傳動裝置的作用，校重機器人實現了對人工搬運砝碼工作過程的自動化，有效提升了企業的生產效率，降低了企業的用工成本。結論表明，基于三軸控制器的校重機器人研究設計具有重要的理論意義與實踐推廣價值。

【關鍵詞】三軸控制器；校重；砝碼；電子秤；研究

中圖分類號： TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.011

0 引言

目前工業自動化改造對于降低企業的勞動力成本，提升企業的生產效率都具有不可或缺的重要意義。全球主要國家都針對工業自動化與智能化提出了設想，如美國的工業互聯網與德國的工業4.0，我國則提出了中國制造2025的概念。但是目前國內的部分中小型企業由于技術與資金等方面的問題，仍然廣泛采用傳統的手工為主的流水線進行生產。如G公司主營產品電子秤在出廠之前都需要進行校重，其方案就是由人工將不同質量的5個砝碼（1KG-20KG）在秤體的五個不同位置（中心點與四個角）進行測試，驗證秤體的準確度。長期搬運砝碼進行校重，工人勞動強度較大，同時也存在著效率低下等方面的現實問題。根據這樣的情況進行了基于三軸控制器校重機器人的研究設計。

1 功能確定

校重機器人的主要功能就確定為砝碼的自動抓取與釋放，砝碼自動搬移到指定的位置，并實現整個工作流程的不斷循環?？刂品桨复_定為順序線性的執行，設計要點就是控制器對機械運動路徑的規劃與運動點坐標控制精度、抓取的有效性與穩定性等方面的內容。

為了能夠保證產品的實際應用，同時確定了以下幾個方面的功能。首先就是產品要能夠根據測試不同電子秤機型，產品要能夠方便進行在線編程，進行運動參數的重新設置；同時考慮到設計的生產過程，產品要具有急停等功能按鈕。

2 系統硬件設計

2.1 總體設計

校重機器人屬于典型的機電結合的產品，在硬件電路設計中主要有控制器、電磁吸盤、伺服電機、電機驅動器、開關電源等電類組件，同時也具有滾珠絲桿、聯軸器、滑軌等機械類構建，以三軸控制器作為控制核心，實現在X、Y、Z三個方向的移動控制，并實現對不同砝碼的抓取與放置，完成對電子秤的自動校重工作過程。系統的硬件結構圖如圖1所示。

2.2 控制器

對于校重機器人控制器的選擇方面，研究分析了控制的要求以及工程特性，沒有采用價格昂貴的PLC控制器，選擇使用了PMC（Programmable Motion Controller）可編程運動控制器。PMC集成了PLC與運動控制器雙重功能，控制簡單便捷，編程方便簡易。過程控制方式的編寫方式，所見即所得?？刂破鞅旧聿捎酶咝阅?2位CPU，驅動裝置采用高精度步進電機或者交流伺服電機，配備可以外接的顯示器。該系統具有可靠性高，精度高，噪音小，操作靈活等特點。。本設計中采用的是ROLLON可編程三軸運動控制器SGRL-PMC-3，可以控制三個電機運動，可實現點位、連續、聯動等功能。具有循環、跳轉等功能，同時可以連接電腦軟件，實現電腦模擬控制，軟件分步調試，示教等功能。廣泛應用于自動化控制與工業智能化改造等行業。

2.3 伺服電機與驅動器

設計中采用的伺服電機是日本三菱公司的HF-KP43伺服電機其主要性能如下，電流：3A；輸出力矩：1.2Nm（牛米）；機身長度：56mm；出軸長度：21mm；出軸軸徑：8mm/6.35MM（可根據要求定制）；出軸方式：單/雙出軸；出線方式：二相四根引出線（黑色A+綠色A-紅色B+藍色B-）；出軸方式：默認軸徑8毫米+單扁絲。設計中采用的電機驅動器為TB6600，其輸入電壓為DC（直流）9～42V，能夠有效適應惡劣的電網環境；工作電流為4A，獨創速度自適應電路，電流能自動尋優；細分數為6400，同時驅動器具有過流、過壓、欠壓、短路等保護與脫機（ENA）保護功能。

2.4 滾珠絲桿

滾珠絲桿的主要作用是將伺服電機的轉動轉換為在X、Y、Z三個方向的直線運動，是目前實現直線運動與回轉運動相互轉換的必要器件，在諸如機器手等高精度的機械傳動方面具有廣泛的應用。在校重機器人設計中采用滾珠絲桿的目的就是因為滾珠絲桿具有摩擦阻力小，可逆性強與轉換效率高的突出優勢。本項目中采用的滾珠絲桿主要由螺桿、螺母、鋼球以及反向器等部件構成。

2.5 電磁吸盤

ELE-P50/27電吸盤與普通的強磁吸盤的原理不同，在使用過程中對被吸附物體的表面平整度具有較高的要求。校重機器人的被吸附物體是導磁率較強的低碳鋼制作的砝碼，其被吸附表明平整度高，吸附面積大于吸盤的面積，具有良好的吸附效果。同時在吸盤的鍍鎳可以有效去除殘余的磁場，保證抓取與放置的效果。但是ELE-P50/27電吸盤的吸引力是磁鐵與被吸附砝碼通電后產生的吸力，因此需要完全接觸，在Z方向的移動中要求能夠控制精確，保證吸盤與砝碼的有效接觸。同時在長時間工作過程中，吸盤會持續生產一定的熱量。以此校重機器人在長期工作之后需要做短暫的休息。

3 控制程序的編寫

三軸運動控制器采用NcStudio進行控制，NcStudio是目前運動控制方面應用較為廣泛的軟件，由于其人性化的操作界面，對于PLC的編程基礎不是很了解的從業人員也可以根據要求進行控制程序的編寫。NcStudio可以應用控制器實現特定的工業方面的加工需求，實現數值控制，同時更為優越的就是系統可以與伺服電機的驅動電路直接連接進行控制，對于校重機器人的應用極為合適。校重機器人是線性控制流程，在運行過程中沒有判別，就是按照路徑實現不同砝碼在電子秤上不同位置的測試，因此程序主要是進行行程大小的設置（要根據砝碼的大小設置對應的量程，保證電吸盤能夠有效進行砝碼吸附），同時要進行路徑的示教，并進行吸盤的控制，實現砝碼的抓取與放置。

4 調試與運行

在完成系統的程序編寫與硬件安裝后，可以實現系統的調試，系統調試就是進行系統性能的測試與參數調整，在本設計中主要就是要實際測試在砝碼抓取運行過程中會不會出現碰撞方面的問題以及電子吸盤能否有效實現。在測試過程中最為重要的就是兩個方面，首先是行程的校正，通過步進的方式檢測三軸實際運動的距離，因為電子吸盤必須要能夠與砝碼無間隙接觸才能夠保證對砝碼的有效抓取。同時對于不同型號的電子秤要能夠實現不同位置的測試。三軸運動控制器可以通過在NcStudio軟件上進行移動距離、移動時間等參數的調整。

5 結論

基于三軸控制器的校重機器人以三軸控制器作為控制單元，使用電子吸盤完成了對電子秤校正過程中砝碼的抓取，用伺服電機實現了對砝碼的搬移。產品針對目前企業的實際需求，替代了傳統的人工作業方案。論文分析了目前企業在進行電子秤校重過程的實際需求，總計出應用自動化方案實現人工作業的流程與思路，分析了校重機器人的本體設計與控制思路。產品替代了實際生產過程中的人工勞動，有效提升了生產效率，同時為生產線其它的工作崗位的自動化改造提供了必要的經驗，因此產品具有較大的理論意義與實踐應用價值。

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