PLC技術(shù)下的碼垛機(jī)器人智能工作站設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王波 薛文奎

摘 要：碼垛技術(shù)屬于物流、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的全新技術(shù)，在我國(guó)社會(huì)不斷發(fā)生的過(guò)程中，碼垛技術(shù)也在不斷的發(fā)展，通過(guò)碼垛機(jī)器人能夠使企業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率得到進(jìn)一步的提高，并且還能夠進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。目前，我國(guó)飼料加工企業(yè)逐漸朝著大型化及集團(tuán)化的方向發(fā)展，并且勞動(dòng)力成本在不斷的提高，大部分的工業(yè)加工夠具有工荒的問(wèn)題，并且勞動(dòng)力成本在不斷的降低。為了能夠有效實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的持續(xù)發(fā)展，本文基于PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了碼垛機(jī)器人智能工作站的設(shè)計(jì)。最后將其和人工碼垛實(shí)現(xiàn)對(duì)比，表示此碼垛機(jī)器人具有較高的工作效率、低事故率，能夠在我國(guó)工業(yè)及物流等企業(yè)中推廣使用。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；碼垛機(jī)器人；智能；工作站

在工業(yè)碼垛機(jī)器人中，智能工作站屬于其核心部分，其能夠有效保證機(jī)器人在工作過(guò)程中的性能。PLC技術(shù)具有一定的開(kāi)放性及通用性，所以量PLC技術(shù)在碼垛機(jī)器人智能工作站設(shè)計(jì)中使用能夠有效提高機(jī)器人的工作精度及效率，其也是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人功能及性能的基礎(chǔ)保證。所以，對(duì)于PLC設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人智能工作站具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代物流及工業(yè)對(duì)于碼垛機(jī)器人具有較大的需求，本文就基于PLC技術(shù)設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人智能工作站。圖1為碼垛機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)，通過(guò)圖1可以看出來(lái)，機(jī)器人的要不是在底部的基座中進(jìn)行固定，其手臂是在腰部實(shí)現(xiàn)固定的，機(jī)器人的所有臂都能夠?qū)崿F(xiàn)連接，其機(jī)械手能夠通過(guò)抓、搬進(jìn)行作業(yè)。機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)節(jié)有四個(gè)，分別為腰部、指部、肘部、腕部，其關(guān)節(jié)相互協(xié)同作用能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是利用交流伺服電極實(shí)現(xiàn) ，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)流程需求。

本文所研究的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)就是無(wú)論機(jī)器人屬于負(fù)載，還是屬于空載，其都能夠在任意的位置中靜止，還能夠有效滿足平衡需求。圖2為機(jī)器人的仿真結(jié)構(gòu)，由于機(jī)器人屬于四自由度的獨(dú)立，所以機(jī)器人中的機(jī)械部分也主要包括底座部分和驅(qū)動(dòng)裝置；水平移動(dòng)和驅(qū)動(dòng)裝置；手爪旋轉(zhuǎn)部分和驅(qū)動(dòng)裝置；垂直移動(dòng)部分和驅(qū)動(dòng)裝置。其中的自由度都是利用交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人水平的方向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)通過(guò)絲杠旋轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)的書(shū)四平直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的底座和手爪都能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)四自由度使機(jī)器人能夠在空間中任意的移動(dòng)，以此進(jìn)行工業(yè)作業(yè)。

2 智能工作站的硬件設(shè)計(jì)

圖3為智能工作站總體的控制結(jié)構(gòu)，要求硬件系統(tǒng)滿足以下需求：（1）較高的安全性、可靠性及穩(wěn)定性；（2）較高的實(shí)時(shí)性和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能；（3）實(shí)現(xiàn)四自由度相互的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高速及高效的運(yùn)動(dòng)；（4）實(shí)現(xiàn)路徑的規(guī)劃。碼垛機(jī)器人使用庫(kù)卡中的負(fù)載級(jí)碼垛機(jī)器人，其具有較高的精度、較快的速度、良好的動(dòng)態(tài)性能。西門(mén)子PLC術(shù)控制系統(tǒng)的主要核心，其主要目的就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和邏輯判斷，而且還能夠發(fā)送控制信號(hào)。人及交換界面通過(guò)西門(mén)子機(jī)構(gòu)進(jìn)行，通過(guò)觸摸屏的切換品種并且監(jiān)控機(jī)器人的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備、產(chǎn)品的數(shù)量及位置進(jìn)行檢測(cè)，在PLC中對(duì)信號(hào)進(jìn)行收集。現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別為電機(jī)、氣缸，其能夠控制產(chǎn)品在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的方向，還能夠控制產(chǎn)品的輸送帶。碼垛機(jī)器人與PLC之間利用DP進(jìn)行通訊，使PLC能夠成為機(jī)器人主站，其能夠傳輸產(chǎn)品，機(jī)器人通過(guò)不同的信號(hào)實(shí)現(xiàn)不同工作動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)。并且碼垛機(jī)器人位置屬于作業(yè)過(guò)程中的重點(diǎn)內(nèi)容，如果位置的定義具有誤差，就不能夠保證碼垛機(jī)器人工作質(zhì)量及效率。所以在實(shí)現(xiàn)工作站硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要求碼垛機(jī)器人位置定義模塊中具備三十二點(diǎn)固定輸入及輸出繼電器，將常用位置控制參數(shù)到繼電器中進(jìn)行固定，便于工作人員實(shí)現(xiàn)其相關(guān)操作和位置的確定。位置定義模塊的主要功能為：具有較高的定位控制及精度能力；具備脈沖計(jì)數(shù)器；具備豐富的位置功能；設(shè)置位置模塊參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)作檢測(cè)及測(cè)試。另外，在現(xiàn)場(chǎng)還要設(shè)置多個(gè)安防系統(tǒng)，從而有效提高碼垛機(jī)器人安全性及可靠性。要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)級(jí)及交流伺服電機(jī)的選擇，并且通過(guò)編碼器進(jìn)行反饋創(chuàng)建閉環(huán)控制，從而有效保證系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的精準(zhǔn)度及精度。

3 智能工作站的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以對(duì)碼垛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)碼垛作業(yè)需求為基礎(chǔ)，圖 4為碼垛機(jī)器人的程序路程。其中主程序?qū)儆谘h(huán)體，其能夠根據(jù)目前碼放塑料帶的實(shí)際需求通過(guò)算法子程序計(jì)算電機(jī)的位置及空間的坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，然后通過(guò)直線插補(bǔ)的法方法根據(jù)以上碼垛流程進(jìn)行碼垛的作業(yè)。

3.2 軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在碼垛機(jī)器人智能工作站控制軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要包括人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和代碼編寫(xiě)，通過(guò)觸摸屏自帶編寫(xiě)軟件實(shí)現(xiàn)，此軟件簡(jiǎn)單易懂，能夠在碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，并且具有較高的穩(wěn)定性，而且設(shè)計(jì)成本比較低。通過(guò)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行分析，其主要包括示教模塊、監(jiān)控模塊、初始化模塊、參數(shù)設(shè)置模塊及文件處理模塊。初始化模塊能夠啟動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，初始化機(jī)器人中的全部程序，并且對(duì)其中的模塊是否正常進(jìn)行檢測(cè)，并且檢測(cè)模塊是否能夠正常作業(yè)。假如其中有模塊無(wú)法正常的作業(yè)，就會(huì)對(duì)其進(jìn)行提示，并且將故障模塊充分的顯示出來(lái)。文件處理模塊的主要目的就是有效管理碼垛機(jī)器人中的數(shù)據(jù)，比如查看文件、修改文件、調(diào)用文件、刪除文件和增加文件等。其中示教模塊的主要目的就是實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人位置參數(shù)的生成，并且形成相應(yīng)的指示文件，從而對(duì)操作人員進(jìn)行參考。參數(shù)設(shè)置模塊的主要目的就是通過(guò)此模塊實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人參數(shù)的控制，并且還能夠通過(guò)此模塊設(shè)置可調(diào)參數(shù)和I/U系統(tǒng)設(shè)置和管理。

3.3 PLC的模塊化編程

模塊化編程主要包括兩方面優(yōu)勢(shì)，首先，其具備通用性特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)調(diào)用，從而能夠使編程的工作量進(jìn)一步的降低，還能夠縮短智能工作站在設(shè)計(jì)過(guò)程中的周期。并且還能夠有效提高機(jī)器人在工作過(guò)程中的效率，其中的模式能夠隨意切換，在此過(guò)程中進(jìn)入到指定程序模塊中，其主要模塊為：

其一，開(kāi)機(jī)初始化。在機(jī)器人開(kāi)機(jī)的時(shí)候都要執(zhí)行開(kāi)機(jī)初始化模塊，其能夠?qū)崿F(xiàn)檔箱裝置的置位，并且實(shí)現(xiàn)托盤(pán)到輸送帶中的運(yùn)輸，然后使托盤(pán)能夠到初始位置中運(yùn)輸，并且使計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器能夠復(fù)位，將其到初始狀態(tài)中輸出。

其二，手動(dòng)控制。此模塊利用觸摸屏實(shí)現(xiàn)控制，在開(kāi)機(jī)或者出現(xiàn)故障的時(shí)候排除故障并且單個(gè)控制，不能夠同時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。

其三，自動(dòng)運(yùn)行。本文所設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人智能工作站在工作過(guò)程中屬于自動(dòng)模式，在切換模式的過(guò)程中通過(guò)PLC控制進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在PLC接收到外部檢測(cè)裝置狀態(tài)信息的時(shí)候能夠?qū)ζ溥M(jìn)行邏輯運(yùn)算，在運(yùn)算之后得到相應(yīng)的結(jié)果，通過(guò)相應(yīng)子程序?qū)Y(jié)果進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作。

其四，故障和報(bào)警。本文所設(shè)計(jì)的智能工作站在工作過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)一系列的故障，其中的故障信息都能夠顯示到觸摸屏中，顯示的故障信息能夠使現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)故障進(jìn)行有效的判斷和解決。

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代社會(huì)科技不斷進(jìn)步的過(guò)程中，碼垛機(jī)器人的使用也不斷廣泛，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文就將碼垛機(jī)器人作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了就要PLC技術(shù)的碼垛機(jī)器人智能工作站。其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出量的收集和控制，還能夠利用位置控制模塊實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，從而有效控制相應(yīng)模塊，實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人四軸運(yùn)動(dòng)控制。之后對(duì)機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試，表示本文所創(chuàng)建的碼垛機(jī)器人智能工作站系統(tǒng)能夠?qū)LC技術(shù)的特點(diǎn)充分的展現(xiàn)出來(lái)，不僅能夠滿足工作的多樣性需求，還能夠有效提高工作性價(jià)比及可靠性，具有一定的使用前景。

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作者簡(jiǎn)介：王波（1998-），男，江蘇徐州人，機(jī)器人專業(yè)2016級(jí)學(xué)生。