集裝箱自動(dòng)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

鹿業(yè)勃

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253000）

0 引言

機(jī)器人系統(tǒng)中共有3 個(gè)部分組成，分別是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)以及機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，其中控制系統(tǒng)為根本，同時(shí)其開(kāi)發(fā)更困難、開(kāi)發(fā)成本更高。對(duì)于碼垛機(jī)器人而言，想讓其在工作中發(fā)揮更佳的效果，需要在其速度、精準(zhǔn)度以及穩(wěn)定性上有更高的要求。縱觀研發(fā)的碼垛控制器，成本較高且性能與國(guó)外有一定的差距，基于這樣的狀況，國(guó)產(chǎn)運(yùn)動(dòng)控制器占有比例并不理想。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的重要性不言而喻，其直接決定了碼垛機(jī)器人的作業(yè)效率以及質(zhì)量，控制系統(tǒng)在運(yùn)作的過(guò)程中需要在專業(yè)操作人員的操控下完成碼垛作業(yè)，控制系統(tǒng)主要由集成電路芯片、微處理器以及外部的接口電路組成。所以說(shuō)控制器上信號(hào)與通信接口非常重要，需要在控制器上安裝足夠，從而確保機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中能夠精準(zhǔn)的完成指令、完成編碼器的信號(hào)反饋。

對(duì)于工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)監(jiān)控控制系統(tǒng)而言，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)分支，其需要滿足以下基本要求：運(yùn)行速度：機(jī)器人的碼垛裝車(chē)要求在6～8 s 內(nèi)完成，則分配機(jī)器人的時(shí)間為X 軸運(yùn)行1.5 s，Y 軸運(yùn)行0.5 s，伸縮臂運(yùn)行2 s，手爪抓取與卸載1 s，輸送機(jī)運(yùn)行2 s，另外預(yù)留出機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)間為0.5 s，總體運(yùn)行時(shí)間不超過(guò)8 s。安全預(yù)警：現(xiàn)場(chǎng)采用手動(dòng)緊急自動(dòng)措施，對(duì)機(jī)器人運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行，異常時(shí)及時(shí)預(yù)警，防止出現(xiàn)嚴(yán)重安全事故。電源：采用晶體管型PLC 輸出驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，DC 24 V、0.5 A 開(kāi)關(guān)電源為PLC 供電，系統(tǒng)采用直流電源。

針對(duì)集裝箱自動(dòng)碼垛機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中的特點(diǎn)，在對(duì)集中控制方式進(jìn)行選取與確定之后，對(duì)其硬件系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的基本功能如下：在4 軸控制協(xié)調(diào)正常同時(shí)通過(guò)人機(jī)界面對(duì)機(jī)器人參數(shù)撐場(chǎng)設(shè)置的前提下，讓機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)抓取、送料等操作功能；實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)返回出發(fā)點(diǎn)、連續(xù)工作等功能與操作；對(duì)機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)督，出現(xiàn)意外狀況第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)；示教再現(xiàn)等（圖1）。

圖1 控制系統(tǒng)總體框架

人機(jī)交互界面、伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)、PLC、電磁閥、蜂鳴器、傳感器構(gòu)成了系統(tǒng)硬件。在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，主控制器為PLC，是控制系統(tǒng)的核心，具有不可替代性。人機(jī)交互界面不僅對(duì)PLC 功能給予了很好拓寬，同時(shí)也發(fā)揮了良好的延伸作用。同時(shí)，碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制單元是由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)共同組成的，其主要的功能在于在作業(yè)過(guò)程中對(duì)機(jī)器人的位置、工作的頻率與運(yùn)作的節(jié)奏進(jìn)行及時(shí)的操控。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)備選型

性能指標(biāo)是集裝箱自動(dòng)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)搭建過(guò)程中的根本與關(guān)鍵，性能指標(biāo)是決定碼垛機(jī)器人工作質(zhì)量與效率的關(guān)鍵因素。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，第一要規(guī)劃模塊，進(jìn)而對(duì)各個(gè)模塊展開(kāi)設(shè)計(jì)，在各個(gè)板塊的設(shè)計(jì)中，要注意各個(gè)板塊不可取代的特點(diǎn)，避免重合，為后期的系統(tǒng)的升級(jí)以及功能的擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)。伺服系統(tǒng)模塊、核心控制板、傳感器、顯示器板塊是控制器研究中必不可少的4 個(gè)模塊。

2.1 PLC 控制器

在整個(gè)控制系統(tǒng)當(dāng)中，處理器具有不可替代性，與整個(gè)控制系統(tǒng)的性能的好壞有著直接的聯(lián)系，處理器的應(yīng)用主要體現(xiàn)數(shù)據(jù)信息中數(shù)學(xué)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算。在PLC 選擇中，需要具備以下特點(diǎn)：首先是I/O 處理能力要強(qiáng)、脈沖出端口速度要高，同時(shí)人與機(jī)器控制與交互的能力要強(qiáng)，同時(shí)考慮到數(shù)字量輸入信號(hào)燈多方面的因素，歐姆龍CP1H 型PLC 成為碼垛機(jī)器人在主控制器的首要選擇。但由于該型號(hào)的PLC 主機(jī)的輸入、輸出端口不足以滿足控制系統(tǒng)的要求，因此需要通過(guò)添加I/O 的方式讓CPM1A-8ED 得到擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人作業(yè)要求。

2.2 工業(yè)觸摸屏

數(shù)據(jù)的顯示、自動(dòng)化控制模擬等功能都是需要工業(yè)觸摸屏功能實(shí)現(xiàn)的，與此同時(shí)，工業(yè)觸摸屏還可以降低開(kāi)關(guān)、儀表等使用頻率，同時(shí)還能夠有效的將PLC控制器的功能進(jìn)行有效的延伸，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)化、工作開(kāi)展更高效。通過(guò)對(duì)碼垛機(jī)器人的測(cè)評(píng)與對(duì)比發(fā)現(xiàn)，歐姆龍NB7W-TW00B 型觸摸屏為最佳選擇，該設(shè)備適用范圍廣，串行、USB 等接口連接均可使用，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)與打印機(jī)、PLC 等設(shè)備的連接，從而讓碼垛機(jī)器人作業(yè)更加方便，其中與PLC 的通信采用RS232C接口。

2.3 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)的主要功能為對(duì)機(jī)器人所有軸運(yùn)動(dòng)的控制，在機(jī)器人當(dāng)中扮演執(zhí)行的角色，位置控制在機(jī)器人本體與控制系統(tǒng)當(dāng)中。通過(guò)伺服系統(tǒng)的運(yùn)作與設(shè)定，讓碼垛機(jī)器人作業(yè)的路徑進(jìn)行精準(zhǔn)的確定，讓作業(yè)的開(kāi)展順利高效。因此，伺服系統(tǒng)對(duì)碼垛機(jī)器人作業(yè)能力具有舉足輕重的作用。在自動(dòng)化領(lǐng)域當(dāng)中，伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器共同組成的驅(qū)動(dòng)設(shè)備是目前比較常見(jiàn)并被廣泛運(yùn)用的，伺服電機(jī)在運(yùn)作的過(guò)程中可以通過(guò)自帶編碼器對(duì)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋與監(jiān)督，進(jìn)而組成半閉環(huán)工作系統(tǒng)，最終控制轉(zhuǎn)矩、定位以及調(diào)速都得到最終的實(shí)現(xiàn)。結(jié)合實(shí)際情況，在碼垛機(jī)器人伺服系統(tǒng)中，松下MSME102G1 型豎直與水平電機(jī)、松下MSME022G1 型電機(jī)、松下MDME152G1 型電機(jī)為腰部電機(jī)、上海浩禎PLS115 型減速器、上海浩禎PLS70型減速器為最佳選擇。

2.4 傳感器

結(jié)合碼垛機(jī)器人控制特點(diǎn)和要求，在傳感器開(kāi)關(guān)選擇亞德客CS1-M 型磁性開(kāi)關(guān)、歐姆龍E2B 非屏蔽型接近開(kāi)關(guān)、中國(guó)滬工集團(tuán)E3F1-3DN1 光電開(kāi)關(guān)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)用戶登錄、機(jī)器人狀態(tài)檢測(cè)、機(jī)器參數(shù)呈現(xiàn)等功能的人機(jī)界面系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人在作業(yè)中持續(xù)工作、搜索功能、實(shí)時(shí)位置的呈現(xiàn)、危險(xiǎn)報(bào)警提醒功能的PLC 軟件為碼垛機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)的兩個(gè)部分。

3.1 軟件設(shè)計(jì)整體要求

在軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)前期規(guī)劃當(dāng)中，系統(tǒng)運(yùn)行的支持系統(tǒng)以及關(guān)于系統(tǒng)方面的技術(shù)要求都要有清晰明確的目標(biāo)，在目標(biāo)清晰的前提中，設(shè)計(jì)的方向與結(jié)果才能夠更好的實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人高效運(yùn)行。在設(shè)計(jì)與研究中，對(duì)軟件系統(tǒng)的設(shè)置在技術(shù)的要求如下：①在軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)構(gòu)要設(shè)置可修改與升級(jí)權(quán)限；②要充分考慮到如何有效提升機(jī)器作業(yè)時(shí)間，保證系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性；③在機(jī)器人軌跡規(guī)劃中，要充分考慮到當(dāng)機(jī)器面臨被干涉的應(yīng)對(duì)措施，同時(shí)保證機(jī)器各個(gè)模塊運(yùn)作過(guò)程中的安全性。

3.2 連續(xù)運(yùn)行程序

連續(xù)運(yùn)作程序指的是機(jī)器人可以自動(dòng)延續(xù)重復(fù)作業(yè)，連續(xù)運(yùn)作程序的運(yùn)行中需要預(yù)先對(duì)機(jī)器的速度、位置移動(dòng)軌跡、加速度等均嚴(yán)格按照機(jī)器預(yù)設(shè)參數(shù)。

3.3 位置示教程序

在歐姆龍CP1H 存儲(chǔ)器內(nèi)部中，共計(jì)有15360 點(diǎn)用于對(duì)寄存器展開(kāi)輔助工作，進(jìn)而對(duì)PLC 工作過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的存儲(chǔ)。利用8 個(gè)通道輸出脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人位置示教功能。當(dāng)程序進(jìn)入之后，位置示教程序會(huì)對(duì)機(jī)器進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，如果位置發(fā)生偏移，則會(huì)第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)。當(dāng)檢測(cè)到機(jī)器人在正確的位置上，控制機(jī)機(jī)器人則會(huì)按照預(yù)先設(shè)置完成放料、取料等示教。

3.4 原點(diǎn)搜索程序

連續(xù)運(yùn)動(dòng)與位置示教模式開(kāi)展之前，為了讓水平、豎直、腰部、腕部伺服電機(jī)達(dá)到原點(diǎn)，需要開(kāi)展原點(diǎn)搜索。通過(guò)借助分布在各個(gè)關(guān)節(jié)接近傳感器，才能實(shí)現(xiàn)該功能的運(yùn)作。在原點(diǎn)搜索的過(guò)程中，各軸在作業(yè)中會(huì)達(dá)到極限的位置，當(dāng)極限位置達(dá)到危險(xiǎn)的因素會(huì)上升，發(fā)生意外的概率會(huì)增加，因此需要各軸單獨(dú)依次開(kāi)展原點(diǎn)搜索。

3.5 報(bào)警處理程序

氣缸卡住、電機(jī)極限、貨物掉落以及機(jī)器人非原點(diǎn)啟動(dòng)等是碼垛機(jī)器人報(bào)警信號(hào)發(fā)出的主要4 個(gè)原因。報(bào)警信號(hào)發(fā)出之后，機(jī)器會(huì)立即停止作業(yè)，并第一時(shí)間觸發(fā)觸摸屏和蜂鳴器相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。

在依據(jù)控制系統(tǒng)的功能區(qū)分進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，讓主控制系統(tǒng)軟件的編譯與調(diào)試工作得以圓滿的完成。在軟件系統(tǒng)中，主要采用C 語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)，該編寫(xiě)方式在修改上、任務(wù)多少的控制上都非常靈活，同時(shí)設(shè)計(jì)難度也得到了一定程度降低，各種故障聯(lián)合發(fā)生的概率也會(huì)有效降低。

碼垛機(jī)器人控制程序在完成最后一個(gè)環(huán)節(jié)、形成成功的閉環(huán)之后，會(huì)將其在受控對(duì)象自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人上得到應(yīng)用，進(jìn)而對(duì)控制系統(tǒng)的安全性、科學(xué)性以及準(zhǔn)確性進(jìn)行全方位的驗(yàn)證，確保運(yùn)行結(jié)果正確。問(wèn)題都是在落地的調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的，發(fā)現(xiàn)之后對(duì)問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性的解決，進(jìn)而讓控制系統(tǒng)更加的完善。對(duì)于碼垛機(jī)器人而言，其作業(yè)過(guò)程比較特殊，對(duì)重復(fù)以及絕對(duì)定位的精度要求很高，這就需要在該方面的設(shè)計(jì)中較高的嚴(yán)謹(jǐn)性。

經(jīng)過(guò)零點(diǎn)復(fù)位驗(yàn)證、示教模式驗(yàn)證、再現(xiàn)模式驗(yàn)證、避障模式驗(yàn)證，在僅對(duì)控制系統(tǒng)考慮的前提下，末端執(zhí)行器重復(fù)定位誤差要控制在0.6 mm 以內(nèi)。從所涉及的機(jī)器人來(lái)看，完全滿足其要求，控制也能達(dá)到預(yù)想的效果。