直角坐标型机器人机械结构与控制系统的设计

王占军，赵玉刚，刘新玉

WANG Zhan-jun, ZHAO Yu-gang, LIU Xin-yu

（山东理工大学 机械工程学院，淄博 255049）

0 引言

随着科技的进步及企业生产自动化水平的提高，码垛机器人的应用越来越广泛，在大型食品饮料、化工和煤矿等企业中，现代码垛技术已得到广泛应用,大幅度提高了企业的生产效率并降低了劳动力成本[1]。而在瓷砖包装生产线中，由于瓷砖的重量较大且需要码垛的距离长，普通的码垛机器人很难满足作业要求。因此需要设计一种全新的码垛机器人对瓷砖进行码垛作业。

根据瓷砖包装生产线的具体码垛要求，设计了新型的4自由度的直角坐标机器人。该机器人的码垛距离长且承载能力较大，能够满足其作业要求。该机器人以PLC作为控制系统的核心，配有触摸屏和其他辅助模块。该控制系统能够实现对机器人的精确控制要求，并且该控制系统的编程简单，拥有较好的可扩展性和维护性。另外，该机器人的性价比较高，适合工业现场应用。

1 直角坐标机器人结构设计

新设计的直角坐标机器人为4自由度的机器人，该机器人能够实现抓手在三维空间内沿x轴、y轴和z轴的移动，并且可以完成绕z轴的转动，能够满足对瓷砖长距离的码垛作业要求。

1.1 直线运动单元的选择

当机器人的抓手在三维空间移动时需要借助直线运动单元，常用的直线运动单元主要有：丝杠螺母副，齿轮齿条副，同步齿型带等[2]。由于抓手在x轴的移动距离较大，而丝杠和齿条在长度较大时容易产生较大的变形，不宜选用丝杠螺母副和齿轮齿条副。由于齿形带可以做的较长并且变形较小，因此在x轴方向选用同步齿型带作为直线运动单元。抓手在y轴和z轴的移动距离较小，丝杠螺母副和齿轮齿条副都能满足要求，因此在y轴选用滚珠丝杠副作为直线运动单元，在z轴选用齿轮齿条副作为直线运动单元。

1.2 机器人整体结构设计

当确定机器人的直线运动单元后，对机器人的整体结构进行设计。机器人的整体结构几何模型如图1所示。机器人的驱动系统为4个伺服电动机，伺服电动机的控制精度较高，能够实现对机器人的精确控制[3]。机器人在作业过程中首先接收到物料传递的信号，然后PLC控制抓手夹紧物料；然后z轴电机通过齿轮齿条副带动抓手向上移动；到达一定位置后，x轴和y轴电机在水平面内做直线插补运动；当抓手到达跺盘的正上方后，z轴电机反向转动，带动抓手向下运动；当将物料放入跺盘后，抓手释放物料，完成对物料的码垛作业。

图1 直角坐标机器人结构简图

2 控制系统总体设计

控制系统的整体结构如图2所示，利用计算机编写好程序后下载到PLC中，PLC通过控制伺服电动机的转动进而控制机器人的运动，并将机器人的运动信息实时的显示到人机交互界面上（HMI），以便操作者参考。

图2 控制系统结构图

3 控制系统的硬件设计

目前工业上应用较为广泛的控制系统主要分为以下三种：单片机控制系统、微型计算机控制系统以及PLC控制系统[4,5]。由于单片机的稳定性较差，数据处理能力也难以满足码垛要求，因此不能选用单片机作为控制系统的核心。微型计算机在稳定性和数据处理能力方面能够满足码垛机器人的作业要求，但成本较高，不利于工业现场应用。而PLC作为控制系统有着巨大的优势，PLC的抗干扰能力强，性价比高，拥有较强的数据处理能力，并且PLC的编程简单、维修方便。因此选用PLC作为码垛机器人的控制系统的核心。

3.1 PLC的选型

本文选用的P L C 为西门子公司生产的S 7-2 0 0 CPU226的PLC作为控制系统，该PLC的数据处理能力强，能够满足码垛机器人的控制要求。PLC连接I/O扩展模块后，I/O点数目最大可达到248点[6]。由于在机器人控制系统中需要用到四个交流伺服电动机的驱动器，因此PLC需要扩展4个EM253定位控制模块，以实现对伺服驱动器的控制。EM253定位控制模块输出脉冲频率最大可达到200kHz，能够满足伺服电动机的转速要求[7]。

3.2 人机交互模块设计

显示器作为人机交互的终端，应实时显示机器人的运动状态，以供操作人员进行参考[8]。触摸屏作为上世纪90年代出现的新的人机互交的技术已得到广泛应用。不仅节省了空间，而且方便了操作人员的使用。另外，触摸屏自带编程软件，编程简单、方便。因此，该控制系统选用触摸屏作为人机交互的界面。

3.3 控制系统硬件接线图

直角坐标型机器人控制系统的硬件接线如图3所示。

在对码垛机器人进行设计时，各个轴都需要用到限位开关以及原点复位开关，以保证机器人在运动过程中不会发生碰撞等危险动作，保护机器和操作者的安全[9]。生产线上检测货物的传感器所发出的信号也需要传送给PLC，以便PLC作出响应。在输出端PLC通过4个EM253位置控制模块驱动4个伺服电动机转动，进而驱动直角坐标机器人运动。

图3 PLC硬件接线图

4 控制系统的软件设计

控制系统的软件设计对机器人作业的精度和稳定性有着重要影响。PLC控制系统主要包括以下五个模块：初始化模块，示教模块，轨迹规划模块，运行模块以及监视模块[10]，如图4所示。

图4 PLC控制系统软件结构示意图

初始化模块：当PLC上电后，初始化模块对PLC的CPU及其他各个模块进行初始化设置，去除上一次运行时残留的信息，并检测各个控制单元运行是否正常。

示教模块：当机器人在第一次作业时需要对机器人进行示教操作，以便使机器人能够按照预定的轨迹运动。在示教过程中，PLC记录机器人在每个位置下的位姿，并生成相应的示教文件。

轨迹规划模块：根据机器人采集到的各个点的坐标，对机械臂的运行轨迹进行规划，并生成相应的插补算法，完成对机器人运行路径的规划。

运行模块：根据示教模块和轨迹规划模块生成的信息，控制机器人进行作业，完成对物料的搬运和码垛任务。码垛作业完成后，机器人回到原点位置。

监视模块：时刻显示机器人在作业过程中的运动状态，并对控制系统的各个单元进行监视。当机器人在运动过程中出现错误信息后，立刻在显示器上显示错误信息并进行报警。

5 结论

本文根据瓷砖包装生产线的具体码垛要求，设计了4自由度的直角坐标型机器人。该机器人的运动空间广，承载能力强，能够完全满足瓷砖包装生产线的作业要求。并对机器人各个运动单元进行了设计，以保证机器人的运动精度和稳定性。最后对机器人的控制系统进行了研究，以PLC作为控制系统的核心，通过控制4个伺服驱动器完成对机器人的控制，并对控制系统的各个模块进行了设计。实验表明，以PLC为控制系统的直角坐标机器人具有较高的精度和稳定性。另外，该机器人拥有较高的性价比，在瓷砖包装行业的应用前景较为广泛。

[1] 李晓刚,刘晋浩.码垛机器人的研究与应用现状、问题及对策[J].包装工程,2011(2)：96-101.

[2] 刘梦茹.上下料用模块化直角坐标机器人研究[D].天津：天津大学,2010.

[3] 李成伟,贫超.码垛机器人机构设计与运动学研究[J].机械设计与制造,2009(06)：181-183.

[4] 王炎欢,陈阿三,刘鑫茂.直角坐标机器人控制系统的研制[J].轻工机械,2010(04)：67-69.

[5] 谢少荣,罗均,吴安德.常用可编程序控制器及其应用[M].北京：化学工业出版社,2006.

[6] 韩战涛.S7-200PLC编程与工程实例详解[M].北京：电子工业出版社,2013.

[7] 龚仲华.S7-200系列PLC应用技术[M].北京：人民邮电出版社,2011.

[8] 李金泉,杨向东,付铁.码垛机器人机械结构与控制系统的设计[M].北京：北京理工大学出版社,2011.

[9] 侯辉,刘光瑞.基于PLC的药房码垛机器人控制系统研究[J].制造业自动化,2012(10)：108-110.

[10] 张丰华,韩宝玲,罗庆生,等.基于PLC的新型工业码垛机器人控制系统的设计[J].计算机测量与控制,2009(11)：2191-2193.