摘要：機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人，可編程，專(zhuān)用機(jī)械手，伺服驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)傳感

1前言

工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率：可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用[1]。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專(zhuān)用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱(chēng)通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。

2系統(tǒng)控制框圖及說(shuō)明

2.1設(shè)備框圖

圖1設(shè)備框圖

2.2系統(tǒng)構(gòu)建說(shuō)明

(1)系統(tǒng)采用PLC(臺(tái)灣產(chǎn))控制，可以同時(shí)控制4個(gè)伺服軸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)；

(2)PLC和各個(gè)伺服軸之間采用MODBUS通訊，實(shí)時(shí)讀取伺服狀態(tài)和脈沖反饋值，與給定值之間進(jìn)行比較運(yùn)算；

(3)四個(gè)伺服軸采用伺服電機(jī)，自轉(zhuǎn)軸和第二回轉(zhuǎn)軸為400kW/2000rpm，第一回轉(zhuǎn)軸為3kW/1500rpm，提升軸為3kW/1500rpm；

(4)夾緊和移位氣缸采用電磁閥控制；

(5)每個(gè)伺服軸都有3個(gè)接近開(kāi)關(guān)，分別的作用為：正向極限，方向極限和零位；提升電機(jī)高位和低位放置機(jī)械限位傳感器；

(6)排列區(qū)的箱子位置檢測(cè)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)，檢測(cè)距離4米，當(dāng)排列區(qū)箱子放到5個(gè)時(shí)，對(duì)射光被遮沒(méi)，光電開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)給PLC，機(jī)械臂可以下降抓取箱子；

(7)在五個(gè)夾緊抓具下方裝五個(gè)萬(wàn)向檢測(cè)限位，當(dāng)箱子與限位開(kāi)關(guān)在任意方向接觸時(shí)，限位開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)時(shí)，表明抓具已把箱子抓緊，機(jī)械臂可以提升；

(8)系統(tǒng)人機(jī)界面采用7寸彩色觸摸屏，在觸摸屏上設(shè)置至少3個(gè)權(quán)限等級(jí)，用于系統(tǒng)參數(shù)，工藝參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置與修改。

3機(jī)械手碼垛機(jī)電控系統(tǒng)及運(yùn)行步驟說(shuō)明

(1)主驅(qū)動(dòng)方式：全伺服電機(jī)帶減速機(jī)驅(qū)動(dòng)；(三旋轉(zhuǎn)電機(jī)、一提升電機(jī))；

(2)夾緊及移位驅(qū)動(dòng)：氣缸控制移位(14套)其中，8套夾緊氣缸，4套移位氣缸；

(3)位移傳感器，壓力調(diào)節(jié)閥(手動(dòng))，是否抓到產(chǎn)品判定。

3.1運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)系圖

在放置第四次和第五次時(shí)，自轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)180度，然后在一次放置，位置如圖2所示。

圖2運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)系圖

3.2手動(dòng)調(diào)節(jié)模式

(1)參照運(yùn)行邏輯關(guān)系圖，每一步都需要手動(dòng)調(diào)節(jié)。但是只需要第一層和第二層，程序設(shè)定完成后，只需要按點(diǎn)動(dòng)即可；

(2)零位的確定。

3.3自動(dòng)運(yùn)行模式

參數(shù)設(shè)置后，按啟動(dòng)按鈕就可以自動(dòng)抓取產(chǎn)品。自動(dòng)修正累計(jì)誤差，每次抓取完成后，自動(dòng)校隊(duì)零位。

3.4觸摸屏參數(shù)設(shè)置

3.4.1設(shè)置參數(shù)

(1)位置參數(shù)：零位設(shè)置，抓取位置設(shè)置，放置位置設(shè)置；

(2)放置參數(shù)：自由設(shè)置抓取數(shù)量及排列關(guān)系，層高及層數(shù)；

(3)運(yùn)行參數(shù)：運(yùn)行頻率可調(diào)節(jié)(10-30秒/次)。

3.4.2顯示參數(shù)

(1)每小時(shí)產(chǎn)量，累計(jì)產(chǎn)量，日期，品種等參數(shù)；

(2)當(dāng)前實(shí)時(shí)坐標(biāo)，當(dāng)前碼垛位置及層數(shù)。

3.5防護(hù)及安全

(1)位置限位傳感器(機(jī)械及電子雙重)；

(2)電機(jī)過(guò)載保護(hù)(負(fù)載過(guò)重或卡死)；

(3)保養(yǎng)提示(潤(rùn)滑，緊固，泄露等)；

(4)參數(shù)設(shè)置超限提示，參數(shù)設(shè)置完成，自檢程序，空走檢測(cè)。

4配置方案選型及程序

4.1配置方案選型

該設(shè)備一共有六顆伺服，且各個(gè)伺服間都有對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系，因此控制器選用臺(tái)達(dá)10MC總線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器，如圖3所示。

圖3臺(tái)達(dá)10MC總線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器

DVP10MC11T是臺(tái)達(dá)自主研發(fā)的基于CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它遵循CANopenDS301基本通訊協(xié)議和DSP402運(yùn)動(dòng)控制協(xié)議，同時(shí)還支持大部分國(guó)際組織所定義的運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)指令庫(kù)，極大方便使用者快速入門(mén)，迅速的進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。

DVP10MC11T是一個(gè)多功能控制器，其內(nèi)部包含標(biāo)準(zhǔn)PLC模塊和MC運(yùn)動(dòng)控制模塊兩大功能模塊(如圖4所示)。PLC模塊與臺(tái)達(dá)其它DVP系列PLC功能相似，使用方法也相同，通過(guò)WPLSoft或ISPSoft編程軟件，可以編寫(xiě)梯形圖，順序功能圖，指令表等臺(tái)達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的PLC邏輯程序。PLC模塊同時(shí)還支持左側(cè)和右側(cè)兩個(gè)擴(kuò)展接口，左側(cè)為高速并行擴(kuò)展口，可以連接最多7臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)主站模塊(DeviceNet，CANopen主站等)、以太網(wǎng)模塊及高速模擬量模塊等，右側(cè)用來(lái)連接原DVP-S系列PLC的擴(kuò)展模塊(如低速模擬量及數(shù)字量模塊)。MC運(yùn)動(dòng)控制模塊主要通過(guò)CANopen總線(xiàn)，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行精密的控制，以完成用戶(hù)所期望的速度控制、位置控制等功能。MC運(yùn)動(dòng)控制模塊采用CANopenBuilder軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言以圖形化的方式提供用戶(hù)編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制功能，使用簡(jiǎn)潔，易于學(xué)習(xí)理解。同時(shí)，CANopeBuilder軟件也提供用戶(hù)方便的G代碼編輯、預(yù)覽、電子凸輪編輯等界面，方便用戶(hù)規(guī)劃更有特色的運(yùn)動(dòng)控制需求。由于采用高可靠性的CAN總線(xiàn)為主線(xiàn)的通訊系統(tǒng)，DVP10MC11T只需為客戶(hù)提供簡(jiǎn)單配線(xiàn)，因具有高速可靠的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用在包裝、印刷、封裝、切割、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)等各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域中。

圖4DVP10MC11T內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MC運(yùn)動(dòng)控制模塊主要功能有：?jiǎn)屋S系統(tǒng)最大支持16個(gè)實(shí)軸；兩軸直線(xiàn)/圓弧插補(bǔ)；簡(jiǎn)易NC功能，2.5軸G代碼支持；電子凸輪，5階多項(xiàng)式擬合，支持虛軸；電子齒輪。

10MC控制器是CANopen總線(xiàn)控制器，臺(tái)達(dá)A2-M伺服支持CANopen通訊。與10MC控制器配套選用。配線(xiàn)大大簡(jiǎn)化、控制更加精確，能夠滿(mǎn)足高端設(shè)備的應(yīng)用需求。

4.2控制方法

圖5部分程序圖

5現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果

觸摸屏上的命令和數(shù)據(jù)通過(guò)PLC運(yùn)算后，通過(guò)MC和PLC的公共區(qū)域的寄存器進(jìn)行傳輸。部分畫(huà)面如圖6。

圖6界面圖