基于PLC的碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有物流碼垛機(jī)器人市場(chǎng)的分析，當(dāng)前大多數(shù)工廠包裝還使用人工，人力資源成本逐步增高致使成本提高，且生產(chǎn)效率低下。為了最大程度減少生產(chǎn)的成本，提高生產(chǎn)效率，提出了碼垛包裝機(jī)器人普及的方案，以利用PLC可編程程序機(jī)械取料手為主結(jié)合，對(duì)所需要打包物體進(jìn)行碼垛搬運(yùn)、打包。通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)和PLC可編程控制系統(tǒng)來(lái)達(dá)到碼垛搬運(yùn)的目的。

1 方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要用于化妝品、藥品、食品包裝，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化包裝。要達(dá)到此目的，有兩種實(shí)現(xiàn)方案：第一：利用可編程控制程序，輸入抓取物體的3維固態(tài)圖，再驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，再機(jī)械手統(tǒng)一抓取物體，進(jìn)行搬運(yùn)，進(jìn)行打包。第二：帶紅外檢測(cè)模式，挨個(gè)分析抓取物體的3維動(dòng)態(tài)圖，統(tǒng)一抓取檢測(cè)物體，再驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，再由機(jī)械手統(tǒng)一抓取物體，進(jìn)行搬運(yùn)，進(jìn)行打包。比較上述兩種方案，方案二精度較高，方案一構(gòu)成簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，只需要把物體固態(tài)圖傳輸成功，就可以實(shí)現(xiàn)識(shí)別。因此最終選用第一方案。

按照方案一的設(shè)想，并與工廠流水線工作相配合，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的固定式多關(guān)節(jié)機(jī)器人。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉、負(fù)載能力強(qiáng)、可編程度高，適應(yīng)不同工位上的硬紙盒、塑料盒等盒狀物的搬運(yùn)碼垛。本研究設(shè)計(jì)不僅限用于拆垛、碼垛，還可以用于物料的分揀、搬運(yùn)等領(lǐng)域，市場(chǎng)的運(yùn)用前景廣泛。

PLC做為主控單元，外圍測(cè)量元件圖像識(shí)別傳感器、角度傳感器和姿態(tài)傳感器進(jìn)行信息采集，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信息通過(guò)輸入模塊傳遞給CPU，CPU對(duì)此進(jìn)行判斷分析，并發(fā)出指令傳遞給輸出模塊，輸出模塊將信息傳遞給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)來(lái)控制執(zhí)行元件機(jī)械手完成相應(yīng)的動(dòng)作指令，并將執(zhí)行元件的輸出信號(hào)反饋到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合轉(zhuǎn)換。

2 硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于碼垛機(jī)器人的工作環(huán)境多處于環(huán)境較為惡劣的流水線加工廠，就要要求機(jī)器人的硬件控制系統(tǒng)具有很高的可靠性，才能確保生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。所以機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化的形式，控制系統(tǒng)的核心控制邏輯通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了能對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行比較全面和可靠的自動(dòng)控制，保證控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性和易維護(hù)性等因素，機(jī)器人各個(gè)電氣元件采用我們較為熟悉的三菱FX-2N系列的PLC進(jìn)行控制。

碼垛機(jī)器人采用的是固定式多關(guān)節(jié)機(jī)器人，機(jī)器人機(jī)身固定在地面基礎(chǔ)上，腰部與基座之間用一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)相連，控制機(jī)器人機(jī)身在x﹑y平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人所有的連桿都用伺服電動(dòng)機(jī)組合而成，因而都可以旋轉(zhuǎn)。而腰部可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因而整個(gè)組合件可在與基座平行的平面內(nèi)移動(dòng)角度，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要是機(jī)械臂具有較強(qiáng)的靈活性和較大的工作區(qū)域，可以在機(jī)器人基座附近的地方工作，并越過(guò)其工作范圍內(nèi)的人和障礙物。

2.1 腰部底座關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)

腰部底座的運(yùn)動(dòng)是由底部的伺服電機(jī)來(lái)控制空心軸，進(jìn)而使整體基座實(shí)現(xiàn)腰部旋轉(zhuǎn)，并且底部基座及腰部的法蘭連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以下降機(jī)械關(guān)節(jié)動(dòng)時(shí)的工作噪音，同時(shí)也節(jié)省了機(jī)械臂外部的設(shè)計(jì)空間，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中被搬運(yùn)的物品只需要從一個(gè)位置移到另個(gè)位置上，繞垂直于水平方向的軸旋轉(zhuǎn)以調(diào)整放置方向。

2.2臂處腕部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

臂處與腕部的運(yùn)動(dòng)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受末端執(zhí)行器、手腕和手臂自身的重量。為保證機(jī)械手的剛度、減輕機(jī)械手的整體重量、提高機(jī)械臂抓重大小和定位精度，臂處與腕部都采用空心軸的單臂式的結(jié)構(gòu)形式，兩機(jī)械結(jié)構(gòu)之間采用伺服電機(jī)的齒合式連接。

2.3 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

末端執(zhí)行器采用齒形平面指夾鉗式取料手，該結(jié)構(gòu)為了可以完成碼垛過(guò)程當(dāng)中夾緊盒狀物，而采用平動(dòng)式手爪能更好的在小空間的內(nèi)完成碼垛指令。

3 軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)所放置的位置對(duì)所需包裝盒進(jìn)行編號(hào)，共分為8個(gè)位置。每個(gè)位置具有固定的程序即圖中對(duì)應(yīng)編號(hào)的搬運(yùn)子程序。通過(guò)圖像識(shí)別傳感器對(duì)包裝盒的編碼進(jìn)行掃描識(shí)別，CPU對(duì)識(shí)別的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)動(dòng)作機(jī)械臂對(duì)物體實(shí)行定位抓取，同時(shí)調(diào)用搬運(yùn)的子程序?qū)⒆ト∥矬w置于指定的編號(hào)位置，重復(fù)調(diào)用全部子程序的指令步驟，子程序包含將包裝盒搬運(yùn)到指定位置所需的指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的全部碼垛。

經(jīng)過(guò)上機(jī)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所需打包物體掃描識(shí)別，抓取進(jìn)行碼垛搬運(yùn)至指定位置，再進(jìn)行打包，完成工作。