關(guān)節(jié)式磚坯碼垛機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計*

陳雪松 侯榮國 張 宇 王 濤 楊 鵬

（1.山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，淄博 255049；2.山東嘉豐玻璃有限責(zé)任公司，淄博 255000）

1 研究背景

工業(yè)機器人主要用于代替操作工人來完成工業(yè)生產(chǎn)中的一些危險、重復(fù)率大的步驟，其中，在磚坯產(chǎn)業(yè)，碼垛機器人被廣泛使用。作為碼垛技術(shù)物流自動化技術(shù)中的新興技術(shù)，碼垛機器人按照一定的堆疊模式標準，將磚坯堆疊在一起，實現(xiàn)的裝卸、搬運、運輸、儲存等物流工作[1-3]。近年來，操作工人的人工費持續(xù)高漲對我國磚瓦行業(yè)的沖擊非常大，其中，卸磚和碼磚環(huán)節(jié)尤其工人減少尤其明顯。磚坯生產(chǎn)線的產(chǎn)量越高，需要的人員就越多，而磚廠的招工卻越來越難。因而，磚廠不得不進行技術(shù)改造，新建磚坯碼垛、缷垛自動生產(chǎn)線來解決這一難題。關(guān)節(jié)型磚坯碼垛機存在占地少，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于車間的良好布局；搬運速度很快，能夠大幅度提高生產(chǎn)效率，對促進磚坯生產(chǎn)的自動化生產(chǎn)線有重要貢獻。機器人的控制系統(tǒng)對碼垛機器人工作非常重要，其運算速度對工作效率影響非常大，因此，設(shè)計高性能、高效率的控制系統(tǒng)，開發(fā)人機友好的界面非常必要[4]。本文將研發(fā)關(guān)節(jié)式碼垛機器人的控制系統(tǒng)，使其具備可示教、可編程功能，全面提升制磚設(shè)備的自動化、智能化水平，進一步提高制磚工作效率，降低工作成本和工人的勞動強度。

2 碼垛機器人控制系統(tǒng)工作原理

碼垛機器人控制系統(tǒng)包括示教盒系統(tǒng)和控制器。如圖1所示，示教盒系統(tǒng)是碼垛機器人主要的人機接口，通過示教生成機器人工作文件。控制器主要負責(zé)將運動規(guī)劃插補好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為碼垛機器人四個軸的伺服電機的脈沖，把分配好的脈沖送到相應(yīng)的伺服電機驅(qū)動器完成位置控制以及讀取機器人的位置反饋信息[5-6]。

碼垛機器人控制器采用上下位機結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)機構(gòu)如圖2所示，主要完成人機界面的處理、周邊設(shè)備信號的交互以及機器人本身的運動控制。硬件主要由工控主機、運動控制卡、I/O接口卡、手持觸摸式示教盒、控制柜及電源控制電路等組成。

3 碼垛機器人控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成

碼垛機器人控制軟件是控制器中很重要的組成部分。它既要對碼垛機器人的軌跡、速度進行精確控制，也要提供非常友好的人機界面，還要包括完備的故障診斷和報警提示功能[7-8]。碼垛機器人軟件分為系統(tǒng)控制軟件和示教盒控制軟件。系統(tǒng)控制軟件運行在主控計算機上，示教盒控制軟件運行在示教盒控制板上[9]。如圖3所示，系統(tǒng)控制軟件主要完成運動學(xué)和動力學(xué)計算、碼垛機器人本體的位置和速度控制、故障的實時診斷和處理、與示教盒之間的通信處理以及調(diào)試用的人機界面處理等。根據(jù)不同功能分為7個模塊 1.初始化模塊；2.故障診斷模塊；3.文件管理模塊；4.語言解釋模塊；5.軌跡規(guī)劃模塊；6.通訊模塊；7.脈沖生成模塊。

圖1 碼垛機器人控制系統(tǒng)機構(gòu)圖

圖2 碼垛機器人控制器結(jié)構(gòu)圖

4 示教盒的軟件設(shè)計

示教盒控制軟件主要完成人機界面的處理、與控制器之間的通訊處理（包括通訊協(xié)議的制定）、編程方式的設(shè)定等，控制軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示[10-11]。根據(jù)不同功能分為7個模塊：1.初始化模塊；2.精確定時模塊；3.I/O和位置處理模塊；4.文件編輯模塊；5.參數(shù)設(shè)置模塊；6.錯誤處理模塊；7.通信模塊。如圖5所示，通過串口和示教盒之間進行通訊，將接收到的控制指令按照軟件設(shè)計的要判斷是控制指令的類型，調(diào)用相應(yīng)的控制指令子程序?qū)崿F(xiàn)對各軸運動參數(shù)的修改、運動方式的控制和示教點位置信息的存儲。此外，在保存當(dāng)前的示教點特征時，用一個結(jié)構(gòu)體來記錄數(shù)據(jù)。

圖3 碼垛機器人軟件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 碼垛機器人示教盒控制軟件結(jié)構(gòu)圖

圖5 碼垛機器人示教盒流程圖

5 碼垛機器人人機操作界面的開發(fā)

機器人的人機界面開發(fā)是機器人工作操作者和機器人動作的結(jié)合點，是實現(xiàn)人與機器人通訊的主要方法。本碼垛機器人所使用的編程語言是VC++。操作界面如圖6所示。

圖6 操作界面

6 結(jié)論

通過開發(fā)磚坯碼垛機器人控制系統(tǒng)，使其具備可示教、可編程功能，實現(xiàn)制磚工作的自動化、智能化，提高制磚工作效率，減少工人的勞動強度。利用上位機操作界面和示教盒控制界面等雙界面模式，有助于提高制磚工作的精細化程度，提高保障磚坯制造質(zhì)量，降低廢品率，對制磚行業(yè)的環(huán)?；⒕G色化有積極的推動作用。