陳雪松 侯榮國 張 宇 王 濤 楊 鵬
(1.山東理工大學(xué) 機(jī)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)
工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器人按照一定的堆疊模式標(biāo)準(zhǔn),將磚坯堆疊在一起,實(shí)現(xiàn)的裝卸、搬運(yùn)、運(yùn)輸、儲存等物流工作[1-3]。近年來,操作工人的人工費(fèi)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(jìn)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(jī)存在占地少,結(jié)構(gòu)緊湊,有利于車間的良好布局;搬運(yùn)速度很快,能夠大幅度提高生產(chǎn)效率,對促進(jìn)磚坯生產(chǎn)的自動化生產(chǎn)線有重要貢獻(xiàn)。機(jī)器人的控制系統(tǒng)對碼垛機(jī)器人工作非常重要,其運(yùn)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(jī)友好的界面非常必要[4]。本文將研發(fā)關(guān)節(jié)式碼垛機(jī)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(jìn)一步提高制磚工作效率,降低工作成本和工人的勞動強(qiáng)度。
碼垛機(jī)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(jī)器人主要的人機(jī)接口,通過示教生成機(jī)器人工作文件??刂破髦饕?fù)責(zé)將運(yùn)動規(guī)劃插補(bǔ)好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為碼垛機(jī)器人四個軸的伺服電機(jī)的脈沖,把分配好的脈沖送到相應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動器完成位置控制以及讀取機(jī)器人的位置反饋信息[5-6]。
碼垛機(jī)器人控制器采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu),控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖2所示,主要完成人機(jī)界面的處理、周邊設(shè)備信號的交互以及機(jī)器人本身的運(yùn)動控制。硬件主要由工控主機(jī)、運(yùn)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。
碼垛機(jī)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(jī)器人的軌跡、速度進(jìn)行精確控制,也要提供非常友好的人機(jī)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(jī)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(yùn)行在主控計算機(jī)上,示教盒控制軟件運(yùn)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(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計算、碼垛機(jī)器人本體的位置和速度控制、故障的實(shí)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(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖
圖2 碼垛機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)圖
示教盒控制軟件主要完成人機(jī)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(jìn)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(yùn)動參數(shù)的修改、運(yùn)動方式的控制和示教點(diǎn)位置信息的存儲。此外,在保存當(dāng)前的示教點(diǎn)特征時,用一個結(jié)構(gòu)體來記錄數(shù)據(jù)。
圖3 碼垛機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖4 碼垛機(jī)器人示教盒控制軟件結(jié)構(gòu)圖
圖5 碼垛機(jī)器人示教盒流程圖
機(jī)器人的人機(jī)界面開發(fā)是機(jī)器人工作操作者和機(jī)器人動作的結(jié)合點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人通訊的主要方法。本碼垛機(jī)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
通過開發(fā)磚坯碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng),使其具備可示教、可編程功能,實(shí)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(qiáng)度。利用上位機(jī)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(xì)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)保化、綠色化有積極的推動作用。