关节式砖坯码垛机器人控制系统的设计*

陈雪松 侯荣国 张 宇 王 涛 杨 鹏

（1.山东理工大学 机械工程学院，淄博 255049；2.山东嘉丰玻璃有限责任公司，淄博 255000）

1 研究背景

工业机器人主要用于代替操作工人来完成工业生产中的一些危险、重复率大的步骤，其中，在砖坯产业，码垛机器人被广泛使用。作为码垛技术物流自动化技术中的新兴技术，码垛机器人按照一定的堆叠模式标准，将砖坯堆叠在一起，实现的装卸、搬运、运输、储存等物流工作[1-3]。近年来，操作工人的人工费持续高涨对我国砖瓦行业的冲击非常大，其中，卸砖和码砖环节尤其工人减少尤其明显。砖坯生产线的产量越高，需要的人员就越多，而砖厂的招工却越来越难。因而，砖厂不得不进行技术改造，新建砖坯码垛、缷垛自动生产线来解决这一难题。关节型砖坯码垛机存在占地少，结构紧凑，有利于车间的良好布局；搬运速度很快，能够大幅度提高生产效率，对促进砖坯生产的自动化生产线有重要贡献。机器人的控制系统对码垛机器人工作非常重要，其运算速度对工作效率影响非常大，因此，设计高性能、高效率的控制系统，开发人机友好的界面非常必要[4]。本文将研发关节式码垛机器人的控制系统，使其具备可示教、可编程功能，全面提升制砖设备的自动化、智能化水平，进一步提高制砖工作效率，降低工作成本和工人的劳动强度。

2 码垛机器人控制系统工作原理

码垛机器人控制系统包括示教盒系统和控制器。如图1所示，示教盒系统是码垛机器人主要的人机接口，通过示教生成机器人工作文件。控制器主要负责将运动规划插补好的数据转换为码垛机器人四个轴的伺服电机的脉冲，把分配好的脉冲送到相应的伺服电机驱动器完成位置控制以及读取机器人的位置反馈信息[5-6]。

码垛机器人控制器采用上下位机结构，控制系统机构如图2所示，主要完成人机界面的处理、周边设备信号的交互以及机器人本身的运动控制。硬件主要由工控主机、运动控制卡、I/O接口卡、手持触摸式示教盒、控制柜及电源控制电路等组成。

3 码垛机器人控制系统软件构成

码垛机器人控制软件是控制器中很重要的组成部分。它既要对码垛机器人的轨迹、速度进行精确控制，也要提供非常友好的人机界面，还要包括完备的故障诊断和报警提示功能[7-8]。码垛机器人软件分为系统控制软件和示教盒控制软件。系统控制软件运行在主控计算机上，示教盒控制软件运行在示教盒控制板上[9]。如图3所示，系统控制软件主要完成运动学和动力学计算、码垛机器人本体的位置和速度控制、故障的实时诊断和处理、与示教盒之间的通信处理以及调试用的人机界面处理等。根据不同功能分为7个模块 1.初始化模块；2.故障诊断模块；3.文件管理模块；4.语言解释模块；5.轨迹规划模块；6.通讯模块；7.脉冲生成模块。

图1 码垛机器人控制系统机构图

图2 码垛机器人控制器结构图

4 示教盒的软件设计

示教盒控制软件主要完成人机界面的处理、与控制器之间的通讯处理（包括通讯协议的制定）、编程方式的设定等，控制软件结构如图4所示[10-11]。根据不同功能分为7个模块：1.初始化模块；2.精确定时模块；3.I/O和位置处理模块；4.文件编辑模块；5.参数设置模块；6.错误处理模块；7.通信模块。如图5所示，通过串口和示教盒之间进行通讯，将接收到的控制指令按照软件设计的要判断是控制指令的类型，调用相应的控制指令子程序实现对各轴运动参数的修改、运动方式的控制和示教点位置信息的存储。此外，在保存当前的示教点特征时，用一个结构体来记录数据。

图3 码垛机器人软件控制系统结构图

图4 码垛机器人示教盒控制软件结构图

图5 码垛机器人示教盒流程图

5 码垛机器人人机操作界面的开发

机器人的人机界面开发是机器人工作操作者和机器人动作的结合点，是实现人与机器人通讯的主要方法。本码垛机器人所使用的编程语言是VC++。操作界面如图6所示。

图6 操作界面

6 结论

通过开发砖坯码垛机器人控制系统，使其具备可示教、可编程功能，实现制砖工作的自动化、智能化，提高制砖工作效率，减少工人的劳动强度。利用上位机操作界面和示教盒控制界面等双界面模式，有助于提高制砖工作的精细化程度，提高保障砖坯制造质量，降低废品率，对制砖行业的环保化、绿色化有积极的推动作用。