基于PLC的码垛机器人设计

赵凡 郑贤满 章馨云 周小乐

摘 要：根据对现有物流码垛机器人市场的分析，当前大多数工厂包装还使用人工，人力资源成本逐步增高致使成本提高，且生产效率低下。为了最大程度减少生产的成本，提高生产效率，提出了码垛包装机器人普及的方案，以利用PLC可编程程序机械取料手为主结合，对所需要打包物体进行码垛搬运、打包。通过测量系统和PLC可编程控制系统来达到码垛搬运的目的。在中国现有包装工厂中此类机器人普及率不高，可施性及强，有着很大的市场前景。

关键词：PLC;码垛;机器人

随着科技的进步，工业机器人领域快速发展，使得人类可以从单一重复的工作中解脱。中国小型机器人的销量远远超过欧美各大国家，但是工厂的自动化水平并没有欧美大国的高，根据调查，中国工业机器人的销量居于全球首位。2010年起中国工业机器人需求量急增，2013年起中国工业机器人需求量开始超越日本，2014年起中国工业机器人需求量超过欧洲，至2016年中国的工业机器人全面销量已占全球总销量的30%，即便如此，我国工业机器人的保有量和密度依旧低于其他的世界主要市场。因此码垛机器人能否被普及应用将是中国工业机器人行业发展的又一次小进步。机器人行业的发展也是综合国力发展的一种体现，中华名族伟大复兴的中国梦和人类社会的进步需要我们更大力度的去发展工业机器人行业的普及应用。

码垛机器人有着结构简单、零部件少，占地面积小、适性强的特点，因而成本低，价格实惠，可操作性强。而当今世界物流行业发展迅速，码垛物流机器人也是十分受到世界各地工厂的青睐，中国需要发展普及码垛机器人。

1 方案设计

设计的机器人主要用于化妆品、药品、食品包装，实现自动化包装。要达到此目的，有两种实现方案：第一：利用可编程控制程序，输入抓取物体的3维固态图，再驱动关节，再机械手统一抓取物体，进行搬运，进行打包。第二：带红外检测模式，挨个分析抓取物体的3维动态图，统一抓取检测物体，再驱动关节，再由机械手统一抓取物体，进行搬运，进行打包。比较上述两种方案，方案二精度较高，方案一构成简单，实现方便，只需要把物体固态图传输成功，就可以实现识别。因此最终选用第一方案。

按照方案一的设想，并与工厂流水线工作相配合，设计了一种基于PLC的固定式多关节机器人。该机器人的结构简单，造价低廉、负载能力强、可编程度高，适应不同工位上的硬纸盒、塑料盒等盒状物的搬运码垛。本研究设计不仅限用于拆垛、码垛，还可以用于物料的分拣、搬运等领域，市场的运用前景广泛。

具体系统组成如图1所示。PLC做为主控单元，外围测量元件图像识别传感器、角度传感器和姿态传感器进行信息采集，通过模数转换器将信息通过输入模块传递给CPU，CPU对此进行判断分析，并发出指令传递给输出模块，输出模块将信息传递给伺服系统，伺服系统来控制执行元件机械手完成相应的动作指令，并将执行元件的输出信号反馈到模数转换器中进行数据的整合转换。

2 硬件控制系统的设计

基于码垛机器人的工作环境多处于环境较为恶劣的流水线加工厂，就要要求机器人的硬件控制系统具有很高的可靠性，才能确保生产的稳定运行。所以机器人的系统设计采用模块化的形式，控制系统的核心控制逻辑通过PLC来实现的，为了能对该系统进行比较全面和可靠的自动控制，保证控制系统的灵活性、可靠性和易维护性等因素，机器人各个电气元件采用我们较为熟悉的三菱FX-2N系列的PLC进行控制。

码垛机器人采用的是固定式多关节机器人，如图2所示，机器人机身固定在地面基础上，腰部与基座之间用一台伺服电动机相连，控制机器人机身在x﹑y平面内的转动，机器人所有的连杆都用伺服电动机组合而成，因而都可以旋转。而腰部可自由转动，因而整个组合件可在与基座平行的平面内移动角度，这种设计的优点主要是机械臂具有较强的灵活性和较大的工作区域，可以在机器人基座附近的地方工作，并越过其工作范围内的人和障碍物。

2.1 腰部底座关节机械结构

腰部底座的运动是由底部的伺服电机来控制空心轴，进而使整体基座实现腰部旋转，并且底部基座及腰部的法兰连接结构设计可以降低机械关节动时的工作噪音，同时也节约了机械臂外部的设计空间，在设计生产中被搬运的物品只需要从一个位置移到另个位置上，绕垂直于水平方向的轴旋转以调整放置方向。

2.2 臂部腕部关节结构

臂部与腕部的运动由传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受末端执行器、手腕和手臂自身的重量。为保证机械手的刚度、减轻机械手的整体重量、提高机械臂抓重大小和定位精度，臂部与腕部都采用空心轴的单臂式的结构形式，两机械结构之间采用伺服电机的齿合式连接。

2.3 末端执行器结构

末端执行器采用齿形平面指夹钳式取料手，该结构为了能够完成码垛过程中夹紧盒状物，而采用平动式手爪能更好的在小空间的内完成码垛指令。

3 软件控制系统的设计

软件设计基于模块化设计思想，其中主程序流程图如图3所示。根据所放置的位置对所需包装盒进行编号，共分为8个位置。每个位置具有固定的程序即图中对应编号的搬运子程序。通过图像识别传感器对包装盒的编码进行扫描识别，CPU对识别的图像数据进行分析处理，驱动伺服电机动作机械臂对物体实行定位抓取，同时调用搬运的子程序将抓取物体置于指定的编号位置，重复调用全部子程序的指令步骤，子程序包含将包装盒搬运到指定位置所需的指令，从而实现对物体的全部码垛。

经过上机运行，可实现对所需打包物体扫描识别，抓取进行码垛搬运至指定位置，再进行打包，完成工作。

4 总结

该款码垛包装机器人在上调试能够实现完整的工作流程，经过仿真，系统可以实现对所需要打包物体进行红外线扫描图像识别、利用plc可编程程序操作抓取式机械手进行码垛搬运、打包。并且该款码垛机器人软件和硬件系统便于使用者操作。该款码垛包装机器人结构简单，运作灵活、精准度高，作业效率高，且造价低廉、负载能力强、可编程度高，利于市场普及应用，利于现代生产提供了更高的生产效率。此码垛系统将具有更加广泛的市场前景和发展潜力。

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