​工业机械手-桁架自动码垛机械手控制系统

       当代社会科技不断发展，机器人技术已经应用于人们生产生活的各个领域。而机械手作为机器人的一种，越来越多地在生产制造领域发挥重要作用，不仅能够提高工作效率，还能够将人们从繁重、枯燥的工作中解放出来。例如：在智能仓储系统中，通过机械手来完成码垛，码垛的目的是让产品的入库、出库和转移等活动都以托盘为单位来进行，从而提高货物的运输传送效率。

        按照机械手的用途，可将其分为专用机械手和通用机械手两种。专用机械手是具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，专用机械手动作少，工作内容单一，结构简单、实用、可靠、造价低。而通用机械手具备独立的控制系统，程序可以根据实际需求改变，动作灵活多样，工作范围大，通用性强。按机械手的不同运动形式及组合情况，可以分为直角坐标式机械手和关节式机械手两大类。

        本文以桁架机械手控制系统为研究对象，首先分析了桁架机械手在特定工业环境下所需要的功能，提出了桁架机械手的控制系统总体方案，制定了桁架机械手控制系统硬件系统和软件系统的方案。在控制系统硬件方面，完成了控制系统硬件框架设计，选取工控机为上位机，PMAC 为下位机的控制方式，选择伺服电机为动力装置，并在此基础上完成了桁架机械手整体电气系统的设计与制作。

        在控制系统软件方面，设计了控制系统的整体软件框架，采用模块化编程的思想，用 C#编程语言编写了上位机软件，包括示教、调度等核心模块；运用 PMAC程序语言编写了下位机程序，实现了 PMAC 对机械运动机构的控制；完成上位机与 PMAC 的通讯设计以及上位机与仓库管理系统的通讯设计。

        为了保证桁架机械手能够稳定工作，进行了大量的功能调试和参数调试等工作，包括电机点动调试、I/O 测试、示教调试和调度试运行等；在调度过程中，桁架机械手能够与仓库管理系统无缝对接，仓库管理系统下发的调度任务能够被桁架机械手准确地接收，并对任务进行快速分析和执行，最后对于任务的完成情况及时反馈，实现了货物码垛的无人化管理。

      目前，桁架机械手控制系统的研发工作已经完成，四轴桁架机械手设备已经投入生产，在立体仓库中进行货物的码垛；在运行过程中，桁架机械手表现良好，运行稳定，操作系统运行流畅，操作方案简单易上手，能够按照系统流程连续稳定的工作，达到了预期的设计要求。

       目前生产的码垛机械手，一般都是四轴空间关节式机械手，这种机械手的结构一般可分为三部分，分别是机械手本体结构、机械手控制柜和末端执行器。机械手的本体结构由底座、机械臂、和腕部等零部件构成，针对不同形状和属性的货物，还可以更换相应的末端执行器，可以使机械手快速、平稳、准确地抓取货物。机械手的控制系统一般采用基于工控机的开放式控制系统。

      除了传统的关节式机械手外，对大型、重型货物进行搬运、码垛时，用到更多的是桁架式机械手。这种机械手遵循笛卡尔坐标系，一般由结构框架、X 轴组件、Y 轴组件、Z 轴组件、工装夹具和控制柜组成，桁架式机械手在国外起步较早，发展也比较迅速，特别是在控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编程等关键技术方面有许多突破。

       直角 X、Y、Z 三坐标系统基础上，对工件进行工位调整，或完成工件的轨迹运动等功能的全自动工业设备。其控制核心是通过工业控制器对驱动装置下达命令，完成 X、Y、Z 三轴之间的联合运动，以实现一整套全自动作业流程。相比关节机械手，桁架机械手负载能力强、调试简便，工作可靠，对于体积大、质量大的货物尤为适用；在安装时能够充分利用车间的空间，工作范围大，不仅可用于码垛，还可用于拆垛和车间的日常搬运工作。

      桁架机械手是一种建立在桁架机械手空间上需要实现 X、Y、Z 三个方向的往复运动，传动方式为伺服电机连接减速器，通过齿轮齿条传动来实现，其中 Z 轴选用带抱闸功能的伺服电机，确保 Z 轴不会由于自重而下落；C 轴控制夹具的旋转，也是由伺服电机连接减速器，通过齿轮传动来实现的；夹具一般为气动夹具，可以根据货物的不同来选择合适的夹具。在正常工作时，首先由 X、Y、Z、C 四轴配合，使夹具运动到货物上方，然后 Z 轴向下运动到合适位置再打开夹具，完成抓取；随后可通过 X、 Y、Z、C 四轴的配合，最终以合适的姿态将货物放置到指的位置。

      桁架机械手两边的固定横梁上均安装了齿条和直线导轨，导轨上的滑块承载了移动横梁，如图 2.1 所示，移动横梁为 X 轴的移动部件，X 轴的伺服电机、减速器、齿轮等都安装在移动横梁上。伺服电机通过平行双输出轴减速器将动力传至齿轮，再通过齿轮齿条的配合来驱动移动横梁往复移动，从而实现 X 轴方向的进给；

       安装板通过滑块和直线导轨在移动横梁上往复运动，该安装板为 Y 轴的移动部件，Y 轴的伺服电机和减速器等驱动部件均装配在安装板上；伺服电机通过减速器将动力传至齿轮，最终通过齿轮和齿条的配合使 Y 轴驱动部件连同安装板相对于移动横梁往复运动，从而实现了 Y轴方向的进给。

       在智能仓储项目中，各自动化设备组网通讯，每一项工作都是由仓库管理系统调度和管理的，每个设备都要接收调度指令，并完成相关工作。例如产品入库流程：首先产品经过输送线运至码垛区，码垛区有托盘输送线和码垛机械手；码垛机械手将产品从输送线上抓取并在空托盘上进行码垛；待码垛完成后，满货的托盘由托盘输送线运走并配合穿梭车和堆垛机进行产品入库。

       一般来说，货物都是以托盘为单位存放在货架上；而这其中最重要的步骤就是码垛，码垛的效率和质量对货物存储有至关重要的影响。

        对于桁架机械手码垛时的运动路径，采取示教的方式来获取，并将路径信息储存在路径管理的数据库中。这些路径信息中包括路径点的坐标、速度和夹具动作等。所以需要提供给用户简单明了的示教界面和安全可靠的路径数据存储机制，即路径示教方案。此外还需要将路径信息转化成运动控制器所能够识别的运动程序语言，需要设计出将路径数据转换为运动程序的解决方案，即自动编程的方案。对于编写好的运动程序，要将其下载到运动控制器中，等待调用。运动程序何时调用、调用哪条程序则完全取决于桁架机械手控制系统所接收到的调度任务，将任务进行分析后迅速调用路径程序，完成码垛；因此需要设计调度管理模块，准确无误地块完成相关工作。

        由于企业现场是 24 小时不间断生产的，所以对设备可靠性要求高，一旦设备出现故障，需要立即定位故障点，并进行维修。针对此，在控制系统软件中必须增加故障报警与工作日志，方便在第一时间定位故障点，以免耽误正常生产。

        通过对现场和企业需求的调研，决定采用的控制方案为：首先通过示教来获取路径信息；然后根据路径信息自动编写运动程序即码垛路径程序，将程序下载到运动控制器中，等待调用；最后由调度模块连接仓库管理系统，接收任务，调用码垛路径程序进行码垛。 故将整个控制系统的设计和开发分为两个方面；一方面为控制系统的硬件设计，主要针对控制系统硬件进行选型、组合以及电气系统设计与安装；另一方面为控制系统的软件设计，主要针对桁架机械手的需求，设计出各个核心软件模块的解决方案。

       由于桁架机械手的控制系统较为复杂，涉及到许多程序算法和数据处理，所以选择了工控机为上位机，以 PMAC 为下位机的控制模式，还需要伺服系统以及输入输出元件。控制系统方案确定后，需要进行控制系统硬件设计，包括硬件系统选型、电气原理图设计、电器柜设计与制作等等。

       对于桁架机械手控制系统的软件设计，主要分为上位机软件和下位机软件两个部分。上位机软件采取模块化编程的思想，将功能需求转化为各个软件模块，然后再对各个模块进行组合调试；主要涉及：通讯模块、手动调整模块、路径示教模块、自动编程模块、调度管理模块和数据库管理模块等。通讯模块主要包括了上位机与下位机之间的网口通讯、上位机与伺服系统之间串口通讯，以及上位机与仓库管理系统之间的网络通讯；手动调整模块主要用于通过上位机控制伺服进行点动或者启用手轮控制伺服进行单轴点动；路径示教模块主要提供用户示教的相关方法和路径数据的存储；自动编程模块主要将路径数据转换为 PMAC 能够识别的运动程序；调度管理模块主要接受调度任务和上报状态信息；数据库管理主要针对路径数据和任务数据进行存储和提取。

      下位机软件主要是基于 PMAC 进行软件设计，需要在研究 PMAC 编程方法的基础上，运用 PMAC 编程语言编写三个部分的程序：运动程序、手轮程序和回零程序。

总结
         本文首先研究了桁架机械手整体结构，以及每个轴的传动方案；然后根据智能仓库现场的需求和企业调研，分析了桁架机械手的总体功能需求；进而提出了以工控机为上位机、以 PMAC 为下位机的控制系统总体方案。

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