码垛机器人控制系统设计.docx
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DesignoftheStackingRobot’scontrolsystem
ABSTRACT
Asthemostimportantdeviceinthemodernstackingsystem,thestackingabilityofthestackingrobotplaysakeyroleinthestackingsystem.Thispaperhasdesignacontrolsystemfora4DOFstackingrobotaccordingtothefunctionneedsofthestackingrobot,atthesametime,thiscontrolsystemalsointegratetheadvantagesoftheprevalentstackingrobot,thiscontrolsystemcontainsthreemodules:
theofflineprogrammingmodule,the3Dsimulationmoduleandthecontrollermodule.
Thispapermainlydiscussesfourparts:
（1）Giveaproposalofthecontrolsystemaccordingtothefunctionneedsofthestackingrobot
（2）Dividethemoduleofthecontrolsystem,andestablishtherelationshipofthemodules.Atthesamerealizethemodules
（3）Dealwiththekeyproblemthatwillmeetintheactualstacking
condition.
（4）Doexperimentsandverifythecontrolsystem.
Experimentsshowthatthiscontrolsystemhasmettherequirementsofthe
II
industryautomationneeds,andimprovetheefficiencyofthestackingprocess.
Keywords:
stackingrobot,off-lineprogramming,teaching,3Dsimulation,xmldocument
III
目录
4
摘要 I
ABSTRACT 2
第一章 绪论 3
1.1课题背景 3
1.2码垛机器人 2
1.2.1国内外码垛机器人发展现状 2
1.2.2码垛机器人控制器发展现状 4
1.2.3码垛机器人控制系统发展现状 6
1.3本文的主要研究工作 6
第二章码垛机器人控制系统方案的建立 8
2.1码垛机器人构成 8
2.2名词解释 11
2.3控制系统需求 12
2.3.1控制系统功能需求 12
2.3.2控制系统技术要求 15
2.4控制方案确定 15
2.4.1当前流行码垛机器人控制方案 15
2.4.2改进前码垛机器人的控制方案 17
2.4.3改进后的控制系统方案 18
2.5控制系统硬件介绍和选取 19
2.5.1运动控制器 19
2.5.2工控机 20
2.5.3PLC 20
2.5.4人机界面 21
2.6本章小结 22
第三章 控制系统具体实现 23
3.1开发环境简介 23
3.1.1上位开发平台visualstudio 23
3.1.2上位开发语言c# 23
3.1.3系统所有文件格式 23
3.2控制系统模块划分 24
3.3各模块界面设计原则 25
3.4系统软件主要模块设计 26
3.4.1原点复位模块 27
3.4.2垛型信息输入模块 28
3.4.3用户坐标系设定模块 30
3.4.4设置模块 32
3.4.5计算模块 36
3.4.6手动示教模块 38
3.4.7修正模块 40
3.4.8通信备份和恢复模块 41
3.4.9故障诊断和报警模块 42
3.4.10多线控制模块 43
3.5控制器模块的实现 44
3.5.1运动控制卡模块 44
3.5.2PLC控制模块 48
3.6仿真模块 50
3.6.1与离线编程模块之间接口通讯 50
3.6.2仿真模块的介绍 51
3.7本章小结 52
第四章实验与分析 53
4.1实验条目 53
4.2实验方案 53
4.3实验结果 54
4.4本章小结 56
第五章全文结论 57
5.1结论 57
5.2以后工作展望 57
参考文献 58
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 61
致 谢 62
第一章 绪论
1.1课题背景
所谓码垛就是按照集成单元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物垛实现物料的存储、搬运、装卸运输等物流活动[1]。
码垛有人工码垛和自动码垛之分。
80年代前，码垛工作都是由人工堆垛，人工码垛主要应用在物料轻便、物料轻便、尺寸和形状变化大、吞吐量小的场合。
当码垛吞吐量在10件/min以上，人们采用一些自动码垛方案来提高码垛效率。
自动码垛不仅可以加快物流速度，保护工人的健康和安全而且可以获得整齐一致的物垛，减少物料的损伤，提高叉车的搬运效率，增强处理的柔性。
传统的自动码垛方式主要是为了在吞吐量恒定的情况下，从人机工程学的角度考虑，为了减轻工人在长时间地进行人工码垛作业时的弯腰疲劳和重复劳动疲劳，增加一些符合人机工程学方面的设施，例如托盘操纵机、剪式升降台、工业操作机械手等。
随着现代化的进程，人们对包装速度的要求越来越高。
传统的简单的自动码垛方式不能满足要求，在线式码垛机逐渐成为码垛系统的主要角色。
在线码垛机在工作时，通过排层输送机成排，之后，通过一定的装置将成层物料叠放在托盘上或其他层料上。
根据进料位置的高低，可将在线式码垛机分为高位式和低位式两种[2]。
在线式码垛机以其高速处理能力而著称，随着技术的进步，在线式码垛机的吞吐量不断提高，其向高速化方向发展，例如美国哥伦比亚机械公司生产的型号为QBR200的高位高速码垛机，处理能力达40件/min。
通过增加编层和编垛模块，可以实现对更多种产品的同时处理。
作为物流自动化领域的一门新兴技术，近年来，码垛技术获得了飞速的发展。
不管是人工码垛，还是传统的自动码垛技术和在线式码垛机均无法满足现代化企业多品种少批量的产品码垛要求，即缺乏处理多种产品的能力；另外，随着大型物资批发配送中心的出现，需要为成千上万的用户按定单配送产品，这就要求码垛机具有混合码垛的能力，所有这些，都为机器人码垛机的发展提供了机会，继70年代末日本将机器人技术用于码垛工艺以来，机器人码垛机的研究开发获得了迅速的发展，
柔性、处理速度以及抓取重量不断提高，价格不断下降。
近来，机器人码垛技术发展甚为迅猛，这种发展趋势是和当今制造领域出现的多品种少批量的发展趋势相适应的，机器人码垛机以其柔性工作能力和小占地面积，能够同时处理多种物料和码垛多个料垛，愈来愈受到广大用户的青睐并迅速占据码垛市场。
[3][4]机器人码垛机富有柔性，被广泛用于码垛作业中，机器人技术在码垛领域中的应用，主要表现在以下几个方面[5]：
（1）适应性强，机器人码垛机只要更换抓手就可以处理不同种类的产品。
（2）智能程度高，机器人码垛机可以对到来的物料进行识别，然后，码垛机根据识别信息将物料送往不同的托盘上。
（3）操作范围大机器人码垛机本身占地面积小，操作范围大，可同时处理多条生产线上的产品。
本论文就是在基于机器人技术在码垛中的应用，在国家863项目支持下，结合目前流行的运动控制系统和国内外码垛机器人的控制，为沃迪码垛机器人开发设计的通用码垛机器人控制系统，该机器人是国内首个产业化的通用码垛机器人。
1.2码垛机器人
机器人码垛系统可以看作是一个输入输出系统，从一条或多条流水线上输入物品然后将它们抓取放置到托盘上预先设置或计算好的地点，最后输出成品垛。
基本的计算能力，加上可集成传感器来识别产品的变化，使机器人码垛系统成为一个智能系统，能识别和区分出多种产品；一台码垛机器人能让多条生产线实现自动化，机器人码垛系统能识别和处理多种产品。
1.2.1国内外码垛机器人发展现状
在国内，我国尚无通用的码垛机器人，主要还是以上述介绍的传统的码垛机为主，研究机器人码垛机的单位主要有哈工大机器人研究所和上海交通大学机器人研究所。
哈工大机器人研究所多年前就研制了机器人码垛机，成功地应用在全自动包装码垛生产线上，取得了良好的经济效益和社会效益。
他们采用双自由度的笛卡尔坐标式机器人码垛机并结合编组机，通过一次抓取两袋或三袋，实现了800袋/h的工作能力。
上海交通大学机器人研究所从事的高速码垛技术的开发研究，取得了重要进展。
上海交通大学与上海沃迪科技有限公司合作开发的TWPR系列码垛机器人的处理能力达到1000袋/小时。
此外天津大学机械学院和北京航空航天大学的机械
62
学院也正在从事码垛技术的开发研究。
图1.1 TWPR系列码垛机器人Fig1.1TWPRStackingrobot
目前欧美日码垛机器人在码垛市场的占有率达到了百分之九十多，绝大数码垛作业由码垛机器人完成。
现在，市场上码垛机器人主要有日本的Fuji[6]，瑞典的ABB，德国的库卡等。
目前，日本已产品化的搬运码垛机器人，最大搬运重量可达300kg，最大工作半径2.5m，最大运动速度0.2m/s，重复定位精度±0.5mm。
德国库卡公司成立于1898年，自1977年开始系列化生产各种用途的机器人，至今已经生产并在世界各地交付使用了超过8万部机器人，是目前国际上最大的机器人制造商之一
[7][8][9][10]。
在Interpack展会上，ABB推出了新的第二代码垛机器人，据称该机相比
以前型号，它的操作区域更大、速度更快。
该IRB660码垛机器人可以操作到3.15米远的产品，有效负载为250kg，而且可以跟踪正在移动的箱子，在不需停机的情况下就可以完成箱子的码垛工作[11]。
图1.2 FUJI码垛机器人 图1.3 KUKA码垛机器人
Fig1.1FUJIStackingrobot Fig1.3KUKAStackingrobot
图1.4 ABB码垛机器人Fig1.4ABBStackingrobot
和国外相比，国内的码垛技术还存在很大的差距，目前，日本、美国、德国、英国等发达国家的自动码垛技术己经发展到了相当高的水平，码垛机的吞吐量在不断地提高，机器人码垛机的柔性、处理速度以及抓取载荷在不断地升级，应用场合在不断地扩大[12][13][14][15]。
在不断地缩短同国外技术水平差距的道路上，我国的科技工作者和广大的技术工程人员还有许多工作要做。
1.2.2码垛机器人控制器发展现状
由于市场上码垛机器人主要是日本的Fuji，瑞典的ABB、德国的库卡码垛机器
人，他们的码垛机器人控制器主要是用的专用机器人控制器如RC5，KRC2等。
其中RC5是ABB第五代机器人控制器[16]。
该控制器采用模块化设计。
关于RC5的性能如下表：
表1.1 RC5控制器性能
Table1.1FeatureoftheRC5controller
控制软件
多处理系统
PCI总线Pentium®CPU
大容量存储用闪存或硬盘
备用电源，以防电源故障
USB存储接口
控制硬件
对象主导型设计
高级RAPID机器人编程语言可移植，开放式，可扩展PC-DOS文件格式
RobotWare软件产品
预装软件，也可由光盘提供
KRC2[17]是kuka码垛机器人控制器。
其特点为：
（1）具有联网功能的开放式PC技术
（2）用于连接外轴的双插槽
（3）常规的CAN/DeviceNet和以太网，并装有公共总线的插槽（如：
INTERBUS-S,FIPIO）
（4）运行功能覆盖函数可计算出发动机和速度的最优配合
（5）软盘和CD-ROM数据备份
（6）装有通过网络进行远程诊断的设备
（7）操作便捷，由KCP/Windows95使用者图像界面编拟的程序
（8）KCP人机控制设计
可以看出，当前码垛机器人控制器的共同特点是其主要的控制硬件是多任务处理系统，支持多种总线接口如PCI，CAN，同时具有大容量存储用闪存，其控制软件都具有可移植性，开放性，可扩展性。
1.2.3码垛机器人控制系统发展现状
这些年来，码垛设备经历的几次较大的变革，来跟上供应链不同部分的不同需求。
新式人机界面和控制器正在改变传统机器人码垛机，这些控制器更快速、灵活、通用性强，使码垛系统可以处理不同尺寸的箱子、托盘格式和产品层。
这种计算机化的控制器还增强了数据收集和报告能力。
实时生产报告、警告报告和停机报告是客户用来改进其生产应具备的几个基本性能，其他的信息，如小时产量报告则对供给链来说具有重大意义。
很多这类码垛系统还提供了机器的全部图表和操作手册，这让操作人员在面临故障时能够轻松简单搞定，而不用再劳烦设备供应商了。
目前，比较有代表性的码垛机器人控制方式主要有[18]：
（1）基于PLC的控制系统
基于PLC的控制系统，其主要构成是以PLC控制器为核心，运用其强大的IO功能，完成其与HMI（人机接口）的通信，其主要优点是编程比较简单，对使用者的要求不高，且其抗干扰能力比较强大，运行非常稳定，主要缺点是不能实现通用化，其灵活程度不高。
（2）基于PC控制系统
基于PC的控制系统是主要由计算机（一般是工控机）完成主要的算法和码垛机器人运动路径规划以及结合运动控制器来控制电机运动，由于基于PC机，故可以可使用高级语言编程，其灵活性比较高，可完成比较复杂的控制功能，其缺点是开发周期比较长，且对开发者要求比较高。
1.3本文的主要研究工作
在本文中，我们开发的码垛机器人控制系统，其既借用了普通工业机器人的优点，又针对专用码垛机器人的技术特点进行了研究，开发了通用的码垛机器人控制系统，满足了工业自动化的需求，大大缩小了在同等条件下与国外的通用码垛机器人码垛水平的差距。
本文以码垛机器人系统为研究对象，在上海沃迪科技有限公司和国家863计划资助下，探讨和研究了码垛机器人控制系统，包括控制系统硬件选择和软件的设计开发，利用工控机和运动控制卡和PLC，HMI实现了控制系统，整个系统通过HMI进行人机交互，工控机完成核心算法且与PLC和运动控制卡不断通信，控制软件在
VisualStudio平台上进行编写，此系统包括离线编程系统和3D仿真模块，并且进行3D无缝集成，由于存在3D仿真的显示，故存在另一台显示器与工控机进行连接
显示，控制系统可在实际环境中和虚拟环境中进行验证，实验证明，该系统已经满足工业自动化的要求。
全文编排如下：
第一章阐述课题的研究背景和意义，并综述国内外相关领域的研究概况，并提出主要研究内容；
第二章对码垛机器人机构进行介绍并对码垛机器人功能需求进行分析，确定码垛机器人控制系统的方案；
第三章主要介绍介绍控制系统具体实现；
第四章实验分析，包括与3D仿真端的虚拟仿真和实际情况中的联调的情况；第五章汇总全文，并得出主要结论。
第二章码垛机器人控制系统方案的建立
2.1码垛机器人构成
如图是上海沃迪科技有限公司设计的码垛机器人构成：
图2.1码垛机器人构成
Fig2.1MechanismofStackingrobot
该机器人有四个关节，其四个自由度分别由四个交流伺服电机驱动，其中，B轴，C轴分别控制机器人的上下运动和前后运动，其每个电机控制同步带轮来控制滚珠丝杠，从而带动滑块来实现机器人的上下或者前后运动，此种设计可以满足驱动大惯性负载和快速运动，精确定位的要求。
同理A轴控制机器人腰部旋转，和D轴控制手爪也是如此。
表2.1 码垛机器人构成介绍
Table2.1Introducingoftherobot
轴
NO
构成
B
1
交流伺服电机
2
同步带轮
3
滚珠丝杠
4
直线导轨
5
B轴
C
6
交流伺服电机
7
同步带轮
8
滚珠丝杠
9
直线导轨
10
C轴
A
11
交流伺服电机
12
同步带轮
13
滚珠丝杠
14
直线导轨
15
A轴
D
16
交流伺服电机
17
摆线减速箱
18
D轴
各个轴之间的行程范围如图所示：
表2.2 码垛机器人行程范围
Table2.2RangeofStackingrobot
轴号
范 围
A
0~330度
B
0~1200mm
C
0~1300mm
D
0~330度
其转速传递参数如下表所示：
表2.3码垛机器人转速传递参数
Table2.3TransferParameterofStackingrobot
减速机速比
主动齿轮数
从动齿轮数
丝杆导程
机身旋转
119
28
48
上下方向
1
26
84
12
前后方向
1
24
72
10
抓手旋转
81
1
1
该机器人运动关系的分析如下：
如下图所示，设置一个固定坐标系XOY,其随基座一起旋转,当机器人本体处于虚线所示位置时,平行四连杆机构的F0点为坐标系XOY的原点,X轴与A0C0平行.图中,DF=240mm,CD=1080mm,BC=260mm,AB=1170mm,BE=1080mm,DE=260mm
图2.2码垛机器人运动分析
Fig2.2MotionanalysisofStackingrobot
下面分析当水平电机驱动滑块正方向移动x，垂直电机驱动滑块正方向移动y
时，码垛机器人末端的运动规律。
因为D0F=DF=y,D0E=DE+x 则：
θ1=∠D0E0F0
=arctan⎡DF−y⎤
⎣DE+x⎦
（2-1）
D0F+DE
2
2
0
EF= =
（2-2）
（DF−y）2+（DE+x）2
在三角形DEF中，有：
⎡DF2+EF2–DE2⎤
θ2=∠DFE=arccos⎢
⎥ （2-3）
⎣ 2×DF×EF ⎦
⎡DE2+DF2–EF2⎤
θ3=∠FDE=arccos⎢
⎣
⎥ （2-4）
2×DF×DE ⎦
此时C点坐标为：
⎧⎨ xc
=CF×cos（θ1+θ2） （2-5）
⎩yc=y+CF×sin（θ1+θ2）
此时A点坐标为：
⎧xA=xc+AC×cos（π−θ1−θ2−
θ3）
⎨
⎩yA=yc−AC×sin（π−θ1−θ2−
θ3）
将2-5代入2-6，可得：
⎧xA=CF×cos（θ1+θ2）+AC×cos（π−θ1−θ2−
θ⎨3）
⎩yA=y+CF×sin（θ1+θ2）−AC×sin（π−θ1−θ2−θ3）
把所有的变量代入2-7，可解得
⎧⎨xA=864.816+5.5x
⎩yA=2300−4.5y
（2-6）
（2-7）
从运动学分析可以看出，该机器人结构使得机器人运动省略了复杂的合成计算，末端的运动可以直接实现无耦合单轴运动；单独驱动各轴，可直接形成直线或角度旋转。
2.2名词解释
一般来说，机器人码垛系统要比传统码垛系统慢，因为它们一次可能只抓取一个箱子，或是因为它们要同时发挥多个功能。
码垛机器人技术在码垛领域中的应用，主要表现在以下几个方面[20][21]：
（1）一机多产品：
这种情况是指一台码垛机器人处理一条生产线，不过，这条生产线经常变换产品。
（2）一机多盘：
这种情况是指码垛机器人在工作时同时向若干个托盘垛料，托盘分布包括两种情况，一是圆周分布，二是两侧并排分布。
这种分布用于空间受限的情况，码垛机器人抓起物料，将物料送往相应的托盘上。
不管是第一种情况还是第二种情况，既以处理同一种物料，也可以处理不同的物料，在对不同物料进行处理时，首先必须对到来的物料进行识别，然后，码垛机器人根据识别信息将物料送往相应的托盘上。
（3）一机多线：
这种情况是指由一台码垛机器人为多条生产线服务，由于要求码垛机器人的活动空间比较大，常常采用龙门架式机器人码垛机，当然，对于两线的情况，如果两线距离较近，也可采用旋转关节式码垛机器人。
这种情况常常用于混合码垛的情况，所谓混合码垛，是指根据用户定单，将不同物料堆放在同一托盘上。
（4）卸垛与码垛：
这种情况是指将两个以上的匀质物垛进行卸垛，然后将卸下的物料码垛在另一个托盘上，以满足用户的要求，由于要求机器人具有较大的活动空间，这种情况一般要求采用龙门架式码垛机器人[22]。
由于本文这种介绍了码垛机器人控制系统，所以需要对码垛机器人在现场中涉及到的一些名词进行解释。
托盘：
托盘（Pallet）是按一定规格形成的单层或双层平板载货工具。
在平板上集装一定数量的单件物资，并按要求捆扎加固，组成一个运输单位，便于运输过程中使用机械进行装卸，搬运和堆存[23]。
流水线：
流水线是在一定的线路上连续输送货物搬运机械，又称输送线或者输送机。
按照输送系列产品大体可以分为：
皮带流水线、板链线、倍数链线、插件线、网带线、悬挂线及滚筒流水线这七类流水线[24]。
垛型：
码垛过程中箱或袋的具体码垛堆放的形式。
层数：
一个垛的高度与单层高度的倍数。
步数：
相对于层的叫法，即每层中物件的个数。
2.3控制系统需求
2.3.1控制系统功能需求
据工业现场要求，要求码垛机器人控制系统能完成如下主要功能：
（1）自动复位要求
机器人运动的情况下，机器人要运动到堆垛位和抓取位，其中的坐标点必须有一个参考系，并且，在系统断电的时候，为防止系统丢掉原点信息，以及当系统以外停机或发生故障
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