? 袋装水泥装车机器人控制系统设计田雪珂，黄金凤，樊鸿伟，刘琬钰 (华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063000) 摘要：针对袋装水泥装车过程中高速、重载、工作空间大等要求，提出一种新型袋装水泥装车机器人机构，研究了装车机的整体运动方案和机械手部分的运动规律，基于多项式插值法对机械手进行了运动轨迹规划，根据其运动轨迹和工作原理设计了相应的控制系统，并进行了装车机械手控制系统硬件组态，搭建了基于三菱Q系列PLC+Motion CPU模块的控制系统。研究了8轴联动的运动控制、连续轨迹控制等技术，开发了装车机器人控制程序，实现了袋装水泥装车机器人的自动控制。 关键词：水泥装车；机器人；轨迹规划；运动控制 0 引言目前，袋装水泥的需求量逐年增加，水泥行业包装设备已经实现自动化，为提高销量、减小库存，应使水泥生产装袋与装车同时进行。目前，水泥包装和传输已经实现了流水线作业，但水泥袋的装车和码放仍需要人工操作，该环节影响了水泥生产的效率[1]。 针对国内水泥生产企业在袋装水泥装车过程中出现的工作环境恶劣、工人劳动强度大、生产效率低等问题，迫切需要与之相配套的自动化装车设备[2]。因此，结合目前袋装水泥包装运输实际，在现有水泥生产企业的装车机的基础上进行设计改造，开发了一种环保、高速、重载、工作空间大的全自动袋装水泥装车机器人，并设计出一种自动化程度高、工作运行平稳、操作简便的控制系统。 1 装车机器人工作原理袋装水泥装车机器人机械结构如图1所示，由导轨、吊架、移动天车、斜皮带、托盘和机械手组成。  1-导轨;2-吊架;3-移动天车;4-斜皮带;5-托盘;6-机械手 图1 装车机器人整体机械结构 袋装水泥装车机器人的工作过程为逐排逐层码放，每排水泥袋码放位置如图2所示。机械手6末端为搬运箱，其初始位置位于托盘5边缘处，托盘5上的拨板进行双工位工作，当水泥袋沿斜皮带4下滑时，拨板摆向左侧搬运箱的方向，水泥袋沿拨板方向滑入左侧搬运箱，左侧机械手向第1袋位置运动，同时拨板转向右侧搬运箱方向，第2袋水泥进入右侧搬运箱，左侧机械手返回的同时右侧机械手向第2袋位置运动，同时拨板再次转向左侧搬运箱方向，如此往复完成一排水泥袋码放。移动天车3在每层码放时沿导轨1保持匀速运动，一层码放完毕，吊架2中的电动缸提升一定高度，进行下一层码放。 装车机器人在装车过程中通过双串联机械手的协调动作、天车的往返运动以及斜皮带的上下摆动实现水泥袋在车厢任意位置的码放，同时满足了对装车机高速、重载、工作空间大的要求。 2 多项式插值轨迹规划假设装车机器人机械手末端在直角坐标系中沿直线匀速运动，只有轨迹两端的加速度无穷大时才能满足对边界点的速度要求[3]。因此，为了避免这种状况的发生，在运动轨迹的起始段和终点段加速度应用抛物线实现过渡，使加速度平稳变化，如图3所示。 图3中，q0和qf是机械手始、末点位移，tb为起点过渡到匀速段的时间点，qb为加速度经抛物线过渡到匀速段的机械手末端位移。在加速度应用抛物线过渡的线性插值方法中，机械手末端加速度在轨迹的始末时刻t0和tf，以及过渡点时刻tb和tf-tb均等于零，而且，在抛物线过渡段机械手的末端加速度的方向与速度方向保持一致，定义末端加速度为：
(1) 其中：a为多项式系数。机械手运动的初始条件为，
(2)
(3)  图2 工作空间示意图  图3 加速度抛物线过渡的线性插值法 为保证运动速度在轨迹的任意时刻连续，因此，tb时刻的速度与匀速运动的速度相等，即：
(4)其中:v为匀速运动时的速度，由式(4)可以求得加速度：
(5) 把式(5)代入式(1)～式(3)，可得过渡段机械手末端的位移、速度和加速度分别为：
(6)
(7)
(8) 加速度应用抛物线过渡的插值方法，其中路径两端的过渡段是对称的，对机械手末端进行全路径规划，得到运动轨迹表达式为：
(9) 当右侧机械手末端由初始位置运动到第1袋水泥位置时，假设机械手末端沿直线进行运动，计算可得运动的位移为383 mm，设定运动过程中搬运箱的加速时间为0.3 s，即tb=0.3 s，可以使用加速度应用抛物线过渡的插值法对其进行轨迹规划。 由tf=1.5 s，tb=0.3 s，qf=383 mm，q0=0 mm，可得水泥装车机械手匀速运动的速度为v=320 mm/s。 应用MATLAB软件对袋装水泥装车机械手末端运动轨迹进行仿真，得到位移、速度和加速度关于时间的函数图像，如图4所示。 图4所示，验证出机械手末端的运动轨迹符合加速度抛物线过渡的轨迹规划的运动规律。通过该图像，可以得到机械手末端在任意位置坐标时的速度值和加速度值。  图4 机械手末端运动函数 3 硬件系统搭建对于袋装水泥装车机器人工业控制系统，采用PLC作为控制器，由于对机械手部分的控制精度要求较高，在工作过程中，需要PLC对数据处理的速度快，实时性好。因此，选用三菱Q系列的Motion控制器进行电气控制，该模块集运动控制和PLC控制于一体，实现高性能运动控制，由PLC CPU进行高速顺序程序处理，由Motion CPU实现高速运动控制，能够达到对装车机的控制要求。该电气控制系统结构原理图如图5所示。 4 软件设计4.1 软件系统构成 袋装水泥装车机器人控制系统软件由PLC CPU的顺序控制程序和运动CPU的运动控制程序两部分构成[4]。 PLC CPU的逻辑顺序控制应用梯形图编写，PLC CPU通过循环扫描在每个扫描周期对内部程序和参数进行自检、I/O刷新、数据通讯等操作。对于装车机器人的控制软件通过模块化编程实现，控制程序由互相独立的不同功能程序块组成，通过主程序调用完成运动控制。通过对控制系统中模块化程序的调用，从而减少扫描周期，并实现对机器人的顺序控制。 图5 电气控制系统结构原理图 依据装车机器人的工作原理，装车控制程序流程图如图6所示。 按照上述流程图编写程序，根据顺序控制程序和运动控制程序，实现了袋装水泥装车机器人装车过程的控制。 运动CPU中的编程形式一般为图形化编程，运动SFC程序中操作顺序或转移控制过程由一系列指示线进行连接，控制各运动模块的运动顺序和运动方式。由于定位控制、数值运算等均可在运动CPU中进行处理，不需要介入PLC CPU，达到了减小运行时间的效果。 根据控制功能需求，PLC顺序控制程序依照装车功能，通过专用语句实现对相应运动SFC程序的调用。4.2 运动控制模块设计 袋装水泥装车机器人的机械手及皮带提升部分共8轴，每轴由一个伺服电机进行控制，在装车过程中，要求各轴间协调顺序动作。Q172CPU能够实现最大8轴的运动控制，但对于一个伺服控制程序块可以进行最多4轴的插补控制[5]。 针对8轴控制系统，以组合方式将电机分配到伺服程序块中。考虑各轴速度和负载惯量的差别，将装车机器人机械手的大臂、小臂和搬运箱3个关节轴设置在一个运动模块中，采用3个伺服运动控制模块，并使用“3+3+2”的组合方式。 在实现袋装水泥装车机器人工作过程中，通过SFC程序流程图中不同伺服运动模块的选择，实现装车机器人各伺服控制部分运动。 4.3 连续轨迹运动实现 在袋装水泥装车机器人各运动控制模块的运动SFC程序中，采用等速控制方式实现在轨迹规划的基础上各轴的连续运动控制。 为了实现袋装水泥装车机器人的运动轨迹连续控制，应用循环指令对轨迹点进行重复控制，本程序中指定10个路径点，在数据寄存器(D0～D799)中存储运动轨迹中各点的位置和速度参数。机械手大臂关节和小臂关节两轴进行插补运动的伺服控制程序如图7所示。 5 总结通过对装车机的功能需求分析，基于高速、重载、工作空间大等要求，提出了移动天车与双串联机械手组合联动的袋装水泥装车机器人整体结构方案。采用抛物线过渡的多项式插值法对机械手的运动轨迹进行规划，确定了控制系统的定位参数。根据控制需求，进行了装车机械手控制系统硬件组态，在对装车机器人装车过程整机控制分析的基础上开发了装车机器人控制软件，实现了各轴间运动顺序协调和袋装水泥装车机器人装车过程的控制。 图6 装车控制程序流程图 图7 伺服程序控制模块 参考文献： [1]刘进.浅谈水泥装车机电气方面的改造[J].城市建设理论研究,2013(21):2095-2104. [2]陈方.袋装物料机械化装车系统研制[D].武汉:武汉工程大学,2012:1-3. [3]刘广志.机器人搬运袋装物料的运动轨迹分析[D].济南:济南大学,2009:30-39. [4]李太胜.基于PLC控制的工业机器人系统的研究与实现[J].中国高新技术企业,2014(10):26-27. [5]李九良.卫生陶瓷施釉机器人系统的控制技术研究[D].西安：陕西科技大学,2012:28-32. Design of Control System for Cement Loading RobotTIAN Xue-ke, HUANG Jin-feng, FAN Hong-wei, LIU Wan-yu (College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China) Abstract：In view of the demands of high speed, heavy load and large work space, a new type of bagged cement loading robot mechanism is put forward, and the overall movement scheme of the loading machine and the manipulator movement pattern are investigated. The polynomial interpolation method is used to plan the motion trajectory of the robot manipulator. According to the motion trajectory and working principle, the corresponding control system is designed. The control system uses PLC as the core, the hardware configuration of the control system of the manipulator is carried out; a control system based on MITSUBISHI PLC+Motion series CPU Q module is build. The motion control and continuous path control of the 8 axis linkage are studied, and the control program is developed. The design of the robot control system of bag cement loading is realized. Key words：cement loading; robot; trajectory planning; motion control 文章编号：1672- 6413(2016)05- 0152- 04 收稿日期：2016- 01- 21； 修订日期：2016- 07- 23 作者简介：田雪珂(1990-)，女，河北廊坊人，在读硕士研究生，主要从事机器人技术方向的研究。 中图分类号：TP242.2 文献标识码：A |
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