码垛机械手数控系统简单应用
温玉堃
（1.唐山首信自动化技术有限责任公司河北唐山 063000）
摘要：针对码垛人力资源紧张，引入自动码垛机械手，此系统全国产化，由一台WINCE6.0的显示屏一体机为主机，JAVA为程序语言编写，以EtherMAC为基础通讯协议，通讯稳定，系统良好，在电机选取上为安川电机和电机伺服驱动器控制运行，多次测试下反映良好，小模块E-LINK通讯器稳定，经多次硬件和软件调试改造，其工作方式、软硬件控制方式，通过样机试验，验证后控制性能、工作效率、稳定性符合工艺要求。
关键词：码垛机械手；驱动器；伺服电机；性能试验
0引言
硫铵自动包装线由国产码垛机，该码垛机属四度坐标机械手，柱面坐标机械手的空间位置机构由旋转基座（B轴）、垂直移动（V轴）和水平移动（H轴）以及前端抓取旋转轴(P轴)构成，动作空间成圆柱形。
由4个电机控制四个自由度，在使用过程中运行平稳，满足包装机出料速度。
1硬件系统
1.1 机械手硬件
如图1所示，机械手机械示意图，H轴（水平导轨）、V轴（竖直导轨）、B轴（底座旋转，水平导轨）、P轴（手抓旋转前端法兰盘），通过四轴联动，完成工作空间内的抓放操作。
驱动器和电机为安川提供，其主要特点：1、
转矩控制、位置控制和速度控制三位一体，
控制方位切换采用参数设定切换。
2. 主控
回路分离布线，在控制器上直接设定，减
少了配线，这些都使配线、更换更加简单
方便。
3高速高精度，采用高分辨率的编
码器（16位、17位），提高了位置控制精
度。
采用d-p轴变换电流控制法，将转矩
控制精度从±5%提高到±2%。
图1 机械手机械示意图
机械手夹爪安装在机械臂的前端法兰
盘，它由2个气缸控制抓取和放卸，
光电开关用于检测入料到位，码垛舵盘
位置到位，其信号传入以太网I/O模块中。
1.2 通讯电机控制系统
一体机作为工控主机，以太网硬件实现实时
控制的EtherMAC (Ethernet for
Manufacture Automation Control)方案具
有开放性好、硬件标准化，可靠性高，成本
低廉。
采用通用网卡，适合于I/O类接口（几
毫秒到十几毫秒响应周期），应用于运动控制，在采用标准Windows CE6平台下，可实现1ms的插补周期，还引进德国3S公司的Codesys编程平台，采用IEC61131-3软PLC、软运动控制编程语言，方便系统集成商、现场工程师结合特有的工艺需求开发有个性化的特色产品。
系统选用1个15寸工控机，4个太网单轴接口小模块e-link，两个IO接口板，
其中e-Link接口板使用50针接口与伺服驱动器相连，实现对驱动器的控制。
四个
e-Link接口板按照水平运动、竖直运动、底座旋转、手爪旋转的顺序分别连接到伺
服电机驱动器的CN1端口，通过CN1端口的信号实现对伺服电机位置模式的控制。
e-Link接口板的基本功能是接收计算机发出的控制指令并将指令转化为对电机的
控制信号发送给伺服电机驱动器，同时接收伺服电机驱动器返回的伺服电机上面的
编码器的数值、机械手的限位状态和零位传感器返回的信号来判断机械手的工作状态。
两个IO接口板均为8入8出控制板，用来接收托盘信号、入料信号、区域检测信号、复位信号等传感器的信号，并且输出控制信号，例如：控制气缸开合。
两个IO接口板剩余的接口可以作为其他扩展信号的输入输出点，同时在输入输出点不足的情况下亦可以增加IO接口板来扩展输入输出点。
系统e-link接口板硬件结构图所示：
3 软件系统
软件系统优点如下：
1. 能够实现单条流水线下的多种码垛方式的控制和双流水线下两条流水线分别码垛的控制方式。
并且在编写程序的过程中考虑对流水线个数的扩展，能够轻易的添加新的流水线。
2. 建立两套坐标系：机械手坐标系和世界坐标系。
根据机械手运动学正逆解使坐标系之间能够相互转化，能够根据输入的世界坐标系中的信息计算出机械手坐标系下的码垛点。
这样将机械结构模型引入到控制当中，使得示教过程简单，运动精确，
3. 通过改进轨迹规划算法，能够在负载50kg的情况下达到每小时600次以上的码垛效率，机械手运动过程中运动轨迹流畅，机械手稳定性好，重复定位精度高。
4 性能试验
在机械手运行过程中，对机械手的一个从流水线到码垛点的运动过程进行了测试，测试结果如图5所示。
其中，四个轴均是按照S曲线进行规划并运动的，整个
运动过程各电机轴运动平稳、流畅，获得了良好的效果。
上下运动轴在整个运动过程中有两个运动，分别是上升和下降过程。
其他三个运动轴则分别只有一个运动过程。
并且在运动过程中水平轴、底座旋转轴和手爪旋转轴三个运动是同步的，同时启动并且同时停止。
而上下轴则与其他三个轴的运动有很大的重叠。
机械手在单条流水线
码垛的情况下能够达到实
际700袋/小时的码垛效
率，而在双流水线码垛时，
工作效率可以达到600袋
/小时。
能够满足要求。
参考文献
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[4]蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000.
图5 码垛机械手一个运动过程中的速度与时间关系。