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1 引言

某醋廠灌裝生產(chǎn)線要求裝箱機(jī)器人每次抓住48瓶醋按照一定的運(yùn)動軌跡放在兩個箱子里，由于之前的系統(tǒng)老化經(jīng)常發(fā)生故障滿足不了新的生產(chǎn)要求。本文采用了德國公司生產(chǎn)的同步伺服電機(jī)、伺服放大器開發(fā)了一套新的基于PFOFIBUS的裝箱機(jī)器人控制系統(tǒng)并配備了西門子觸摸屏提供了良好的人機(jī)界面。使系統(tǒng)具有開放性、實(shí)時性強(qiáng)，運(yùn)行和維護(hù)成本低，智能化和自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了生產(chǎn)率。

2 裝箱機(jī)器人工作原理

灌裝生產(chǎn)線上的機(jī)器人運(yùn)行在一個“∩”型的軌道上，如圖1所示。在軌道的兩端各有一個硬限位開關(guān)，保證運(yùn)行的安全性。機(jī)器人有4種運(yùn)行模式尋參考點(diǎn)、自學(xué)習(xí)、手動、自動。自動運(yùn)行模式中，機(jī)器人根據(jù)瓶子是否OK、箱子是否OK，信號自動往復(fù)運(yùn)行于抓瓶子、放瓶子位置。抓瓶子過程中，如果瓶子OK，機(jī)器人就直接走向抓瓶位置，否則機(jī)器人將先走向平衡位置，然后等待直到瓶子。在此過程中機(jī)器人先高速運(yùn)行，在脫離speed3區(qū)時，起動箱子傳送帶，在進(jìn)入 speed1區(qū)時，由高速轉(zhuǎn)為低速，同時停止瓶子傳送帶。放瓶子過程和抓瓶過程相似，但是由于此時機(jī)器人負(fù)重，運(yùn)行分成3段速度，分別是speed1區(qū)低速，脫離該區(qū)起動瓶子傳送帶；speed2高速；speed3再低速，進(jìn)入該區(qū)停止箱子傳送帶。自學(xué)習(xí)模式用于每次換瓶子學(xué)習(xí)抓、放瓶位置學(xué)習(xí)后位置存儲在伺服放大器里，直到下次換瓶手動一般用于排除故障。機(jī)器人的抓頭是真空吸盤式，通過控制電磁閥實(shí)現(xiàn)抓、放瓶子。系統(tǒng)運(yùn)行中，采集現(xiàn)場的一系列光電信號，配合機(jī)器人運(yùn)行，同時還驅(qū)動一些現(xiàn)場設(shè)備如導(dǎo)向斗、擋箱、箱子傳送帶、瓶子傳送帶。

圖1 裝箱機(jī)器人工作原理示意圖

3 系統(tǒng)的硬件組成

根據(jù)灌裝生產(chǎn)線的工藝流程和控制要求我們采用了PROPFIBUS解決方案。整個系統(tǒng)由DP主站從站及現(xiàn)場設(shè)備組成如圖2所示，PROFIBUS主站采用 SIMATIC系列的CPU模塊。它帶有通訊口具有強(qiáng)大的處理能力并集成總線接口裝置。從站有伺服放大器通過總線接口DFP與總線相連，另外現(xiàn)場設(shè)備采用 ET現(xiàn)場模塊，通過IM接口模塊與總線連接。同時還選用了西門子TP觸摸屏可以顯示機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置參數(shù)和手動操作是良好的人機(jī)界面。

圖2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

4 系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì)

SEW系列伺服放大器都集成有兩種標(biāo)準(zhǔn)的串口DP和DR，但是這種串口通信速度相對較慢實(shí)時性差。因此我們加了接口卡。PROFIBUS是目前最成功的現(xiàn)場總線之一，得到了廣泛的應(yīng)用。主站通過不斷給從站發(fā)請求報(bào)文含有控制和設(shè)置信息從站接受報(bào)文，解析地址并與自己的站地址進(jìn)行比較，如果是發(fā)給自己的信息則在規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)響應(yīng)報(bào)文含有狀態(tài)信息等。在此過程伺服放大器還監(jiān)控通訊，如果通訊失敗，伺服放大器將觸發(fā)一個過時響應(yīng)，通知主站重發(fā)信息。響應(yīng)和請求報(bào)文的格式如圖3、圖4所示。

請求報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文的格式相似，是以不同的起始字符來區(qū)分，請求報(bào)文是十六進(jìn)制“02”，響應(yīng)報(bào)文是“1D”。通過不斷循環(huán)地與伺服放大器交換過程數(shù)據(jù)來對伺服放大器進(jìn)行控制。而協(xié)議數(shù)據(jù)單元的格式很多由報(bào)文中的數(shù)據(jù)類型決定�？紤]到本系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們采用一個控制字加兩個過程數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，請求報(bào)文的數(shù)據(jù)協(xié)議由3個字組成，后兩個字是32位的定位位置，控制字的定義如,5所示，其中低字節(jié)的定義是固定的，高字節(jié)是由用戶定義的。

圖5 控制字的定義

同樣的響應(yīng)報(bào)文的數(shù)據(jù)協(xié)議也是有個3字，后兩個字是32位的實(shí)際位置，可以在人機(jī)界面上顯示。狀態(tài)字的定義如圖6所示，其中低字節(jié)是固定的高字節(jié)是由用戶定義的。

圖6 狀態(tài)字的定義

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要包括兩部分：PLC軟件和SEW伺服軟件。PLC編程語言為STEP7，是西門子公司開發(fā)用于—的編程語言�？梢栽赪INDOWS環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，有硬件配置和參數(shù)設(shè)置，編程，通信協(xié)議，測試、啟動和維護(hù)、操作、診斷等功能。SEW有專用的MOVITOOLS軟件提供設(shè)置參數(shù)、診斷、IPOS程序編譯器等功能。伺服系統(tǒng)構(gòu)成速度、位置雙閉環(huán)控制如圖7所示。由于機(jī)器人運(yùn)行在“∩”軌道上各段受力不同，為了平衡受力，抓、放瓶過程分成多段速度。位置、速度調(diào)節(jié)器都是PI調(diào)節(jié)，為了消除抓、放瓶過程中可能出現(xiàn)的抖動，采用在不同的速度段引人不同的PI參數(shù)。

圖7伺服雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

每次系統(tǒng)開機(jī)時裝箱機(jī)器人(http://www.cartoner.com.cn/)控制系統(tǒng)都會按照上一次的抓、放瓶位置進(jìn)行正常運(yùn)行。但當(dāng)瓶子的大小、形狀改變時，需要重新確定抓瓶放瓶的精確位置。自學(xué)習(xí)模式就是在每次換瓶時學(xué)習(xí)抓瓶放瓶的位置一次以后，系統(tǒng)就能自動記住學(xué)習(xí)出的位置，直到再次換瓶子。點(diǎn)動中當(dāng)按下“抓瓶點(diǎn)確認(rèn)”鍵，程序首先判斷當(dāng)前位置是否在自學(xué)習(xí)區(qū)域，如在即把當(dāng)前位置記下并在觸摸屏上顯示成功信息，如不在則在觸摸屏上顯示不在區(qū)域，并繼續(xù)點(diǎn)動等待再次確認(rèn)。隨后繼續(xù)點(diǎn)動以相似方式學(xué)習(xí)放瓶位置，學(xué)習(xí)完成自動退出自學(xué)習(xí)模式。其流程如圖8所示。

圖8自學(xué)習(xí)模式流程圖

自動模式流程圖見圖9。在自動運(yùn)行模式中機(jī)器人根據(jù)瓶子是否OK、箱子是否OK信號自動往復(fù)運(yùn)行于抓瓶子、放瓶子位置，不OK則到平衡位置等待直到。抓瓶子過程中，如果瓶子OK，機(jī)器人就直接走向抓瓶位置，否則機(jī)器人將先走向平衡位置，然后等待直到瓶子。在此過程中機(jī)器人先變PI參數(shù)，高速運(yùn)行在進(jìn)入 speed2區(qū)時，起動箱子傳送帶在進(jìn)入speed1區(qū)時，由高速轉(zhuǎn)為低速，并變PI參數(shù)，同時停止瓶子傳送帶當(dāng)?shù)轿恍盘柕絼t抓瓶。放瓶子過程分成3段速度，先是低速并變PI參數(shù)，當(dāng)進(jìn)入speed1區(qū)低速起動瓶子傳送帶并變PI參數(shù)；speed3區(qū)再低速停止箱子傳送帶并變參數(shù)。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)成功地開發(fā)了一套基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的裝箱機(jī)器人控制系統(tǒng)。選擇了功能強(qiáng)大的伺服放大器和SEW伺服電機(jī)，增量式編碼器（旋轉(zhuǎn)變壓器）使機(jī)器人定位準(zhǔn)確�，F(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備和主控通過總線通訊使系統(tǒng)實(shí)時性強(qiáng)提高了系統(tǒng)可靠性。西門子觸摸屏可以方便地顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置參數(shù)和操作。系統(tǒng)自安裝以來運(yùn)行良好抓、放瓶子過程平穩(wěn)無抖動大大提高了灌裝生產(chǎn)線的自動化水平。

參考文獻(xiàn)：