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1 引言
某醋廠灌裝生產線要求裝箱機器人每次抓住48瓶醋按照一定的運動軌跡放在兩個箱子里，由于之前的系統老化經常發生故障滿足不了新的生產要求。本文采用了德國公司生產的同步伺服電機、伺服放大器開發了一套新的基于PFOFIBUS的裝箱機器人控制系統并配備了西門子觸摸屏提供了良好的人機界面。使系統具有開放性、實時性強，運行和維護成本低，智能化和自動化程度高等優點，大大提高了生產率。
2 裝箱機器人工作原理
灌裝生產線上的機器人運行在一個“∩”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，保證運行的安全性。機器人有4種運行模式尋參考點、自學習、手動、自動。自動運行模式中，機器人根據瓶子是否OK、箱子是否OK，信號自動往復運行于抓瓶子、放瓶子位置。抓瓶子過程中，如果瓶子OK，機器人就直接走向抓瓶位置，否則機器人將先走向平衡位置，然后等待直到瓶子。在此過程中機器人先高速運行，在脫離speed3區時，起動箱子傳送帶，在進入 speed1區時，由高速轉為低速，同時停止瓶子傳送帶。放瓶子過程和抓瓶過程相似，但是由于此時機器人負重，運行分成3段速度，分別是speed1區低速，脫離該區起動瓶子傳送帶；speed2高速；speed3再低速，進入該區停止箱子傳送帶。自學習模式用于每次換瓶子學習抓、放瓶位置學習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。機器人的抓頭是真空吸盤式，通過控制電磁閥實現抓、放瓶子。系統運行中，采集現場的一系列光電信號，配合機器人運行，同時還驅動一些現場設備如導向斗、擋箱、箱子傳送帶、瓶子傳送帶。
圖1 裝箱機器人工作原理示意圖
3 系統的硬件組成
根據灌裝生產線的工藝流程和控制要求我們采用了PROPFIBUS解決方案。整個系統由DP主站從站及現場設備組成如圖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，另外現場設備采用 ET現場模塊，通過IM接口模塊與總線連接。同時還選用了西門子TP觸摸屏可以顯示機器人運行狀態、設置參數和手動操作是良好的人機界面。
圖2 系統的硬件構成
4 系統的通訊設計
SEW系列伺服放大器都集成有兩種標準的串口DP和DR，但是這種串口通信速度相對較慢實時性差。因此我們加了接口卡。PROFIBUS是目前最成功的現場總線之一，得到了廣泛的應用。主站通過不斷給從站發請求報文含有控制和設置信息從站接受報文，解析地址并與自己的站地址進行比較，如果是發給自己的信息則在規定的時間內發響應報文含有狀態信息等。在此過程伺服放大器還監控通訊，如果通訊失敗，伺服放大器將觸發一個過時響應，通知主站重發信息。響應和請求報文的格式如圖3、圖4所示。
請求報文和響應報文的格式相似，是以不同的起始字符來區分，請求報文是十六進制“02”，響應報文是“1D”。通過不斷循環地與伺服放大器交換過程數據來對伺服放大器進行控制。而協議數據單元的格式很多由報文中的數據類型決定。考慮到本系統的特點，我們采用一個控制字加兩個過程數據的結構，請求報文的數據協議由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，其中低字節的定義是固定的，高字節是由用戶定義的。
圖5 控制字的定義
同樣的響應報文的數據協議也是有個3字，后兩個字是32位的實際位置，可以在人機界面上顯示。狀態字的定義如圖6所示，其中低字節是固定的高字節是由用戶定義的。
圖6 狀態字的定義
5 系統軟件設計
系統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，是西門子公司開發用于—的編程語言。可以在WINDOWS環境下實現，有硬件配置和參數設置，編程，通信協議，測試、啟動和維護、操作、診斷等功能。SEW有專用的MOVITOOLS軟件提供設置參數、診斷、IPOS程序編譯器等功能。伺服系統構成速度、位置雙閉環控制如圖7所示。由于機器人運行在“∩”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、速度調節器都是PI調節，為了消除抓、放瓶過程中可能出現的抖動，采用在不同的速度段引人不同的PI參數。
圖7伺服雙閉環控制系統
每次系統開機時裝箱機器人(http://www.cartoner.com.cn/)控制系統都會按照上一次的抓、放瓶位置進行正常運行。但當瓶子的大小、形狀改變時，需要重新確定抓瓶放瓶的精確位置。自學習模式就是在每次換瓶時學習抓瓶放瓶的位置一次以后，系統就能自動記住學習出的位置，直到再次換瓶子。點動中當按下“抓瓶點確認”鍵，程序首先判斷當前位置是否在自學習區域，如在即把當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域，并繼續點動等待再次確認。隨后繼續點動以相似方式學習放瓶位置，學習完成自動退出自學習模式。其流程如圖8所示。
圖8自學習模式流程圖
自動模式流程圖見圖9。在自動運行模式中機器人根據瓶子是否OK、箱子是否OK信號自動往復運行于抓瓶子、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，機器人就直接走向抓瓶位置，否則機器人將先走向平衡位置，然后等待直到瓶子。在此過程中機器人先變PI參數，高速運行在進入 speed2區時，起動箱子傳送帶在進入speed1區時，由高速轉為低速，并變PI參數，同時停止瓶子傳送帶當到位信號到則抓瓶。放瓶子過程分成3段速度，先是低速并變PI參數，當進入speed1區低速起動瓶子傳送帶并變PI參數；speed3區再低速停止箱子傳送帶并變參數。
6 結束語
本系統成功地開發了一套基于PROFIBUS現場總線的裝箱機器人控制系統。選擇了功能強大的伺服放大器和SEW伺服電機，增量式編碼器（旋轉變壓器）使機器人定位準確。現場執行設備和主控通過總線通訊使系統實時性強提高了系統可靠性。西門子觸摸屏可以方便地顯示系統運行狀態設置參數和操作。系統自安裝以來運行良好抓、放瓶子過程平穩無抖動大大提高了灌裝生產線的自動化水平。
參考文獻：
利樂包裝箱機主要機構簡介
玻璃瓶碼垛行業的萬能機器人解決方案
昱莊四連桿機器人碼垛機說明
YZ-LP碼垛機說明書
自動裝箱包裝線碼垛部分程序改進
裝箱機復合連桿機構的軌跡及運動特性研究
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