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码垛机器人系统.doc
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2023-07-15
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码垛机器人系统.doc
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前言
码垛机器人实质上是一种通用的工业搬运机器人,是物流自动化系统中必不
可少的单机设备。随着国内经济的快速发展,物流自动化技术在国内方兴未艾,拆
垛、码垛机器人在烟草、家电、食品、汽车等。行业的物流工程中具有较大的
应用潜力,因此开发高性能、低成本、具有自主知识产权的拆垛、码垛机器人将
有广阔的市场前景.。依据这种市场特点,我国自主开发了拆垛、码垛搬运机器人,
该机器人为水平多关节四自由度SCARS 机器人,以交流伺服作为驱动方式,在控
制系统的设计上,采用目前最为先进的分布式并行处理结构,而以开放式的DSP
多轴运动控制卡作为核心。控制软件的开发平台采用Windows 2000 ,以面向对象
的VC + + 作为上位系统开发工具,而下位DSP 控制程序用标准C 语言编写.。从
而在硬件和软件上保证了所研制的机器人具有较高的开放性和先进性。
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 。
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lmin 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
业操作机械于等。
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 。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Imin 。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。
伺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:
(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。
码垛机器人电控系统主要是基于 DSP 的伺服运动系统的设计,DSP 芯片也
称数字信号处理器,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器具。
其内部集成了模/数转换、数字输入/输出、串口通信、电机控制 PWM 信号输出
等接口,因此在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用,然而 DSP
和数字处理器已不再局限于这些特殊应用领域,手机、通讯卫星和机顶盒均对
DSP 提出了完全不同的要求和功能
[1]
。此外,一些消费类电子产品(如视频游戏
机)正将一些功能(如音频处理)作为一种数字处理功能增加到系统中,这一多样
化将 DSP 作为一个功能模块集成到系统级芯片中去的趋势仍在继续增长。
电动机的 DSP 控制是电机控制的一个新领域,DSP 型直流位置伺服系统大
都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统,因此在电机的 DSP 控制系统中,
通常存在模拟信号和数字信号,既有连续信号,又有离散信号,而全数字控制
系统则是当前发展的方向。而 DSP 操作运算时只能识别和处理数字量,只能依
次处理,所以 DSP 与外界信息传递和处理总是一个采样过程,电机的 DSP 控制
系统也必然是一种离散系统。
1 码垛机器人系统简介
1.1 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。
1.1.1 伺服技术发展简况
伺服控制技术的发展是和控制理论及控制器件的发展紧密相连,功率驱动
装置的发展历史就是伺服控制技术的历史。世界上第一个伺服系统是美国麻省
理工学院辐射实验室于 1944 年研制成功的火炮自动跟踪目标伺服系统。这种早
期的伺服系统是采用交磁电机扩大机—直流电动机的驱动方式,由于交磁电机
的频率响应差,电动机转动部分的转动惯量及电气时间常数都比较大,因此响
应速度比较慢。
第二次世界大战期间,由于军事上的需要,武器系统和飞机的控制系统以
及加工复杂零件的机床控制系统均提出了大功率、高精度、快响应的系统要求。
首先液压伺服技术迅速得到发展,到了 50 年代末、60 年代初,有关电液伺服计
算的基本理论日趋完善,电液伺服系统被广泛应用于武器、军舰、航空、航天
等军事部门及高精度机床控制,伴随机电伺服系统元器件性能的突破,尤其是
1957 年可控的大功率半导体器件—晶闸管问世,由它组成的静止式可控整流装
置无论在运行性能还是可靠性都表现出明显的优势,二十世纪 70 年代以来,国
际上电力电子技术突飞猛进,推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电
力电子器件,如晶闸管、大功率晶体管、场效应管等。与此同时,稀土永磁材
料的发展和电机技术的进步,相继研制出了力矩电机、印制绕组电机、无槽电
机、大惯量宽调速电机等执行元件,并与脉宽调制式变压器相配合,进一步改
善了伺服性能
[4]
。
控制技术的发展不断对伺服系统的性能提出更高的要求,近年来,随着数
字技术和计算机技术的高速发展,新型传感器件的大量涌现,使得伺服驱动控
制技术有了显著进步。特别是将计算机与伺服系统相结合,使计算机成为伺服
系统中的一个环节,在伺服系统中利用计算机来完成系统的校正、改变伺服系
统的增益、带宽、完成系统管理、监控等任务,使伺服系统向智能化,数字化
的方向发展。伺服控制技术新的发展和变化的主要方面如下:
(1)从直流伺服驱动系统向交流伺服驱动系统的发展趋势
20 世纪以来,在需要可逆、可调速与高性能的电气传动技术领域,相当长
的时期内几乎都是采用直流电气传动系统。随着电力电子学、微电子技术、现
代电机控制理论和计算机技术的发展,为交流电气传动产品的开发创造了有利
条件,使得交流传动逐渐具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等良
好的技术性能,并实现了交流调速装置的产品系列化,由于其良好的技术性能,
取代直流电动机调速传动已是必然的发展趋势。
(2)从模拟伺服系统向数字伺服系统的发展趋势
在我国,数字伺服系统的研究已由实验室研究阶段步入应用阶段,在许多
行业已批量生产,数字伺服系统在大多数应用场合取代模拟伺服系统将是必然
趋势,产生这一趋势的原因如下:自动控制理论和计算机技术是数字伺服系统
技术的两个最主要的依托,自动控制理论的高速发展,为数字伺服系统研制者
提供了实现这些控制规律的现实可能性。以计算机作为控制器、基于现代控制
理论的伺服系统,其品质指标无论是稳态,还是动态都相应达到了前所未有的
水平,比模拟式伺服系统高得多。
(3)从经典传统伺服控制向现代伺服控制的发展趋势
应用经典理论来分析伺服系统,首先必须建立数学模型,但是由于许多因
素难以一一考虑,许多参数难以精确确定,这种数学模型常常不能很好地反映
系统的实际情况,有时甚至会得出错误的结论,60 年代前后发展起来的现代控
制理论适应了计算机的发展,具有许多经典理论难以比拟的优点,现代控制理
论在伺服系统中将得到广泛的应用,如模糊控制,自适应控制,专家控制、最
优控制等先进的控制策略。
(4)高精度发展的趋势
随着伺服控制系统所用的器件的高速发展、先进的控制算法在伺服控制的
应用和位置测量元件的测量精度的提高,使伺服控制系统向高速、高精度方向
发展,以适应现代国民经济的发展要求。
1.1.2 伺服控制的技术特征
伺服控制技术是自动化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个
分支。它经历了发电机—电动机系统、交磁电机扩大机控制、晶闸管控制、晶
体管控制、集成电路控制、计算机控制的发展过程,至今进入了全新的鼎盛时
期。现代伺服控制技术的主要特征为:
(1)全控型电力电子器件组成的脉冲宽度调制技术在伺服系统中广泛应
用。
(2)各种伺服控制元件与线路向着集成化、功能化、模块化、智能化、便
于计算机控制的方向发展。
(3)伺服系统的可靠性设计及自诊断技术伴随着系统功能、性能复杂化程
度的升级而受到人们的普遍重视。
1.1.3 伺服系统的技术要求
(1)系统精度
伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式
表现,可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。
(2)稳定性�
伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后,系统能够恢复到
原来稳定状态的能力;或者当给系统一个新的输入指令后,系统达到新的稳定
运行状态的能力。
(3)响应特性�
响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度,决定了系统的工作
效率。响应速度与许多因素有关,如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质
量等。
(4)工作频率�
工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时,
系统能够按技术要求正常工作;而其它频率信号输入时,系统不能正常工作。
1.2 开环控制与闭环控制
在生产和科学的发展过程中,自动控制起着重要的作用。目前,自动控制
广泛地应用于现代的工业、农业、国防和科学技术领域中。可以这样说,一个
国家在自动控制方面水平的高低是衡量它的生产技术和科学技术水平先进与否
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oligaga
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