袋装水泥装车机器人控制系统设计.pdf

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1、第５期（总第１９８期）机械工程与自动化Ｎｏ．５２０１６年１０月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＯｃｔ．文章编号：１６７２-６４１３（２０１６）０５-０１５２-０４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

2、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＋ＭｏｔｉｏｎＣＰＵ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；运动控制中图分类号：ＴＰ２４２.２文献标识码：Ａ0引言为搬运箱，其初始位置位于托盘５边缘处，托盘５上的目前，袋装水泥的需求量逐年增加，水泥行业包装拨板进行双工位工作，当水泥袋沿斜皮带４下滑时，拨设备已经实现自动化，为提高销量、减小库存，应使水板摆向左侧搬运箱的方向，水泥袋沿拨板方向滑入左

3、泥生产装袋与装车同时进行。目前，水泥包装和传输侧搬运箱，左侧机械手向第１袋位置运动，同时拨板转已经实现了流水线作业，但水泥袋的装车和码放仍需向右侧搬运箱方向，第２袋水泥进入右侧搬运箱，左侧［１］要人工操作，该环节影响了水泥生产的效率。机械手返回的同时右侧机械手向第２袋位置运动，同针对国内水泥生产企业在袋装水泥装车过程中出时拨板再次转向左侧搬运箱方向，如此往复完成一排现的工作环境恶劣、工人劳动强度大、生产效率低等问水泥袋码放。移动天车３在每层码放时沿导轨１保持［２］题，迫切需要与之相配套的自动化装车设备。因此，匀速运动，一层码放完

4、毕，吊架２中的电动缸提升一定结合目前袋装水泥包装运输实际，在现有水泥生产企高度，进行下一层码放。业的装车机的基础上进行设计改造，开发了一种环保、装车机器人在装车过程中通过双串联机械手的协高速、重载、工作空间大的全自动袋装水泥装车机器调动作、天车的往返运动以及斜皮带的上下摆动实现人，并设计出一种自动化程度高、工作运行平稳、操作水泥袋在车厢任意位置的码放，同时满足了对装车机简便的控制系统。高速、重载、工作空间大的要求。1装车机器人工作原理2多项式插值轨迹规划袋装水泥装车机器人机械结构如图１所示，由导假设装车机器人机械手末端在直角坐标

5、系中沿直轨、吊架、移动天车、斜皮带、托盘和机械手组成。线匀速运动，只有轨迹两端的加速度无穷大时才能满［３］足对边界点的速度要求。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１-导轨；２-吊架；３-移动天车；４-斜皮带；５-托盘；６-机械手的线性插值方法中，机械手末端加速度在轨迹的始末图１装车机器人整体机械结构时刻t０和t

6、f，以及过渡点时刻tb和tf-tb均等于零，袋装水泥装车机器人的工作过程为逐排逐层码而且，在抛物线过渡段机械手的末端加速度的方向与放，每排水泥袋码放位置如图２所示。机械手６末端速度方向保持一致，定义末端加速度为：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。２０１６年第５期田雪珂，等：袋装水泥装车机器人控制系统设计・１５３・・・q＝at（tb-t）．（１）・１２１３q＝atbt-at．（２）其中：a为多项式系数。机械手运

7、动的初始条件为，２３・・・１１q０＝０，q０＝０，q０＝０。对式（１）进行积分可以得到机at３４q＝bt-at．（３）６１２械手末端的速度、位移分别为：图２工作空间示意图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：v４v３-３t＋２t０≤t≤tb２tbtb１q（t）＝vtb＋v（t-tb）tb≤t≤tf-tb．（９）２v４v３图３加速度抛物线过渡的线性插值法qf＋２t３b（tf-t）-t２b（tf-t）tf-tb≤t≤tf为保证运动速度在轨迹的任意时刻连续，因此

8、，tb当右侧机械手末端由初始位置运动到第１袋水泥时刻的速度与匀速运动的速度相等，即：位置时，假设机械手末端沿直线进行运动，计算可得运・１３动的位移为３８３ｍｍ，设定运动过程中搬运箱的加速q＝atb＝v．（４）６时间为０．３ｓ，即tb＝０．３ｓ，可以使用加速度应用