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四軸碼垛機械手控制方案
1、碼垛機械手簡介
用于再現人手的的功能的技術裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業生產中應用的機械手被稱為工業機械手。
工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備。工業機械手也是工業機器人的一個重要分支。它的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現在人的智能和適應性。
現代工業機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。此后德國、瑞士、瑞典、日本和中國也著手機械手的研究領域。
垛碼機是專業的自動化搬運碼垛設備，替代人工搬運碼垛，機器人示教操作方法相當簡單，只需定位抓起點和擺放點，兩點之間的軌道全由電腦控制，兩點直線運動，定位十分準確。生產上能迅速提高公司的生產效率和產量，同時能減少人工搬運造成的出錯；機器手碼垛機可全天候作業，配備機器手可替代不少工人的工作量，由此每年能節省幾十萬的人力資源成本，達到減員增效！機械手碼垛機是目前占地最小、效率最高、適應能力最強的碼垛機。
碼垛機械手適應于化工、飲料、食品、啤酒、塑料、空調行業等生產企業；對各種紙箱、袋裝、罐裝、啤酒箱、瓶裝等各種形狀的包裝成品都適應。
機械手的發展是由于它的積極作用正日益為人們所認識,因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發展，并且取得一定的效果，受到機械工業的重視。
2、技術指標（部分數據來源于廠家提供）
（1）抓舉重量 50KG
（2）碼垛次數 1200次/小時
（3）運動軸數 4軸
（4）手臂旋轉角度 300°
（5）手爪調整角度 320°
（6）重復定位精度(單向精度):H.V.B直線軸 ±0.0025 mm
（7）定位精度 ±0.001mm
3、系統方案
3.1系統分析
從機械系統而言，機械手碼垛機的主要由運動單元、驅動系統、控制系統和手爪等輔助器件構組成。如圖示
碼垛機械手從控制角度而言只是點位控制，要滿足高速、高精要求，關鍵是控制系統的高速處理能力和加減速處理方法。采樣時間越短，控制性能越好，但對控制系統的計算能力要求越高，對系統的實時響應能力越快。我們開發的IFSB (Industrial Field Serial Bus)多軸實時同步運動平臺的插補時間在無操作系統的條件下可達1ms，采用實時操作系統可達500us。具有很高的快速響應能力。
IFSB (Industrial Field Serial Bus) 是一種適合于實時高速多軸同步運動控制的網絡總線。在基于標準PC的運動控制器與標準伺服驅動器（模擬或脈沖控制信號可配置）、步進電機驅動器、變頻器、數字I/O、模擬I/O、絕對編碼器以及用戶自己制造的符合IFSB接口的各種設備之間提供一個端口12Mbps的傳輸速率的同步實時連接（系統有四個端口，可提供高達48Mbps傳輸速率的高速同步實時總線），可支持最多達128軸的實時同步運動控制，接口機箱可方便級連，擴展方便；所有信息以數字形式在控制器與設備之間傳輸，支持系統復雜模型的集中控制；硬件實時同步使得通訊周期的最大抖動小于500ns，可滿足高速高精度的控制要求。操作系統支持WINDOWS2000/XP，XP Embedded以及Linux。
3．2系統組成示意圖
3．3系統組成
(1) 觸摸顯示屏
界面顯示，開關機控制，輸入輸出控制，故障報警顯示等所有人機交互工作。
（2） 工控機
電機控制，I/O控制，機械動作的模擬和控制，加工工藝和參數的保存等。
（3） PCI通訊主卡
工控機與總線接口機箱之間的高速通訊，通訊速率可高達12M.
（4） 總線接口卡機箱
總線接口卡機箱是連接上位機和伺服電機等執行機構之間的接口,可以根據具體需求連接2軸伺服電機卡、單軸伺服電機卡、I/O板等各種板卡。
具體到本設備只要連接2片2軸伺服電機控制卡， 1片從通訊卡（包括一個伺服電機控制），1片I/O卡（32路輸入， 24路輸出）。
3.4控制系統軟件功能
界面上顯示設備運行的直觀動態圖,并支持良好的示教功能。
4、設備選型
4．1控制系統硬件
（1）2軸伺服電機控制卡 2片
（2）主通訊卡 1片
（3）從通訊卡 1片
（4）工控機 1臺
（5）15寸液晶觸摸屏 1臺
（6）總線接口卡機箱 1個
（7）I/O控制板 1片
4．2電器系統（用戶自購）
（1） 低壓電器部分：
沒有特殊要求
（2） 伺服電機部分
要求選在動態響應時間盡可能短的進口伺服驅動器和伺服電機，同時電機驅動器要有模擬量和脈沖控制兩種控制方式
5、系統特點
5．1 系統性能強大
IFSB總線控制平臺基于PC控制，具有12Mbps的通訊速率，插補周期為1ms，最小可達500us，可滿足高性能的計算，適合高速高精的控制要求。
5.2 系統穩定可靠
上位機采用標準工控機。所有板卡均采用工業級芯片，工業波峰焊機焊接，產品經嚴格測試，保證工業現場不間斷可靠運行。各類板卡自行設計，擁有自主知識產權，性價比高。已應用于機床、紡織木工設備的控制。
5．3系統便于知識產權保護
各類板卡自主開發,加上上位機程序配合,可以方便實現復雜的運動控制關系，。擺脫傳統運動控制器的束縛和依賴。同時企業可以根據其自身的特點，在此平臺上將自己的專有知識結合進控制系統，開發出專有的運動控制器，形成有自己特色的產品，很難被同行仿造和模仿。對于保護知識產權非常有利，有效提升企業產品的核心競爭力。
5．4開發平臺先進
IFSB實時高速多軸同步運動控制平臺,具有10Mbps的傳輸速率，可支持最多達128軸的實時同步運動控制，同步控制精度小于1?s，在WINDOWS操作系統平臺上無實時擴展時，可實現1ms的控制更新周期。有機地將運動控制與邏輯控制、過程控制融為一體，最大滿足客戶的各種復雜需求。
5．5系統擴展性能好
系統具有軸控和I/O級聯擴展能力，可擴展128個軸和多達2000的I/O點。為外圍軸數及I/O點數的擴展預留充分的空間，便于設備將來的升級換代。
IFSB采用總線型拓撲結構，系統具有對節點的自枚舉、自識別功能，節點的擴展連接非常方便。
5．6系統適合復雜關系控制
系統平臺采用工控機＋通訊卡＋插槽式機箱這種開放式結構，所有信息以數字形式在控制器與設備之間傳輸，支持系統復雜模型的集中控制，構成節點分布，控制集中的通用總線式軟件化智能運動控制平臺，特別適合于控制軸數多、運動關系復雜的各類控制要求。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號