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四軸碼垛機(jī)械手控制方案
1、碼垛機(jī)械手簡(jiǎn)介
用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。
工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。此后德國、瑞士、瑞典、日本和中國也著手機(jī)械手的研究領(lǐng)域。
垛碼機(jī)是專業(yè)的自動(dòng)化搬運(yùn)碼垛設(shè)備，替代人工搬運(yùn)碼垛，機(jī)器人示教操作方法相當(dāng)簡(jiǎn)單，只需定位抓起點(diǎn)和擺放點(diǎn)，兩點(diǎn)之間的軌道全由電腦控制，兩點(diǎn)直線運(yùn)動(dòng)，定位十分準(zhǔn)確。生產(chǎn)上能迅速提高公司的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，同時(shí)能減少人工搬運(yùn)造成的出錯(cuò)；機(jī)器手碼垛機(jī)可全天候作業(yè)，配備機(jī)器手可替代不少工人的工作量，由此每年能節(jié)省幾十萬的人力資源成本，達(dá)到減員增效！機(jī)械手碼垛機(jī)是目前占地最小、效率最高、適應(yīng)能力最強(qiáng)的碼垛機(jī)。
碼垛機(jī)械手適應(yīng)于化工、飲料、食品、啤酒、塑料、空調(diào)行業(yè)等生產(chǎn)企業(yè)；對(duì)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(yīng)。
機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí),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(yīng)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(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。
2、技術(shù)指標(biāo)（部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于廠家提供）
（1）抓舉重量 50KG
（2）碼垛次數(shù) 1200次/小時(shí)
?。?）運(yùn)動(dòng)軸數(shù) 4軸
（4）手臂旋轉(zhuǎn)角度 300°
（5）手爪調(diào)整角度 320°
?。?）重復(fù)定位精度(單向精度):H.V.B直線軸 ±0.0025 mm
?。?）定位精度 ±0.001mm
3、系統(tǒng)方案
3.1系統(tǒng)分析
從機(jī)械系統(tǒng)而言，機(jī)械手碼垛機(jī)的主要由運(yùn)動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和手爪等輔助器件構(gòu)組成。如圖示
碼垛機(jī)械手從控制角度而言只是點(diǎn)位控制，要滿足高速、高精要求，關(guān)鍵是控制系統(tǒng)的高速處理能力和加減速處理方法。采樣時(shí)間越短，控制性能越好，但對(duì)控制系統(tǒng)的計(jì)算能力要求越高，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力越快。我們開發(fā)的IFSB (Industrial Field Serial Bus)多軸實(shí)時(shí)同步運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的插補(bǔ)時(shí)間在無操作系統(tǒng)的條件下可達(dá)1ms，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可達(dá)500us。具有很高的快速響應(yīng)能力。
IFSB (Industrial Field Serial Bus) 是一種適合于實(shí)時(shí)高速多軸同步運(yùn)動(dòng)控制的網(wǎng)絡(luò)總線。在基于標(biāo)準(zhǔn)PC的運(yùn)動(dòng)控制器與標(biāo)準(zhǔn)伺服驅(qū)動(dòng)器（模擬或脈沖控制信號(hào)可配置）、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、變頻器、數(shù)字I/O、模擬I/O、絕對(duì)編碼器以及用戶自己制造的符合IFSB接口的各種設(shè)備之間提供一個(gè)端口12Mbps的傳輸速率的同步實(shí)時(shí)連接（系統(tǒng)有四個(gè)端口，可提供高達(dá)48Mbps傳輸速率的高速同步實(shí)時(shí)總線），可支持最多達(dá)128軸的實(shí)時(shí)同步運(yùn)動(dòng)控制，接口機(jī)箱可方便級(jí)連，擴(kuò)展方便；所有信息以數(shù)字形式在控制器與設(shè)備之間傳輸，支持系統(tǒng)復(fù)雜模型的集中控制；硬件實(shí)時(shí)同步使得通訊周期的最大抖動(dòng)小于500ns，可滿足高速高精度的控制要求。操作系統(tǒng)支持WINDOWS2000/XP，XP Embedded以及Linux。
3．2系統(tǒng)組成示意圖
3．3系統(tǒng)組成
(1) 觸摸顯示屏
界面顯示，開關(guān)機(jī)控制，輸入輸出控制，故障報(bào)警顯示等所有人機(jī)交互工作。
（2） 工控機(jī)
電機(jī)控制，I/O控制，機(jī)械動(dòng)作的模擬和控制，加工工藝和參數(shù)的保存等。
?。?） PCI通訊主卡
工控機(jī)與總線接口機(jī)箱之間的高速通訊，通訊速率可高達(dá)12M.
?。?） 總線接口卡機(jī)箱
總線接口卡機(jī)箱是連接上位機(jī)和伺服電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的接口,可以根據(jù)具體需求連接2軸伺服電機(jī)卡、單軸伺服電機(jī)卡、I/O板等各種板卡。
具體到本設(shè)備只要連接2片2軸伺服電機(jī)控制卡， 1片從通訊卡（包括一個(gè)伺服電機(jī)控制），1片I/O卡（32路輸入， 24路輸出）。
3.4控制系統(tǒng)軟件功能
界面上顯示設(shè)備運(yùn)行的直觀動(dòng)態(tài)圖,并支持良好的示教功能。
4、設(shè)備選型
4．1控制系統(tǒng)硬件
（1）2軸伺服電機(jī)控制卡 2片
（2）主通訊卡 1片
（3）從通訊卡 1片
（4）工控機(jī) 1臺(tái)
（5）15寸液晶觸摸屏 1臺(tái)
（6）總線接口卡機(jī)箱 1個(gè)
（7）I/O控制板 1片
4．2電器系統(tǒng)（用戶自購）
?。?） 低壓電器部分：
沒有特殊要求
（2） 伺服電機(jī)部分
要求選在動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間盡可能短的進(jìn)口伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，同時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器要有模擬量和脈沖控制兩種控制方式
5、系統(tǒng)特點(diǎn)
5．1 系統(tǒng)性能強(qiáng)大
IFSB總線控制平臺(tái)基于PC控制，具有12Mbps的通訊速率，插補(bǔ)周期為1ms，最小可達(dá)500us，可滿足高性能的計(jì)算，適合高速高精的控制要求。
5.2 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠
上位機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)。所有板卡均采用工業(yè)級(jí)芯片，工業(yè)波峰焊機(jī)焊接，產(chǎn)品經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試，保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不間斷可靠運(yùn)行。各類板卡自行設(shè)計(jì)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，性價(jià)比高。已應(yīng)用于機(jī)床、紡織木工設(shè)備的控制。
5．3系統(tǒng)便于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)
各類板卡自主開發(fā),加上上位機(jī)程序配合,可以方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制關(guān)系，。擺脫傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器的束縛和依賴。同時(shí)企業(yè)可以根據(jù)其自身的特點(diǎn)，在此平臺(tái)上將自己的專有知識(shí)結(jié)合進(jìn)控制系統(tǒng)，開發(fā)出專有的運(yùn)動(dòng)控制器，形成有自己特色的產(chǎn)品，很難被同行仿造和模仿。對(duì)于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)非常有利，有效提升企業(yè)產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
5．4開發(fā)平臺(tái)先進(jìn)
IFSB實(shí)時(shí)高速多軸同步運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái),具有10Mbps的傳輸速率，可支持最多達(dá)128軸的實(shí)時(shí)同步運(yùn)動(dòng)控制，同步控制精度小于1?s，在WINDOWS操作系統(tǒng)平臺(tái)上無實(shí)時(shí)擴(kuò)展時(shí)，可實(shí)現(xiàn)1ms的控制更新周期。有機(jī)地將運(yùn)動(dòng)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(fù)雜需求。
5．5系統(tǒng)擴(kuò)展性能好
系統(tǒng)具有軸控和I/O級(jí)聯(lián)擴(kuò)展能力，可擴(kuò)展128個(gè)軸和多達(dá)2000的I/O點(diǎn)。為外圍軸數(shù)及I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展預(yù)留充分的空間，便于設(shè)備將來的升級(jí)換代。
IFSB采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有對(duì)節(jié)點(diǎn)的自枚舉、自識(shí)別功能，節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展連接非常方便。
5．6系統(tǒng)適合復(fù)雜關(guān)系控制
系統(tǒng)平臺(tái)采用工控機(jī)＋通訊卡＋插槽式機(jī)箱這種開放式結(jié)構(gòu)，所有信息以數(shù)字形式在控制器與設(shè)備之間傳輸，支持系統(tǒng)復(fù)雜模型的集中控制，構(gòu)成節(jié)點(diǎn)分布，控制集中的通用總線式軟件化智能運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，特別適合于控制軸數(shù)多、運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜的各類控制要求。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)