基于运动控制器的食品成品箱码垛机设计

吴晓强 黄云战 赵永杰

（1.内蒙古民族大学机械工程学院，内蒙古 通辽 028000；2.云南农业大学工程技术学院，云南 昆明 650201；3.昆明铁道职业技术学院，云南 昆明 650208）

随着食品行业的快速发展，自动码垛作业应用逐渐广泛，码垛机发挥着越来越重要的作用，采用码垛机作业不仅可以提高效率，还可以保障工人人身安全［1］。现阶段码垛效率低下的问题严重制约了中国食品行业物流的发展，使用码垛机可以执行大批量的码垛任务。弥补了人工作业的不足，可以大大降低工人劳动强度、提高生产效率、降低生产成本［2－4］。

现阶段大多数码垛机采用PLC进行控制，但一般PLC用于大型工控场合，用在码垛机上其灵活性相对较差，系统不够稳定、可靠性低，许多功能都用不到，造成资源浪费，性价比很低，不利于码垛机的发展［5－7］。近年来，运动控制器由于其使用方便、通用性好，在自动化控制领域逐渐成为主导产品。使用运动控制器的系统可靠性好、灵活性强、系统可扩展，在应用中可以根据实际需求进行设计使用，避免了资源浪费［8］，本设计采用以运动控制器为核心的控制方式对食品成品箱码垛机进行设计，其自动化程度高、精度高、可靠性好，具有一定的实用价值。

1 系统工作要求及总体控制方案

1.1 码垛机工作要求

码垛机的工作原理为：货盘水平方向或是一定高度之上接收即将进行码垛的成品箱，成品箱从货盘中装入托盘中，组合成一层；接下来码垛机进行第2层成品箱的组合，组合完成后第1层成品箱向下降一层，第2层成品箱放置于第1层成品箱之上，重复上述动作，货盘一层一层下降，直到成品箱码好到指定要求［9］，码好的货盘降到叉车可以运送的高度，运送到指定地点。

码垛机工作要求如图1所示。需要3台伺服电机分别对X、Y、Z3个方向进行驱动，控制3个方向的动作，其中：X方向伺服电机驱动码垛机在“行”方向行走，进行成品箱的推动；Y方向伺服电机驱动码垛机的升降台进行升降动作，将成品箱分层；Z方向伺服电机驱动左右方向的货叉进行相应的工作。

图1 码垛机工作要求Figure 1 The working requirement of stacking machine

1.2 总体控制方案

根据码垛机的工作要求，采用以“PC机＋多轴运动控制器”的方式对该码垛机进行控制，其中控制核心为多轴运动控制器，采取上下位机方式，以PC机作为上位机，多轴运动控制器作为下位机，通过上下位机之间的通讯完成码垛工作。通过人机界面进行码垛机的控制操作以及运行状态的显示。上下位机之间采用标准以太网进行通讯，人机界面与多轴运动控制器之间通过RS232/485标准接口进行通讯，总体控制方案如图2所示，该方案可实现码垛机的工作要求，实现码垛功能。

图2 总体控制方案Figure 2 The overall control scheme

2 硬件设计

2.1 多轴运动控制器

多轴运动控制器一般多基于数字信号处理，具有响应快、精度高、扩展性好的优点。它是控制工作的核心硬件。食品成品箱码垛机所使用多轴运动控制器要求可以与上位机——PC机进行实时通讯，准确快速地将信号发送到伺服电机驱动器，同时对反馈信息进行准确快速的处理，通过上下位机之间的配合实现码垛机的精准控制。通过调研，本设计所采用的多轴运动控制器为英国Trio公司的Trio MC403多轴运动控制器，该控制器可以对3个轴进行控制，其中包括伺服电机，也包括步进电机。同时该控制器还具有以太网、USB、RS232/485等标准接口，开放性较好，可以与多种硬件进行通讯，大大地增加了选择的灵活性。该控制器程序编写使用Trio公司提供的“Motion Perfect V3”，程序编写语言采用Trio公司开发的Trio Basic语言，该语言与Basic语言相似，便于上手。

2.2 伺服系统

伺服系统是码垛机运行的驱动装置，多轴运动控制器通过接收的信息将指令发送到伺服驱动器，伺服驱动器将指令转化为脉冲驱动伺服电机运动。通过对X、Y、Z3个轴的驱动以及与其他硬件的配合实现食品成品箱的码垛工作。伺服控制系统选型主要要考虑负载特性与电机自身特性的匹配。经过选型计算，本设计所采用的伺服系统为施耐德Lexium 05伺服系统，该伺服系统进行精确的位置控制，可以满足码垛机的工作需求。该伺服系统与多轴运动控制器连接见图3。

图3 Lexium 05系列伺服系统与Trio控制器连接图Figure 3 The figure of Lexium 05servo system connected with the Trio controller

2.3 人机界面

人机界面是码垛机操作的控制界面，码垛机要求人机界面可以进行参数的输入与实时显示，以及对码垛机的运动控制。所使用人机界面必须处理速度快，储存量大，交互性好。经过调研，笔者采用屏通人机PL104-VST，人机界面尺寸为10.4寸（800×600）65 536色彩色TFT液晶显示屏，程序内存最大为16MB具有3个标准串行接口，2个USB接口，对人机界面程序的编写可以直接使用屏通公司提供的“触控大师”软件，省去了使用其他程序语言的麻烦。屏通人机与运动控制器的通讯见图4。

3 软件设计

3.1 运动控制模块

码垛机的软件采用模块化设计，分别为I/O模块、运动控制模块、人界模块。运动控制模块是码垛机操作的核心，运动控制模块流程图见图5。

码垛机分为手动控制与自动控制两种操作方式。其中，手动控制时，手按下相应按钮伺服电机即进行相应的操作，手松开后伺服电机停止操作，使用人员可以根据使用需求对其进行灵活的操作；自动控制时，点击开始运行按钮，码垛机系统即可调用相应的子程序，并循环扫描各个I/O接口的状态，通过信息的反馈控制伺服电机进行相应的操作，进行自动码垛。码垛机系统的程序编写界面见图6。上述运动控制程序代码也在下面予以给出，但由于篇幅限制，只能给出部分代码。

图4 屏通人机与Trio控制器通讯图Figure 4 The figure of PL104-VST connected with the Trio controller

图5 运动控制模块流程图Figure 5 Motion control module flow chart

图6 编程界面Figure 6 Programming Interface

3.2 人机模块

人机模块是操作人员与码垛机控制系统进行直接交互的窗口，操作人员根据实际情况通过人机界面输入参数，监测运行状态。人机模块设计的原则是以人为本，必须要减少操作人员的生理和心理负担［10］，根据码垛机工作要求与运动控制模块和I/O模块的设计，编制人机模块界面的一部分如图7所示。该界面主要码垛机的操作，参数的设置与运动状态显示等。

4 结束语

本研究通过 “PC机＋多轴运动控制器”的方式设计了食品成品箱码垛机，可实现食品成品箱的自动码垛，可用于多种食品中。为码垛机的设计提供了一条新的思路。

图7 人机交互模块Figure 7 HMI module

1 李华安.码垛机器人备受物流、食品和石化行业青睐［J］.自动化信息，2013（3）：11.

2 李晓刚，刘晋浩.码垛机器人的研究与应用现状、问题及对策［J］.包装工程，2011（3）：96～102

3 朱学建，马永，冯渝，等.直角坐标机器人瓶坯装箱生产线控制系统［J］.食品与机械，2012，28（6）：1～5.

4 赵伟，梁楠，朱学建，等.基于盐业成品箱的码垛机设计［J］.盐业与化工，2013，42（5）：31～34.

5 董爱梅.基于PLC的聚乙烯包装码垛机控制系统设计［J］.包装工程，2005（1）：39～40.

6 王明武.基于PLC的全自动铝锭码垛机设计［J］.机床与液压，2012（2）：101～103.

7 王平，黄玉志.基于PLC控制的包装码垛生产线的设计［J］.电子设计工程，2011（5）：35～38.

8 吴宏，蒋仕龙，龚小云.运动控制器的现状与发展［J］.机械制造技术与机床，2004（1）：24～27.

9 左青，王贵生.全自动码垛机的应用［J］.中国油脂，2010（2）：66～68.

10 杭久成.浅析数控机床触摸屏人机交互界面设计［J］.机械制造，2008，46（3）：23～26.