基于三轴控制器校重机器人的研究设计

林元文

【摘 要】调研了企业目前在电子衡器校重领域的实际应用情况，在总结人工采用砝码对电子秤进行校重的工作流程的基础上，提出了一种基于三轴运动控制器进行自动电子秤校重的校重机器人的设计。分析了基于三轴控制器的校重机器人的性能需求，基于工程化的理念分析了应用三轴运动控制器进行机械手运动与搬移的性能优势与实现方案，同时选用了电子吸盘实现了校重砝码的抓取与放置。基于三轴控制器的校重机器人属于典型的机电技术结合产品，通过控制器的实时有效控制与滑轨等运动传动装置的作用，校重机器人实现了对人工搬运砝码工作过程的自动化，有效提升了企业的生产效率，降低了企业的用工成本。结论表明，基于三轴控制器的校重机器人研究设计具有重要的理论意义与实践推广价值。

【关键词】三轴控制器；校重；砝码；电子秤；研究

中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）31-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.011

0 引言

目前工业自动化改造对于降低企业的劳动力成本，提升企业的生产效率都具有不可或缺的重要意义。全球主要国家都针对工业自动化与智能化提出了设想，如美国的工业互联网与德国的工业4.0，我国则提出了中国制造2025的概念。但是目前国内的部分中小型企业由于技术与资金等方面的问题，仍然广泛采用传统的手工为主的流水线进行生产。如G公司主营产品电子秤在出厂之前都需要进行校重，其方案就是由人工将不同质量的5个砝码（1KG-20KG）在秤体的五个不同位置（中心点与四个角）进行测试，验证秤体的准确度。长期搬运砝码进行校重，工人劳动强度较大，同时也存在着效率低下等方面的现实问题。根据这样的情况进行了基于三轴控制器校重机器人的研究设计。

1 功能确定

校重机器人的主要功能就确定为砝码的自动抓取与释放，砝码自动搬移到指定的位置，并实现整个工作流程的不断循环。控制方案确定为顺序线性的执行，设计要点就是控制器对机械运动路径的规划与运动点坐标控制精度、抓取的有效性与稳定性等方面的内容。

为了能够保证产品的实际应用，同时确定了以下几个方面的功能。首先就是产品要能够根据测试不同电子秤机型，产品要能够方便进行在线编程，进行运动参数的重新设置；同时考虑到设计的生产过程，产品要具有急停等功能按钮。

2 系统硬件设计

2.1 总体设计

校重机器人属于典型的机电结合的产品，在硬件电路设计中主要有控制器、电磁吸盘、伺服电机、电机驱动器、开关电源等电类组件，同时也具有滚珠丝杆、联轴器、滑轨等机械类构建，以三轴控制器作为控制核心，实现在X、Y、Z三个方向的移动控制，并实现对不同砝码的抓取与放置，完成对电子秤的自动校重工作过程。系统的硬件结构图如图1所示。

2.2 控制器

对于校重机器人控制器的选择方面，研究分析了控制的要求以及工程特性，没有采用价格昂贵的PLC控制器，选择使用了PMC（Programmable Motion Controller）可编程运动控制器。PMC集成了PLC与运动控制器双重功能，控制简单便捷，编程方便简易。过程控制方式的编写方式，所见即所得。控制器本身采用高性能32位CPU，驱动装置采用高精度步进电机或者交流伺服电机，配备可以外接的显示器。该系统具有可靠性高，精度高，噪音小，操作灵活等特点。。本设计中采用的是ROLLON可编程三轴运动控制器SGRL-PMC-3，可以控制三个电机运动，可实现点位、连续、联动等功能。具有循环、跳转等功能，同时可以连接电脑软件，实现电脑模拟控制，软件分步调试，示教等功能。广泛应用于自动化控制与工业智能化改造等行业。

2.3 伺服电机与驱动器

设计中采用的伺服电机是日本三菱公司的HF-KP43伺服電机其主要性能如下，电流：3A；输出力矩：1.2Nm（牛米）；机身长度：56mm；出轴长度：21mm；出轴轴径：8mm/6.35MM（可根据要求定制）；出轴方式：单/双出轴；出线方式：二相四根引出线（黑色A+绿色A-红色B+蓝色B-）；出轴方式：默认轴径8毫米+单扁丝。设计中采用的电机驱动器为TB6600，其输入电压为DC（直流）9～42V，能够有效适应恶劣的电网环境；工作电流为4A，独创速度自适应电路，电流能自动寻优；细分数为6400，同时驱动器具有过流、过压、欠压、短路等保护与脱机（ENA）保护功能。

2.4 滚珠丝杆

滚珠丝杆的主要作用是将伺服电机的转动转换为在X、Y、Z三个方向的直线运动，是目前实现直线运动与回转运动相互转换的必要器件，在诸如机器手等高精度的机械传动方面具有广泛的应用。在校重机器人设计中采用滚珠丝杆的目的就是因为滚珠丝杆具有摩擦阻力小，可逆性强与转换效率高的突出优势。本项目中采用的滚珠丝杆主要由螺杆、螺母、钢球以及反向器等部件构成。

2.5 电磁吸盘

ELE-P50/27电吸盘与普通的强磁吸盘的原理不同，在使用过程中对被吸附物体的表面平整度具有较高的要求。校重机器人的被吸附物体是导磁率较强的低碳钢制作的砝码，其被吸附表明平整度高，吸附面积大于吸盘的面积，具有良好的吸附效果。同时在吸盘的镀镍可以有效去除残余的磁场，保证抓取与放置的效果。但是ELE-P50/27电吸盘的吸引力是磁铁与被吸附砝码通电后产生的吸力，因此需要完全接触，在Z方向的移动中要求能够控制精确，保证吸盘与砝码的有效接触。同时在长时间工作过程中，吸盘会持续生产一定的热量。以此校重机器人在长期工作之后需要做短暂的休息。

3 控制程序的编写

三轴运动控制器采用NcStudio进行控制，NcStudio是目前运动控制方面应用较为广泛的软件，由于其人性化的操作界面，对于PLC的编程基础不是很了解的从业人员也可以根据要求进行控制程序的编写。NcStudio可以应用控制器实现特定的工业方面的加工需求，实现数值控制，同时更为优越的就是系统可以与伺服电机的驱动电路直接连接进行控制，对于校重机器人的应用极为合适。校重机器人是线性控制流程，在运行过程中没有判别，就是按照路径实现不同砝码在电子秤上不同位置的测试，因此程序主要是进行行程大小的设置（要根据砝码的大小设置对应的量程，保证电吸盘能够有效进行砝码吸附），同时要进行路径的示教，并进行吸盘的控制，实现砝码的抓取与放置。

4 调试与运行

在完成系统的程序编写与硬件安装后，可以实现系统的调试，系统调试就是进行系统性能的测试与参数调整，在本设计中主要就是要实际测试在砝码抓取运行过程中会不会出现碰撞方面的问题以及电子吸盘能否有效实现。在测试过程中最为重要的就是两个方面，首先是行程的校正，通过步进的方式检测三轴实际运动的距离，因为电子吸盘必须要能够与砝码无间隙接触才能够保证对砝码的有效抓取。同时对于不同型号的电子秤要能够实现不同位置的测试。三轴运动控制器可以通过在NcStudio软件上进行移动距离、移动时间等参数的调整。

5 结论

基于三轴控制器的校重机器人以三轴控制器作为控制单元，使用电子吸盘完成了对电子秤校正过程中砝码的抓取，用伺服电机实现了对砝码的搬移。产品针对目前企业的实际需求，替代了传统的人工作业方案。论文分析了目前企业在进行电子秤校重过程的实际需求，总计出应用自动化方案实现人工作业的流程与思路，分析了校重机器人的本体设计与控制思路。产品替代了实际生产过程中的人工劳动，有效提升了生产效率，同时为生产线其它的工作岗位的自动化改造提供了必要的经验，因此产品具有较大的理论意义与实践应用价值。

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