基于PLC的药房码垛机器人控制系统研究.pdf

l 匐 似 基于P L C 的药房码垛机器人控制系统研究 Cont r ol sy st em r ese ar ch o f di sp en sar y pal l et i z i ng r ob ot b ased on PLC t echnol ogy 侯辉 ，刘广瑞 HOU Hu i ． L I U Gu a n g - r u i 郑州大学 机械工程学院，郑州 4 5 0 0 0 1 摘要本文在自动化立体仓库概念的基础上，设计出一种经济性的小型码垛机器人 ， 用于自动化药房 系统的存取药环节。该系统基于欧姆龙C P1 H P L C 的高速脉冲输出和高速计数器功能，在由伺 服电机保证精度的基础上，提出码垛机器人开环控制方案，省去了机器寻址环节，大大降低了 成本，提高了效率，具有极强的推广性。 关键词P L C；码垛机器人；药房；控制 中图分类号T P 2 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 1 0 下 一 O 1 0 8 0 3 Do i 1 o ． 3 9 6 9 ／ j ． I s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 0 下 ． 3 3 0 引言 在 自动化 立体仓库技 术 日益成熟 的今天 ，码 垛机器人 的应用也逐渐普及 ，它不仅极大地降低 了人的劳动 强度，提高 了劳动效率，还具有 出错 率低、便于联 网实现 自动化等优点。随着我 国大 力发展轻工业和第三产业的呼声渐高 ，小型、经 济、 自动化程度高的码垛机器人成为市场 的急需 品 ，在这个市场 几近空 白的前提下 ，本 文提 出一 种全新的码垛机器人 系统方案。该系统在 P L C的 控制下 ，由伺服 电机驱动一个四 自由度直角坐标 机器人 ，依 靠真空吸附技术 实现药物抓取。因为 伺服 电机和旋转编码器可以形成局部 闭环 ，保证 了一定 的精 确度 ，所 以整个 系统设计 成开环 的， 省去 了寻址环节，可以使 系统可靠性更高。由 P C 机 和组 态软件实现上位控制和实时监测，节约了 成本 ；由 P R OF I B US DP总线实现 系统组网，可靠 性更高 。 除了本 文提到的药房 自动存取 药应用外，通 过 对 P L C编程和末端手改造可以使 系统灵活运用 干图书馆 自助借还书、超市 自动存取包、饭店 自 动上莱等领域 ，具有极大的市场空间。 1 药房码垛机器人系统分析 1 ． 1控制系统构架设计 该系统以 P C机作为主控机 ，其上搭载西 门子 C P 5 6 1 1 通信网卡以及组态王人机 交互软件 ，实现 系统通信 、机 器人操作和药柜 信息监 测等。欧姆 龙 C P 1 H P L C搭载 P RO F I B US总线单元和扩展 I ／ 0 单元，通过伺服、步进 电机驱动器驱动机器人电 机实现机器人运动控制。 1 人机l 交 互I 模块 1 一 P C 机 I P L C l S 一 通信 I 模 块l I 图1 控制 系统构架框图 图 1即为药房码垛机器人控制系统构架框 图。 1 ．2 码垛机器人机械结构简介 该系统采用直角坐标码垛机器人，这种典型 结构的工业机器人具有结构 简单、刚度高、重复 定位精度高和经济性 良好等优 点。其 中横 轴为 I 轴 ，纵轴为 Ⅱ轴，竖轴为 Ⅲ轴 ，手爪旋 转轴为Ⅳ 轴 。其机械结构如图 2所示。 码垛机器人 由三个直线 电控工作台和一个旋 转 工作 台外加真空吸盘组成。其 中 I轴和 Ⅱ轴除 了行程 不一致 以外 ，自身结构形 式完全相 同，均 采用直线导轨支撑 、滚珠 丝杠传动的机构 ，具有 承载能力强，安装方便 的优点。Ⅲ轴因承载较低 ， 收稿日期2 0 1 2 - 0 5 - 2 3 作者简介侯辉 1 9 8 5 一，男，河南虞城人 ，硕士研究生，研究方向为机电系统理论及控制技术。 [ 1 0 8 1 第3 4 卷第1 0 期2 0 1 2 1 0 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务1 违 匐 似 故采用光轴支撑、滚珠丝杠传动的结构。三个轴互 成直角搭建而成 ，是典型的直角坐标机器人。Ⅳ轴 为旋转轴 ，采用蜗轮蜗杆结构 ，通过支架与 Ⅲ轴 平台相连。机器人的末端手连接在Ⅳ轴上 ，采用真 空吸附的形式抓取药品。 I 轴和Ⅲ轴由伺服 电机驱 动 ，通过旋转编码器形成局部 闭环 ，保证 了工作 精度。考虑到 Ⅱ轴和Ⅳ轴相对精度要求较低，可选 用步进电机驱动 ，进一步提升系统的经济性。 图2 码垛机器人机械 结构 图 该码垛机器人最大负载 1 0 k g ，最高速度 0 ． 3 m／ s ， 定位精度 0 ． 7 mm，重复定位精度 0 ． 0 5 mm。 1 ． 3 药柜的设计 药柜 的设计参 照 自动化 立体仓库 ，码垛 机器 人两侧各有一个药柜，提高 了空间利用率。如图 3 所示。每一种 药品对应一个仓格 ，仓格 内装有微 动开关 ，用来检测药品有无。常用药放在靠近 出 口的一端 以提高效率。工作人 员拿到处 方以后将 信息输入计算机 ，码垛机器人 移动到相应的仓格 将药品取 出。 图 3药 柜 立 体 模 型 图 2 P L C 在药房码垛机器人中的应用 2 ． 1 PL C的选用 考察 了各种 P L C的特点 以后 ，本 系统选用 了 欧姆龙的 C P 1 H X4 0 DT - D P L C。该型号的 P L C是 欧姆龙公司为满足工业控制领域对设备的高性能、 高 集成 度以及高维护 性能的需求，而推 出的具有 高度扩展性的小型一体化 P L C。该 P L C处理速度 大幅提高 ，可达到大型 P L C的指令处理速度；内 置输入 2 4点、输出 1 6点 通过扩展 I ／ O单元可达 最多 3 2 0点输入输出 ；搭载了最大 4轴的 1 0 0 k Hz 高速脉 冲输 出功能 ，可从 内置的输 出点发 出固定 占空 比脉 冲信 号，输入到伺服电机驱动器来实现 定位 或速 度控制 ；搭 载 了最 大 4轴单 相 1 0 0 k H z 、 相位差 5 0 k Hz的高速计数功能 ，将旋转编码器连 接到 内置输 入，即可进行高速计数器输入 ；可扩 展 C J系列高功能单元 ，通过 C J单元适配器可以 连接 C P U总线单元来实现上位 、下位的网络通信 。 另外 ，该 P L C还具有原 点搜 索、输 入中断、脉冲 接收以及 U S B串行通信等功能。 2 ． 2 P L C 硬件接线图 如 图 4所示 即为 P L C硬件 接线图，码垛机器 人 的各轴都装有限位开关和原点开关 ，既可以避 免机器人运行过程 中与药柜发生干涉而保证安全 性 ，又可 以随时进行原 点检查保持高 精度。P L C 通过控制 电磁 阀的动作操作真空吸盘 ，实现 药品 的抓取和释放。 急 停 启 动 停 止 I 轴 正 向限 位 开 关 1 轴原点开关 I 轴负 向限位开 关 I I 轴 正 向限 位 开 关 n轴 原 点 开 关 I i 轴 负 向限 位 开 关 Ⅲ 轴 正 向限 位 开 关 Ⅲ轴原点开关 Ⅲ 轴 负 向 限 位 开 关 i v 轴 正 向 限 位 开 关 r v 轴 原 点 开 关 Ⅳ 轴 负 向 限 位 开 关 CP1 H PLC _一 一 0 o lr l Q1 0 0 ． 0 0 _ 1 _ 1 0 ．0 0 Q 1 0 0 ． 0 2 r 一 【Q 0 l Q 10 1 0 0 r 一 【 Q02 I 1 00 I 1 0 l Ql O Q 0 l _ _ T _ _ I 1 ．0 2 Q 1 0 0 ．0 3 一 I ／ I 1 ．0 3 Q1 01 ． 01 ，_ - J I 1 04 I 1 05 I 1 0 6 Q 1 0 0 ． 0 4 _ 』 _ I 1 ．0 7 Q 1 O Q 0 5 ／r I 1 ． O8 k _ _ J I 1 ． 09 I 1 ． 1 0 Q 1 0 0 ． 0 6 - 』 _ I 1． 1 1 Q 1 0 0 ． 0 7 r ．o／ ． ． 一 I 20O ． ． ． ． ． ． ． ． ． 。／ 一 I 2 O 1 Q 1 0 1． 0 2 罾 ． ． ． ． ． ． ． ． ． 。／ ． ． 一 I 2 1l ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 。／ ． ． 一 I 3 ．OO ．．． Q 1 0 1 ．0 4 - _ { _ 一 I O． O3 1 0． 04 co m ． I l 图4 P L C 硬件接线图 3 药房码垛机器人开环控制原理 本系统采用标定和机器学 习的方式来获取 药 柜各 个仓格的位置 。仓格尺寸信 息作为基础数据 编写 进 P L C程 序，药 品信息和 仓格位置相关 联 ， 一一 对 应 。 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 -1 0 下 [ 1 0 9 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 注 訇 似 P L C得到上位 P C机的药品信息后 ，先将其关 联到相应的仓格，并通过对比目的地址和当前地址 得 出要运行 的起止距离 ，然后选用合适的速度运 行 ，达到调速和停准的 目的。整个运行过程 中的速 度和位移都采用开环控制，但 由码垛机器人的伺服 电机和旋转编码器组成的局部闭环回路可将末端精 度控 制在 l mm 以内。考虑到药 品的重量较轻 ， 且药房规模较小，完全可以满足精度的要求。 图5码垛机器人理 想加减速 曲线 码垛机器人 的起止位置是不确定的、离散的， 不同的距离对应不同的加减速 曲线 。实际中码垛机 器人的运行曲线可 以概括为几条理 想的加减速 曲 线 ， 如图 5所示。S 为四个仓格间的距离 ，S 为一 个仓格的距离。P L C根据不同的距 离选用不 同的 加减速 曲线运行 ，从而达到高速运行、换速平稳、 低速停准的控制要求。控制流程图如图 6所示。 码垛机 器人 采用开环控 制不 需要机器 寻址， 精简了大量传感器，使整个系统更加紧凑 、稳定， 同时降低了成本。 4 结束语 通过研究与探索 ，本文将 自动化立体仓库 的 概念引入药房 ，提 出一种 以码垛机 器人为载体 的 自动化取药理 念，并充分利用 了 C P 1 H P L C强大 的高速脉冲输 出和高速计数器功能 ，实现 了对码 图6 码垛机器人运行控制流程图 垛机器人四轴的开环控制 ，构建了一个结构简单、 性能稳定且具有高扩展性和高性价比的控制 系统。 该系统将 P L C的高可靠性 、模块化结构和码垛机 器人的高稳定性和强通用性等优点结合起 来，使 两者优势互补，在医药 、餐饮 、物流和图书借 阅 等行业具有极强的推广性。 参考文献 [ 1 ]赵雪峰， 负超， 刘相权， 等． 自动化药房系统研究[ J ] ． 仪器 仪 表学报， 2 0 0 8 ， 4 2 9 3 2 0 3 2 4 ． [ 2 ]刘 清， 韩 宝玲 ， 罗庆 生， 黄麟 ． s 7 ． 2 0 0 可编 程控 制器在 新 型智能码 垛机器人 中的应 用研究 ⋯ ． 制造业 自动化， 2 0 0 8 ， 3 0 7 3 9 3 4 ． 【 3 】徐菱， 劳扬健， 王金诺． 基于P L C 的堆垛机控制系统设计【 J 1 ． 组合机床与自动化加工技术， 2 0 0 5 1 7 2 7 5 ． 【 4 】张丰华， 韩宝玲， 罗庆生，等． 基于P L C的新型工业码 垛机器人控制系统设计⋯ ． 计算机测量与控制， 2 0 0 9 ， 1 7 1 1 1 2 1 9 1 2 1 9 6 ． 【 5 】王辉， 张亚妮 ， 徐江伟． 欧姆 龙系 I] P L C原理及应用【 M1 ． 北京 人 民邮 电出版社， 2 0 0 9 ， 6 2 - 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