一种新型码垛机器人的系统设计(附件)【字数：8257】
目 录
引言 1一、码垛机器人的结构设计 2二、码垛机器人控制系统硬件设计 3（一）系统构架3（二）硬件选型4（三）码垛机器人功能模块实现6三、码垛机器人控制系统软件设计 9（一）空间四轴脉冲坐标系的建立9（二）PLC 程序设计 10总结 15参考文献 16谢辞 17
引 言
在“中国制造 2025”目标的导向下，各行各业都必须想方设法地转变经济增长模式，借助创新等手段实现产业升级。俗话说“工欲善其事必先利其器。”新技术、新工艺和新设备的引入有助于提升工业自动化水平，提升生产效率，是实现产业升级的有效途径。而机器人作为自动化的代表性元素，在工业生产流水线、货物运输、仓储管理等多方面都得到了广泛的应用。在生产生活实践中的应用更是为社会带来了巨大的经济效益，不仅有助于释放劳动力，降低人力成本，还有助于提高生产率。有鉴于此，本文提出了一种码垛机器人设计方案。从实用性角度来看，该机器人优势明显，结构简单，自动化程度高，使用成本低廉，应用领域广泛，市场前景较为明朗。
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一、码垛机器人的结构设计
本文设计的是小型直角坐标码垛机器人，预期使用场景是小型立体仓库，用途主要是搬运箱形货物。从机械结构上来看，直角坐标码垛机器人可以分成两种，一个是悬臂式的，一个是龙门式的。考虑到机器人的工作空间相对较大，本文的设计采用了龙门式,以此来获得更好的稳定性。以下为本文所设计的机器人的机械组成的简要介绍。
整个机器人由四大块组成，每个部位各有各的功能。最基础的部位是该机器人的机架，可以细分为立柱、天轨和地轨。具体来看，地轨为立柱的正常运行提供支撑，而天轨的价值在于
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使机架得以保持直立状态。
第二部分在底架之上，主要负责让码垛机行走。其底部设置了可以承重的轮子，依靠电机完成启动和停止。同样地，其顶部也设置了有导向能力的水平轮子。不仅如此，机器的底部还配备了传感器，借此来满足认址及定位需求。
第三部分是升降机构。借助卷筒、链轮以及电机产生的驱动力，立柱两侧的导轨能够实现载货台的直线升降功能。尤其值得注意的是，这部分采取的是柔性件驱动方式，一方面其下降效率受重力作用而降低，另一方面其无法自锁，安全度不足，所以需要额外配备专门的制动装置。
第四部分就是通常所说的货叉，安装在载货台上，负责存取货物。因为存取货物时可能要同时用到伸缩和升降，而按照通常的认知，货叉一般是往左右伸缩，再考虑到货仓的常见空间结构情况，所以这部分习惯借助齿条来搭建直线差动机构。此外，因为货叉在立柱移动时必须要回位，所以机器人的工作效率会受到一定程度的影响。
机器人的结构如下图 11 所示：
图 11 小型直角坐标码垛机器人简图
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其整个机构三维视图如下 12：
图 12 小型直角坐标码垛机器人三维视图
从图 12 来看，机器人的机构整体用螺栓固定在底架之上，有 X 轴、Y 轴和 Z 轴这三个直线工作台，以及 U 轴这 1 个旋转工作台，四者分工协作、互相配合完成货物搬运。具体而言，U 轴安装在 Y 轴上，并借助蜗轮蜗杆完成水平旋转。而 X 轴有着与 Y 轴基本相同的结构，均借助滚珠丝杠实现传动，但行程有区别。因为 Z 轴并不具备较佳的承载能力，考虑到成本问题本设计选择用 Y 轴来承载。这种直角坐标机器人结构有着极为广泛的工业应用。
二、码垛机器人控制系统硬件设计（一）系统构架
本文设计的控制系统包括多种元素，有 PLC、伺服系统、各类传感器以及货物识别装置等。具体而言，PLC 负责主控，可以将信息翻译为高速脉冲并发出指令，可以借助占空比的调节来控制伺服电机停止和开动。伺服电机负责执行，作用是将 PLC 发出的指令转化成电机的转角，以此来要求机器人执行任务。不仅如此，伺服电机内部带有编码器，能够向伺服驱动器反馈其获取的转角信息，可以借助不同算法的使用来对位置、转矩及速度加以精准的调节，还配备了过载和过热保护机制，强化了电机运行的稳定性。传感器和检测装置则扮演着着监测整个系统运转的角色。而系统的通信、检测以及控制功能等主要依赖于上位机。每个微动开关和光电传感器都处于 I/0 模块的控制下。而通信模块的引入使得所有单元间可以顺畅地分享信息，保持通信。
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