1.1 课题研究的目的和意义
随着“工业 4.0 与智能制造”的提出和发展，自动化生产与物流行业对工人的依赖程度将会逐步降低，在工业自动化生产线上采用更多的高度自动化设备代替人工在生产中的作用已经成为了一种必然趋势。同时，由于科学技术水平的飞速发展和社会生产力的大力提高，越来越多的机器人已经参与到了现代化社会生产生活当中，甚至在某些特殊的场合起到了不可替代的作用。在一定程度上，机器人的普及程度已经能够作为一个非常重要的因素去衡量某一个国家现代化发展水平的高低程度。工业机器人是一种性能优良的机电一体化产品，它主要被应用与自动化生产，其目的是为了节约更多成本，并且它在提高生产效率、增加生产效益等方面起着重要的作用。自动化码垛技术作为物流方面的重要环节，已经开始进入了人们的视野，在工业自动化中已经得到了广泛的应用。例如在自动化流水线上，通过机器人把从流水线上输送过来的纸箱等物料按照实现规定的摆放规则依次在托盘上堆放起来，这个过程便称之为码垛[1]，其主要目的是为了使得物料的存储、搬运、运输[2]变得更加方便有序。码垛分为自动化码垛和人工码垛两种方式，自动化码垛一般是采用机械手或者码垛机器人来进行的，其适用情况为规则整齐的物料以及吞吐量大的场合。人工码垛主要适用于物料搬运难度小，码垛速度要要求低的情况。随着科技的进步，一些简单的机械式自动化码垛设备开始产生，比如码垛机械手等，这些简单的机械式自动化码垛设备在码垛作业时大大地减轻了人工码垛所需要的劳动力并且使得工人基本上摆脱了恶劣的码垛作业环境。随着自动化生产规模的逐渐扩大，人们希望码垛速度更快，在单位时间内码垛的数量大大增加，因此传统的机械式自动化码垛设备已经不能满足人们对工业生产自动化的跟高要求，机械手自动化码垛设备已经逐渐被淘汰了。取而代之的是更为先进的机电一体的智能化自动码垛机器人。
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1.2 码垛机器人简介
从机器人的运动形式来看，有的机器人能够实现各种复杂运动，比如六自由度关节型的机器人在运动时既能做直线运动也能旋转运动，也有单一的做直线运动的龙门式机器人。总的来说，码垛机器人的结构形式多种多样。如果用坐标的形式描述机器人的运动，则一般可以将码垛机器人分为以下四种类型：即直角坐标型、关节型、球面坐标型和柱面坐标型等四种类型[6]。在实际工程实践中，要结合实际的工程环境和工作要求尽量选择类型比较简单的造价便宜的机器人能够满足要求即可。直角型坐标机器人一般为 3 轴或者 4 轴机器人，分别为 X 轴，Y 轴，Z 轴以及 Z轴上附带的一个旋转轴 R。XYZ 三个轴在空间上做直线运动，并且两两互相垂直，XYZ唯一确定了空间上机械手的位置，而机械手的旋转则由 R 轴来执行。直角坐标机器人的运动方式简单，只能作直线运动以及机械手爪的旋转定位运动，所以运动轨迹比较容易求解，并且定位精度高。一般来说，直角坐标机器人本体的体积比较大，相对来说灵活度有所欠缺。由于运动简单，易于安装和维护，所以在自动化生产线上应用比较广泛。
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第 2 章 码垛机器人控制系统总体方案
在对直角坐标码垛机器人进行设计之前，首先应该根据机器人码垛对象和实际生产要求总结出码垛机器人的控制要求。而在分析性能要求之前，必须要先对码垛机器人机身结构有一个大致了解。在总结出控制系统的控制要求之后，对交流伺服系统和直流伺服系统以及两种控制器进行对比分析,最后设计该机器人控制系统总方案，给出了系统的总体结构图。
2.1 码垛机器人总体介绍
直角坐标机器人和关节型机器人常常用于自动化生产线上的搬运和码垛等任务。根据工厂生产线的实际情况，一般只需要设计 4 个自由度的直角坐标机器人就能够实现码垛任务，而且该类型机械手的空间姿态少，结构简单，重复定位精度高。相比较而言，在码垛任务已经确定的前提下，使用关节型码垛机器人比直角坐标机器人的造价要贵好几倍 [14-15]。从客户的角度考虑，研发设计出来的码垛机器人首先要满足客户的要求并且较好的完成码垛任务，其次在研发制造中应该节约成本。因此，在一般情况下优先选择直角坐标型码垛机器人完成流水线上的码垛。本课题的码垛机器人主要用于自动化生产线上纸箱的码垛，一般来说自动化生产线上环境比较差，粉尘、灰尘比较多，适合代替人工码垛。其用途是将纸箱从传送带上搬运到指定的码垛位置，按照既定的形式进行码垛。码垛机器人以其高效率、高精度、低成本的优势，广泛应于社会生产的各行各业中，代替了人工重复的劳动，对生产自动化起到了重要作用。为了与其他的自动化设备合作完成生产任务，码垛机器人一般都用在生产线后端对物料进行码垛。通常都安放在室内，而且还要考虑到粉尘、气体的污染。同时，为了保证现场工作人员的安全，码垛机器人工作是应该将机身周围进行封闭，避免有人随意进出。纸箱码垛机器人的工作环境平面图如图 2.3 所示。
2.2 控制系统方案设计
为了保证在纸箱码垛过程中不会出现偏差，需要进行位置伺服控制，保证码垛的位置坐标在期望的范围内。伺服控制系统的主要任务是使得输出量能够快速而准确地复现给定输入量的变化。伺服系统主要由控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机构成一个闭环系统，完成对转矩、速度和位置的精确控制[17]。由于降压调速各方面性能远远不如变频调速性能优良，所以降压调速逐渐被淘汰变频调速的应用范围也越来越广，这使得以前难以调速的交流电机迅速的被应用于各种场合，并逐渐取代了直流电机的地位。无刷直流电机和交流永磁同步电机是两种常见的同步电机。直流无刷电机中不存在换向器和电刷，利用开关电路和位置传感器取代了换向器和电刷的作用，从而使得结构简单，但直流无刷电机控制精度低。而永磁同步电机采用光电编码器采集各项速度，其转速平稳并且控制性能优良。正是由于这些特点，永磁同步电机被广泛应用于机器人等行业 [18]。考虑到码垛机器人对控制的要求比较高，并且码垛过程中机械手爪的实时定位效果要求比较严格的情况，最终决定采用控制精度高、反映灵敏的交流伺服电机来完成码垛机器人的位置伺服控制。
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第 3 章 控制系统硬件选型设计..... 21
3.1 主要部件的选型.......... 21
3.2 控制器选型........26
3.3 电气系统设计.............. 28
3.4 本章小结...........29
第 4 章 控制系统仿真与示教......... 30
4.1 伺服控制方式选择...... 30
4.2 永磁同步电机.............. 30
4.3 控制仿真............31
4.4 示教操作............33
4.5 本章小结............35
第 5 章 控制系统的软件设计......... 36
5.1I/O 分析.............. 36
5.2 控制面板设计.............. 38
5.3 控制系统程序设计...... 39
5.4 系统实现与测试.......... 45
5.5 人机界面设计.............. 46
5.6 实际码垛测试.............. 47
5.7 本章小结............48
第 5 章 控制系统的软件设计
本文所采用的是基于 FX2N-64MT 型号 PLC 控制系统，纸箱码垛机器人控制系统的软件设计主要包括PLC梯形图程序的编写与调试。在对码垛机器人控制系统进行PLC编程时，要对控制系统及控制对象有一个比较深入的了解，其次要充分利用 Gx-works2编写程序、仿真。
5.1I/O 分析
由码垛机器人控制系统的工作原理、工作流程以及要实现的功能，分析输入输出信号以及设备。输入信号：设置了 5 个开关按钮用来手动切换系统的工作方式，即让系统的工作方式在手动、单步、单周期、连续、回原点 5 种方式之间切换。7 个限位开关分别为 X 轴前、后限位，Y 轴左、右限位，Ｚ轴上、下限位，中间原点位置限位。9 个按钮分别为控制码垛机器人 Z 轴上升、下降，Y 轴左、右移动，X 轴前后移动，手爪夹紧、放松，回原位，除此以外还有启动按钮、停止按钮、紧急停止按钮各 1 个，输入信号总数为24 个。输出信号：7 个控制电磁阀分别为 X 轴前、后移动电磁阀，Y 轴左、右移动电磁阀，Z 轴上升、下降电磁阀，手爪夹紧电磁阀。
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总结
本论文是以广东省深圳市动力飞扬自动化设备有限公司的四自由度直角坐标码垛机器人的开发为背景完成的。码垛机器人主要用于流水线和物流方面，设计不同的夹具就可以对不同的物料进行码垛，广泛应用于工业自动化生产线上代替人工码垛，避免了人们长期在恶劣有害的环境下重复的从事码垛工作。并且机器人自动化码垛的效率高，不容易出错，对工业自动化的发展起到了很大的作用。而且，随着科学技术水平的进步，码垛机器人将会朝着智能化以及高度自动化发展，以后将会应用到社会生活生产更多的领域中。本论文做的工作主要包括以下几个方面：(1)查阅了大量关于码垛机器人、电机控制、触摸屏以及 PLC 控制系统方面的资料，对于码垛机器人的基本结构、运动过程以及控制要求做出了详细规划。(2)四自由度码垛机器人设计了多种工作方式，使之在不同场合选择合适的工作方式，大大增强了码垛机器人的适应能力。设计了总的控制系统框图，给出了 PLC 外部接线图。(3)对运动模块、伺服电机、伺服驱动器以及 PLC 进行选型，并给出了相关的计算，保证所选的硬件最大程度上满足需求。(4)选择了合适的运动控制方式，建立了交流永磁同步电机的模型，对各环的参数进行整定，最后在 Simulink 环境下对伺服控制系统进行仿真，得到了比较好的结果。(5)分析了 PLC
