基于匯博機(jī)器人的法蘭抓取控制設(shè)計(jì)*

時(shí)自鳴，曹澤新，畢建迪，王緒偉，湯小偉

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 匯博機(jī)器人整體設(shè)計(jì)介紹

工業(yè)機(jī)器手的作用就是通過(guò)西門(mén)子S7-1200 PLC的遠(yuǎn)程控制和通信以及視覺(jué)信息采集系統(tǒng)所辨別的工件信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的搬運(yùn)、組裝和拆解。

本研究通過(guò)西門(mén)子PLC S7-1200的控制系統(tǒng)及工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)匯博機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，控制分為4步：機(jī)器人運(yùn)行、機(jī)器人暫停、機(jī)器人停止、機(jī)器人復(fù)位 （步驟不分先后），最終通過(guò)PLC對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂的多維運(yùn)動(dòng)運(yùn)行。機(jī)器人的多維運(yùn)動(dòng)方式是通過(guò)匯博機(jī)器人自帶的KEBA操作系統(tǒng)以及示教器終端來(lái)實(shí)現(xiàn)4個(gè)工件的組裝和拆解運(yùn)動(dòng)。

1.1 機(jī)器人型號(hào)的選用

本研究所選用的機(jī)器人為匯博HR20-1700-C10機(jī)器人，它的最大負(fù)載為20 kg，最大展開(kāi)半徑為1 722 mm，具有操作空間大，操作靈活等特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用的是KEBA系統(tǒng)控制器。

1.2 PLC控制系統(tǒng)的選用

本研究選用的是西門(mén)子PLC S7-1200控制器，選用它的原因在于其具有安裝簡(jiǎn)便、節(jié)省空間、可拓展性強(qiáng)、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 視覺(jué)信息采集系統(tǒng)的選用

本設(shè)計(jì)的視覺(jué)信息采集系統(tǒng)選用信捷公司的X-sight機(jī)器人視覺(jué)信息采集系統(tǒng)，本相機(jī)為智能一體化相機(jī)，通過(guò)內(nèi)含的CCD/CMOS傳感器采集高質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)圖像，其相機(jī)內(nèi)嵌數(shù)字圖像處理 （DSP）芯片，能脫離PC機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行運(yùn)算處理，PLC在接收到相機(jī)的圖像處理結(jié)果后能進(jìn)行動(dòng)作輸出。

本設(shè)計(jì)辨別工件主要使用信捷公司的X-sight機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)中的圓環(huán)定位工具，通過(guò)圓環(huán)定位工具來(lái)測(cè)量相機(jī)的底座直徑，且底座相機(jī)系數(shù)=（底座實(shí)際直徑 （mm）/相機(jī)內(nèi)直徑像素值）×10。然后將輸出的結(jié)果輸入到觸摸屏第一個(gè)相機(jī)系數(shù)中。本設(shè)計(jì)的工件都是通過(guò)此方法來(lái)計(jì)算相機(jī)系數(shù)，并把相機(jī)系數(shù)輸入到主控屏幕中的。

2 機(jī)器手控制方案的設(shè)計(jì)

2.1 PLC的控制方式

通過(guò)編寫(xiě)主程序和子程序并使用主程序調(diào)用子程序的方法來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和停止[1]。子程序模塊分為3種：機(jī)器人運(yùn)行、機(jī)器人停止、機(jī)器人報(bào)警（復(fù)位）。第66頁(yè)圖1為PLC程序整體邏輯圖。

2.2 機(jī)器手的動(dòng)作流程及其相關(guān)通信控制流程

1）機(jī)器人的動(dòng)作流程。本設(shè)計(jì)的機(jī)器人動(dòng)作流程通過(guò)帶有KEBA系統(tǒng)的示教器對(duì)整體流程進(jìn)行編寫(xiě)。其編寫(xiě)邏輯如下：通過(guò)KEBA示教器中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令 （PTP，Lin，LinRel等）以及相關(guān)變量對(duì)一號(hào)工件吸取以及對(duì)二號(hào)工件抓取進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)示教器中的變量檢測(cè)來(lái)控制機(jī)器手上的吸盤(pán)和夾爪，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程通過(guò)示教器的手動(dòng)模式即手動(dòng)操縱機(jī)器人進(jìn)行位姿的定點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用的運(yùn)動(dòng)邏輯首先通過(guò)示教器在手動(dòng)模式下進(jìn)行位姿定位，其次通過(guò)編寫(xiě)線性運(yùn)動(dòng)指令 （Lin）對(duì)之前所確定機(jī)器人的位姿點(diǎn)進(jìn)行次序連接，最后通過(guò)新建吸盤(pán)和夾爪的氣泵開(kāi)關(guān)變量讓機(jī)器人在合適的時(shí)機(jī)快速打開(kāi)或者關(guān)閉吸盤(pán)和夾爪，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定工件的抓取和組合。在對(duì)一號(hào)工件和二號(hào)工件進(jìn)行抓取動(dòng)作時(shí)需要依據(jù)已建立好的工具坐標(biāo)系來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的更改，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器手工具的切換[2-3]。

圖1 PLC程序邏輯圖

2）工件識(shí)別和抓取及相關(guān)通信控制流程。本設(shè)計(jì)中機(jī)器人對(duì)工件的識(shí)別是通過(guò)PLC、機(jī)器手、視覺(jué)信息采集系統(tǒng)三者之間的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，而三者之間使用的具體協(xié)議為Modbus/TCP通信協(xié)議，具體的智能相機(jī)與PLC的通信流程見(jiàn)圖2。具體流程：視覺(jué)信息采集系統(tǒng)首先判別工件的類(lèi)型，其次把相機(jī)讀取到的信息以數(shù)據(jù)包的形式通過(guò)PLC發(fā)送給機(jī)器手，最后機(jī)器手收到數(shù)據(jù)塊之后對(duì)一號(hào)工件和二號(hào)工件采取特定的抓取動(dòng)作，機(jī)器手KEBA示教器抓取工件的部分示例程序如下。

圖2 智能相機(jī)與PLC的通信流程圖

2.3 機(jī)器人手臂的控制過(guò)程

機(jī)器人手臂的控制程序通過(guò)帶有KEBA系統(tǒng)的示教器來(lái)編寫(xiě)，編寫(xiě)方法也是先編寫(xiě)主程序和子程序，再用主程序調(diào)用子程序，其中子程序分為2個(gè)模塊：吸取一號(hào)工件，抓取二號(hào)工件。整個(gè)機(jī)器手臂的控制是通過(guò)主程序調(diào)用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)快速的工件放置、組裝和拆解，其基本運(yùn)行步驟見(jiàn)圖3。

圖3 機(jī)器人基本運(yùn)行步驟

3 研究控制結(jié)果

通過(guò)具有KEBA機(jī)器人軟件程序編輯系統(tǒng)的示教器已基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器手臂的三維運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)PLC中Modbus/TCP通信協(xié)議來(lái)對(duì)PLC、機(jī)器手和視覺(jué)信息采集系統(tǒng)三者之間建立通信聯(lián)系，并且機(jī)器手可自動(dòng)根據(jù)工件類(lèi)型的不同采取不同的抓取動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著 “工業(yè)4.0”時(shí)代的來(lái)臨，工業(yè)機(jī)器人 （機(jī)械手臂）的應(yīng)用及發(fā)展速度極快，種類(lèi)越來(lái)越多，控制手段越來(lái)越復(fù)雜，而基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人有著控制程序簡(jiǎn)便、快速、靈活多變、易懂等特點(diǎn)。通過(guò)西門(mén)子S7-1200系列PLC對(duì)機(jī)器手臂的多維運(yùn)動(dòng)研究，了解到PLC對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的操作靈活性以及PLC基本控制的應(yīng)用之寬廣，隨著研究的不斷深入，越來(lái)越多地發(fā)現(xiàn)PLC通用性的便捷之處及其魅力所在。