機器人自動化綜合實驗教學(xué)平臺設(shè)計

熊 雋，陳運軍，陳 林

（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院a.機械工程系；b.信息工程系，四川瀘州646000）

0 引 言

目前，自動化領(lǐng)域的人才中，如何增強學(xué)生綜合實踐能力和處理復(fù)雜工程問題的能力，是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量重要的一環(huán)。設(shè)計綜合性高、成本低、適用性廣、涵蓋面寬的實驗平臺，可大大解決人才培養(yǎng)中實踐教學(xué)環(huán)節(jié)實施難的問題。

研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機器人代替人工分揀能實現(xiàn)智能化、柔性化需求；PLC 作為主控制器，穩(wěn)定性強，成本低，且控制功能強大；工業(yè)視覺系統(tǒng)的定位、測距、分類功能為提升分揀實驗教學(xué)平臺的智能化程度和可靠性提供了保障［1］。

本文利用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)把工業(yè)機器人、視覺系統(tǒng)、控制器PLC、傳送系統(tǒng)等聯(lián)合起來，再配上遠(yuǎn)程管理控制，填補實驗設(shè)備綜合性不強、與企業(yè)實際脫軌的問題，形成既能滿足企業(yè)實際分揀需求、又能提供自動化類多門學(xué)科實驗需求的實驗平臺，可綜合鍛煉學(xué)生處理復(fù)雜工程問題的能力［2］。研究內(nèi)容主要包括綜合平臺的總體設(shè)計，PLC與視覺、機器人的通訊，數(shù)據(jù)的處理，控制程序的編寫等［3］。

1 平臺總體設(shè)計

1.1 平臺的硬件與通信

平臺構(gòu)成如圖1 所示。主要由華數(shù)機器人、機器視覺系統(tǒng)、西門子PLC、托盤流水線、裝配流水線、HMI等組成。機器人位于實驗臺的中心，既可在托盤流水線上末端準(zhǔn)確抓取工件，也可在裝配流水線上按產(chǎn)品類型放置在不同位置，并完成裝配工作；托盤流水線的三相異步電動機由PLC通過變頻器進行控制，并配置了視覺檢測位置阻擋氣缸、機器人抓取位置阻擋氣缸等，實現(xiàn)精確定位；機器視覺位于托盤流水線正上方，當(dāng)產(chǎn)品隨著托盤一起移動到視覺系統(tǒng)下方時即可進行視覺檢測；裝配流水線有3 個工位，① 產(chǎn)品按類型放置區(qū)，②多余產(chǎn)品占放區(qū)，③ 裝配區(qū)，每個工位均可通過步進電機移動至機器人工作位置。

圖1 平臺硬件構(gòu)成圖

工件其網(wǎng)絡(luò)通信如圖2 所示，整個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信通過工業(yè)交換機進行連接，PLC與機器人、視覺系統(tǒng)均采用Modbus Tcp通信協(xié)議通信；對托盤流水線上變頻器、裝配流水線上得步進電動機得控制，以及與HMI、電腦的通信均采用ProfiNET通信協(xié)議，而對托盤流水線上阻擋氣缸的控制利用擴展I/O進行并行通信［4］。

圖2 平臺網(wǎng)絡(luò)通信圖

1.2 平臺工作流程

平臺工作流程如圖3 所示，工件放于托盤上，由變頻器控制電機帶動傳送鏈將產(chǎn)品送至機器視覺正下方。當(dāng)光電開關(guān)檢測到托盤與工件到位后，PLC 控制阻擋氣缸伸出，使托盤與工件固定在檢測位置。此時PLC控制視覺系統(tǒng)拍照并將像素值、像素校準(zhǔn)比例及工件類型傳遞給PLC。PLC 經(jīng)過計算，將這些信息轉(zhuǎn)化為機器人所需的X、Y、Z坐標(biāo)偏移量及旋轉(zhuǎn)角度，最終傳遞給機器人。機器人即可根據(jù)這些信息實現(xiàn)精準(zhǔn)定位抓取，并將產(chǎn)品分類放置到分類放置及裝配流水線上。放置完成后，通過步進電動機控制，將分類放置及裝配流水線上的裝配工位移動至機器人工作位置，機器人即可實現(xiàn)裝配工作。

圖3 平臺工作流程圖

2 PLC與視覺的通信及數(shù)據(jù)處理

2.1 PLC與視覺的通信

PLC與機器視覺系統(tǒng)通過Modbus Tcp 協(xié)議進行通信。為使PLC與視覺系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)直觀易懂、應(yīng)用方便，以4 種檢測工件為例，在DB2 背景數(shù)據(jù)塊中建立一個5 行4 列的二維數(shù)組CAM［5］［4］來進行通信。通信時以Modbus中的4001 作為首地址，列出通信數(shù)據(jù)見表1［5］。

表1 視覺與PLC通信數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 偏移量計算

調(diào)試工業(yè)機器人抓取點位時，是以視覺標(biāo)定的位置為準(zhǔn)進行的。而實際抓取時，需要在調(diào)試的抓取點位的基礎(chǔ)上，加上工件實際位置中心點與視覺標(biāo)定位置中心之間的偏移量ΔX、ΔY及旋轉(zhuǎn)角度A才能實現(xiàn)準(zhǔn)確抓?。ㄒ妶D4）。

圖4 工件偏移量表示圖

通過圖像處理技術(shù)，計算出工件實際位置與視覺基準(zhǔn)點之間的X軸、Y軸像素值、旋轉(zhuǎn)角度及像素校準(zhǔn)比例，將其傳遞給主控制器PLC［6］。PLC 通過數(shù)學(xué)計算，將絕對像素值轉(zhuǎn)化為偏移量后再進行像素校準(zhǔn)。這樣，即可以進行視覺系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用實驗，也可以增加PLC的實驗難度。

2.2.2 偏移量的坐標(biāo)變換

偏移量計算完成后，還要進行坐標(biāo)變換，將ΔX、ΔY轉(zhuǎn)化為工業(yè)機器人的X、Y坐標(biāo)偏移值。如圖5 所示，機器人的Y坐標(biāo)與ΔX平行且方向相反，機器人的X坐標(biāo)與ΔY平行且方向相同［7］。

圖5 視覺與機器人坐標(biāo)圖

采用PLC做偏移計算及坐標(biāo)變換，以表1 所傳遞的數(shù)據(jù)，編寫程序流程如圖6 所示。

圖6 PLC程序流程圖

3 視覺檢測在機器人中的應(yīng)用

3.1 機器人與PLC的通信

機器人與PLC仍可通過Modbus Tcp 協(xié)議進行通信。PLC作為主站，輸出內(nèi)容、輸入內(nèi)容各自保存在數(shù)據(jù)塊DB1、DB2 中用于通信［8］。PLC 采用“MB ＿CLIENT”通信指令，通信端口均為502，輸出時Modbus緩沖區(qū)首地址為40001，輸入時Modbus緩沖區(qū)首地址為30001［9］。PLC 輸出通信指令執(zhí)行時，DB1 中指定的通信信號將傳遞給機器人的HOLD＿REG變量，其第一個信號傳遞機器人的HOLD＿REG［1］變量，第二個信號傳遞機器人的HOLD＿REG［2］變量，以此類推。PLC輸入通信指令執(zhí)行時，DB2 中指定的通信信號將讀取機器人的IN＿REG 變量值，第一個信號讀取機器人的IN＿REG［1］變量，第二個信號傳遞機器人的IN＿REG ［2］變量，以此類推［10］。

針對本次實例，設(shè)置的輸出、輸入通信內(nèi)容［11］見表2、3 所示。

表2 PLC輸出給機器人的通信數(shù)據(jù)

表3 PLC輸出給機器人的通信數(shù)據(jù)

3.2 機器人編程應(yīng)用

3.2.1 偏移量的處理

PLC將偏移量傳遞給機器人時，只能按無符號整型進行傳遞。但為保證抓取位置精確，PLC 傳遞給機器人的X、Y、Z偏移量及旋轉(zhuǎn)角度至少應(yīng)保留一位小數(shù)。因此，PLC 傳遞前，需要把X、Y、Z偏移量及旋轉(zhuǎn)角度擴大10 倍再傳遞，機器人接收到數(shù)據(jù)后再進行除10 的處理［12］。

另外，如果偏移量為負(fù)值，傳遞的值就會失真，機器人接收到的值會較大（如大于2 000），不能直接應(yīng)用，需要按以下公式重新計算才能獲得負(fù)值偏移量。

因此，編寫機器人偏移量處理程序時，首先新建功能程序“CLC”用于ΔX/ΔY/ΔZ/A 為負(fù)值時的處理。將PLC傳遞給機器人的ΔX/ΔY/ΔZ/A 的值（分別傳遞到了變量HOLD＿REG［3］、HOLD＿REG［4］、HOLD＿REG［5］、HOLD＿REG［6］中）傳遞給功能程序中的NNN 變量，如果2 000 ＜ NNN ＜65 536，表明其值實際應(yīng)該為負(fù)值，經(jīng)NNN ＝ NNN -65 536 計算后返回［13］。該功能程序編寫見表4 左列所示。

表4 偏移量處理程序

新建“INTTOREAL”子程序和PICK 點位變量，調(diào)用上述功能程序，將計算出的ΔX/ΔY/ΔZ/A 除以10分別賦值到PICK｛1｝、PICK｛2｝、PICK｛3｝、PICK｛6｝中，而PICK｛4｝、PICK｛5｝為夾具繞著X、Y軸旋轉(zhuǎn)的角度值，設(shè)置為0。這樣，抓取點+PICK 就為準(zhǔn)確的抓取點坐標(biāo)了［14］?！癐NTTOREAL”子程序編寫見表4 右列所示。

3.2.2 機器人編程

機器人程序主要分三部分構(gòu)成。

第1 部分，判定何時執(zhí)行抓取程序。根據(jù)上述PLC與機器人通信信號，當(dāng)機器人HOLD＿REG［1］接收到值103 后，開始執(zhí)行抓取操作，并通過IN＿REG［1］變量給PLC發(fā)送值200，表明機器人已開始執(zhí)行抓取［15］。

第2 部分，抓取工件。機器人先到達(dá)抓取前安全點位JR［2］，通過3.2.1 所編寫的“INTTOREAL”子程序計算出實際抓取位置與抓取點之間的偏移量值PICK后，根據(jù)HOLD＿REG［2］獲取的工件類型，調(diào)用不同工具實現(xiàn)不同工件的抓取工作。

第3 部分，抓取完成處理。機器人通過IN＿REG［1］變量給PLC 先發(fā)送值101，表明機器人已抓取完成，再發(fā)送值100，通知PLC 可開始執(zhí)行下一次抓取工作。

根據(jù)上述思路，編寫機器人程序總體框架見表5所示。

表5 機器人程序總框架

4 結(jié) 語

本文將視覺處理技術(shù)、工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)、PLC控制技術(shù)、人機交互技術(shù)通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，解決了實驗設(shè)備綜合性、實踐性不強，實驗成本高的問題。在數(shù)據(jù)處理技術(shù)上進行創(chuàng)新，不再依賴成套的視覺處理系統(tǒng)的同時，也增加了PLC、工業(yè)機器人的應(yīng)用難度，方便提高學(xué)生應(yīng)用能力［16］。實驗測試時，對機器人抓取精度及分揀節(jié)拍進行重點關(guān)注。實驗表明機器人速度完全能滿足分揀節(jié)拍的需求，效率的高低主要取決于產(chǎn)品的到位速度。在視覺監(jiān)控下，機器人修正抓取精度后，無碰撞，抓取、裝配時位置精度高，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。但運行前視覺位置的標(biāo)定對機器人抓取精度影響較大，后期考慮增設(shè)視覺標(biāo)定設(shè)備，以保證運行精度。