基于激光測(cè)距引導(dǎo)定位系統(tǒng)概述

林均華

摘 要 隨著智能化裝備的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)不斷的升級(jí)改造，機(jī)器人、多軸機(jī)械手等在制造業(yè)廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)，上下料等工作。由于機(jī)器人機(jī)械手要精確抓取物料，需要不接觸產(chǎn)品情況下有較高精度的柔性定位系統(tǒng)。本文針對(duì)輸送帶對(duì)稱產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基于激光測(cè)距非接觸式、高兼容性的柔性機(jī)器人、機(jī)械手引導(dǎo)定位系統(tǒng)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞 激光測(cè)距;智能化裝備;定位系統(tǒng)

引言

隨著智能化裝備的發(fā)展，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)制造企業(yè)，逐步大規(guī)模應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手等替換人工取放料等高強(qiáng)度高風(fēng)險(xiǎn)工作，以提高半自動(dòng)設(shè)備的利用率、提高生產(chǎn)效率降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低用工成本等。然而，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手等進(jìn)行取放料需要較高精度、兼容性高的定位機(jī)構(gòu)。目前，制造自動(dòng)化生產(chǎn)線絕大部分采用機(jī)械式定位，其主要原因是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)門(mén)檻低。但是采用機(jī)械定位的缺點(diǎn)十分明顯，精度低，更換產(chǎn)品是需要調(diào)整或更換機(jī)械定位，而且干擾輸送帶連續(xù)性，更重要的是在定位過(guò)程中經(jīng)常損壞已加工工件表面或者導(dǎo)致產(chǎn)品堆疊而損壞產(chǎn)品，導(dǎo)致不良率升高。要解決這些問(wèn)題，可以采用非接觸式、高精度的定位系統(tǒng)。目前，高要求的自動(dòng)化生產(chǎn)線大多采用視覺(jué)定位引導(dǎo)系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)技術(shù)門(mén)檻高，操作復(fù)雜，造價(jià)昂貴，尤其大視野、惡劣工況系統(tǒng)成本更高、從而限制其在中低端制造業(yè)的應(yīng)用。本文采用了基于激光測(cè)距傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定位，通過(guò)PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及采集激光測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不接觸產(chǎn)品的情況下，獲取產(chǎn)品高度及中心坐標(biāo)。并通過(guò)通用工業(yè)協(xié)議將引導(dǎo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位抓取產(chǎn)品[1]。

1定位系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)及工作原理

全部系統(tǒng)主要由激光測(cè)距、數(shù)據(jù)采集及處理、伺服驅(qū)動(dòng)定位、PLC控制器等部分組成（如圖1）。系統(tǒng)硬件主要有三個(gè)激光測(cè)距儀，伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，模擬量采集，PLC控制器以及定位光眼。

激光測(cè)距部分由三個(gè)激光測(cè)距傳感器組成，主要用于測(cè)量產(chǎn)品高度，產(chǎn)品中心與輸送帶中心軸線的位置偏差。

高度由安裝在Z坐標(biāo)的激光測(cè)距傳感器測(cè)量，通過(guò)測(cè)量傳感器至輸送帶H1和傳感器到產(chǎn)品上表面高度H2，可以計(jì)算出產(chǎn)品高度H：

產(chǎn)品與輸送帶中心軸線的位置偏差由安裝在輸送帶兩邊的兩個(gè)激光測(cè)距傳感器測(cè)量產(chǎn)品至輸送帶兩邊傳感器距離y1、y2，可以計(jì)算出產(chǎn)品與輸送帶中心軸線的位置偏差y：

通過(guò)來(lái)料檢測(cè)光眼對(duì)射信號(hào)上升沿獲取產(chǎn)品進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域坐標(biāo)X1，下降沿獲取產(chǎn)品剛離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域坐標(biāo)X2，可以獲取X方向的直徑DX：

兩個(gè)傳感器間的距離L已確定，通過(guò)等間距測(cè)量y1及y2，多點(diǎn)比較獲取最小的（y1+y2）min，從而擬合計(jì)算圓截面Y方向的直徑DY：

2系統(tǒng)測(cè)量流程

通過(guò)來(lái)料檢測(cè)光眼，觸發(fā)測(cè)量產(chǎn)品與輸送帶中心軸線的位置偏差，X方向等距多點(diǎn)測(cè)量。產(chǎn)品通過(guò)料檢測(cè)光眼后，觸發(fā)X方向產(chǎn)品定位，利用伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輸送帶以多段速度逼近定位光眼感應(yīng)點(diǎn)方式，提高產(chǎn)品在X方向的重復(fù)精度。X方向定位完成停止輸送帶，觸發(fā)高度檢測(cè)。產(chǎn)品高度可以根據(jù)實(shí)際需要是否安裝，從而降低系統(tǒng)成本。

3系統(tǒng)主要誤差來(lái)源及降低誤差方法

系統(tǒng)誤差因素來(lái)源有：①傳感器安裝精度，安裝方式;②激光測(cè)距傳感器檢測(cè)精度，響應(yīng)時(shí)間;③模擬量采集器分辨率，模擬量信號(hào)共模干擾，電磁干擾，線纜長(zhǎng)度等;④光源干擾等環(huán)境因素、產(chǎn)品顏色材質(zhì)影響激光測(cè)距因素;⑤定位光眼響應(yīng)時(shí)間，檢測(cè)靈敏度。前幾個(gè)因素主要影響產(chǎn)品與輸送帶中心軸線的位置偏差的精度?？梢酝ㄟ^(guò)：①提高安裝座剛度機(jī)械加工精度，保證兩個(gè)傳感器測(cè)量點(diǎn)軸線重合度以及軸線與輸送帶軸線垂直度;②選取合適精度及測(cè)量范圍的傳感器，保證傳感器重合精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求;③通過(guò)多點(diǎn)對(duì)稱測(cè)量，使用合適算法修正測(cè)量誤差。④遠(yuǎn)離干擾源，模擬量采集與傳感器共用電源，盡量縮短兩者間線纜長(zhǎng)度，減少模擬量信號(hào)干擾。⑤實(shí)施封閉生產(chǎn)減少環(huán)境影響因素，排除無(wú)法使用激光測(cè)距的產(chǎn)品。產(chǎn)品X方向定位受定位光眼的影響較大，選用合適檢測(cè)精度、響應(yīng)速度，保證伺服系統(tǒng)的重復(fù)定位精度。

4系統(tǒng)適用范圍及優(yōu)點(diǎn)

本系統(tǒng)主要針對(duì)高度不小于40mm直徑大于10mm圓形截面的產(chǎn)品，單次通過(guò)一個(gè)產(chǎn)品的輸送帶產(chǎn)品定位。能夠在不接觸產(chǎn)品表面的情況下，獲取較高精度的產(chǎn)品中心偏移坐標(biāo)，保證產(chǎn)品輸送帶輸送的連續(xù)性。在定位機(jī)構(gòu)或者工位設(shè)備故障情況下，可以自動(dòng)切換保證生產(chǎn)的連續(xù)性。而且避免了傳統(tǒng)機(jī)械定位機(jī)構(gòu)在定位過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品已加工表面破壞，產(chǎn)品間隔太小導(dǎo)致前后產(chǎn)品堆疊而損壞產(chǎn)品 導(dǎo)致不良率上升。操作簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍覆蓋廣，從直徑10mm到輸送帶能夠覆蓋的產(chǎn)品，更換不同產(chǎn)品不需要對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。具有良好的系統(tǒng)兼容性，集成多種通用的工業(yè)協(xié)議，可以兼容不同品牌機(jī)器人、機(jī)械手等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換。

針對(duì)截面為對(duì)稱圖形的產(chǎn)品，放料時(shí)要保證產(chǎn)品與模具軸線重合度較好，才能成功將產(chǎn)品放入模具。可以通過(guò)兩點(diǎn)法間接計(jì)算產(chǎn)品軸線與輸送帶軸線夾角A，以X方向等間距L，截取產(chǎn)品與輸送帶中心軸線的位置偏差兩點(diǎn)位置偏差δY1及δY2。通過(guò)以下公式：

可以間接計(jì)算夾角A。由于通過(guò)間接方法測(cè)量中心坐標(biāo)及軸線夾角，測(cè)量誤差較大。而且產(chǎn)品傾斜角度越大，測(cè)量精度越差，因此必須在產(chǎn)品入口處增加產(chǎn)品導(dǎo)流裝置，產(chǎn)品以較小的偏差角度進(jìn)入抓取區(qū)。

5結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)圓截面或定位精度要求低的對(duì)稱截面產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)，主要解決機(jī)械定位的定位精度差、兼容性差、易破壞產(chǎn)品表面等問(wèn)題，而且成本低廉，環(huán)境適應(yīng)性較好，操作容易，兼容性好，一次安裝后能夠兼容在輸送帶范圍內(nèi)所有尺寸的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋建輝，袁峰，丁振良.脈沖激光測(cè)距中高精度時(shí)間間隔的測(cè)量[J]. 光學(xué)精密工程，2009（5）：1046-1050.