組合機(jī)器人及視覺(jué)檢測(cè)搬運(yùn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

李省委，王 偉

（閩南理工學(xué)院a.實(shí)踐教學(xué)中心；b.光電與機(jī)電工程學(xué)院，福建 石獅 362700）

自從1962 年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品就得到迅速發(fā)展，它已成為柔性制造系統(tǒng)、自動(dòng)化工廠、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的自動(dòng)化工具［1］。機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，它是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器［2］。機(jī)器人可以按照控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的程序執(zhí)行任務(wù)，也可以按照人為指揮運(yùn)行。工業(yè)機(jī)器人具有多種優(yōu)勢(shì)，如節(jié)約生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、安全系數(shù)較高、便于管理等。

1 平臺(tái)開發(fā)目的及工作原理

1.1 項(xiàng)目培養(yǎng)目標(biāo)

該項(xiàng)目以能力培養(yǎng)為中心，構(gòu)建相對(duì)獨(dú)立、內(nèi)在統(tǒng)一的人才培養(yǎng)體系及能敏銳地反應(yīng)社會(huì)需求、基礎(chǔ)實(shí)、能力強(qiáng)、素質(zhì)高、多樣化的人才培養(yǎng)模式［3］。讓更多的學(xué)生了解和走進(jìn)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)課堂，培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知和實(shí)際動(dòng)手能力，為學(xué)生步入社會(huì)，走向工作崗位奠定基礎(chǔ)。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物如圖1所示。

圖1 組合機(jī)器人實(shí)物

1.2 工作原理

1）流水線單元

按下啟動(dòng)按鈕，安裝于流水線上的對(duì)射式光電傳感器檢測(cè)到工件時(shí)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的流水線停止工作；否則，流水線繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)［4］。

2）智能視覺(jué)相機(jī)單元

工件在流水線上運(yùn)轉(zhuǎn)到相機(jī)識(shí)別區(qū)域與水平關(guān)節(jié)機(jī)器人在Home 點(diǎn)時(shí)，PLC 輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)照相機(jī)拍照。拍照的圖案與先前設(shè)計(jì)的圖像進(jìn)行定位及圖案匹配，如匹配成功，則按用戶“配置結(jié)果-通訊”發(fā)送數(shù)據(jù)；如匹配失敗，則發(fā)送數(shù)據(jù)0。

3）智能視覺(jué)相機(jī)和垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人單元

按下啟動(dòng)按鈕的同時(shí)，視覺(jué)相機(jī)和兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行初始化。當(dāng)工件運(yùn)轉(zhuǎn)到相機(jī)識(shí)別區(qū)域時(shí)，流水線暫停并等待下一步指令。首先，水平關(guān)節(jié)機(jī)器人在Home 點(diǎn)時(shí)，視覺(jué)相機(jī)拍照并識(shí)別流水線上的工件編碼，直至識(shí)別成功；然后，將識(shí)別成功的工件編碼信息發(fā)送給水平關(guān)節(jié)機(jī)器人，再由水平關(guān)節(jié)機(jī)器人將信息發(fā)送給PLC；最后，水平關(guān)節(jié)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)到安全區(qū)域點(diǎn)等待，若垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人不在安全區(qū)域，水平關(guān)節(jié)機(jī)器人將流水線上識(shí)別的工件抓起，并將工件放置到庫(kù)盤和工件號(hào)對(duì)應(yīng)的庫(kù)位。該過(guò)程按照上述工作流程循環(huán)執(zhí)行［5］。

4）水平關(guān)節(jié)機(jī)器人單元

在上一步的基礎(chǔ)上，垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人向PLC發(fā)送詢問(wèn)。如成功詢問(wèn)到工件信息，垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)到安全區(qū)域等待。如果水平關(guān)節(jié)機(jī)器人不在安全區(qū)域，那么垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人從盤上抓取工件，并運(yùn)行到目標(biāo)盤的工件工位放置處，等待控制系統(tǒng)的放置信號(hào)。垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人在接收到控制信號(hào)后，松開卡抓，將工件放入空置庫(kù)位。

機(jī)器人水平關(guān)節(jié)和垂直關(guān)節(jié)動(dòng)作流程如圖2所示。

5）目標(biāo)盤單元

目標(biāo)盤轉(zhuǎn)動(dòng)路程如圖3所示。

圖2 機(jī)器人水平關(guān)節(jié)和垂直關(guān)節(jié)動(dòng)作流程

圖3 目標(biāo)盤轉(zhuǎn)動(dòng)流程

①按下【啟動(dòng)】按鍵時(shí)，目標(biāo)盤開始工作。

②目標(biāo)盤單元上對(duì)射式光電傳感器檢測(cè)到任何目標(biāo)盤上的圓形工件庫(kù)位信號(hào)時(shí)，PLC 將伺服電機(jī)的當(dāng)前角度位置記錄下來(lái)，加上兩個(gè)圓形工件庫(kù)位之間的偏移角度后，可計(jì)算出圓形工件最佳釋放位置。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行至該位置后，控制系統(tǒng)發(fā)出“釋放圓形工件”信號(hào)。

③當(dāng)接近開關(guān)傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)將伺服電機(jī)的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度位置記錄下來(lái)，根據(jù)控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定就可以計(jì)算出方形工件最佳釋放角度位置。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)盤運(yùn)行至該位置時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出“釋放方形工件”信號(hào)。

2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及PLC控制設(shè)計(jì)

2.1 QD75P4N參數(shù)設(shè)置

1）目標(biāo)盤JE 是軸1，傳送帶是軸2，軸1、軸2 每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)和每轉(zhuǎn)的移動(dòng)量都設(shè)置為36 000 pulse。具體的每項(xiàng)參數(shù)設(shè)置情況如圖4所示［6］。

2）目標(biāo)盤JE 伺服驅(qū)動(dòng)器需要更改配置，設(shè)置到位范圍（指令脈沖單位）為100，每轉(zhuǎn)指令輸入脈沖數(shù)為36 000 pulse/rev，增益調(diào)整模式設(shè)置為自動(dòng)調(diào)諧模式2，伺服環(huán)增益負(fù)載慣量比為35 倍。具體設(shè)置如圖5所示。

3）流水線J4伺服驅(qū)動(dòng)器也需要更改配置，與目標(biāo)盤JE 伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置一樣，唯一需要更改的設(shè)置是自動(dòng)調(diào)諧響應(yīng)性，由14改為16。

圖4 QD75P4N軸1和軸2參數(shù)設(shè)置

圖5 目標(biāo)盤JE伺服驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)設(shè)置

2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，系統(tǒng)I/O分配如表1、表2所示［7］。

表1 PLC輸入地址

表2 PLC輸出地址

按照系統(tǒng)控制要求和繼電器控制系統(tǒng)邏輯，給出部分PLC控制系統(tǒng)梯形圖，如圖6所示。

圖6 部分PLC控制程序

3 調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題

水平機(jī)器人與垂直機(jī)器人存在干涉區(qū)域的問(wèn)題。水平機(jī)器人的放置工件區(qū)域與垂直機(jī)器人的抓取工件區(qū)域會(huì)有干涉，在水平機(jī)器人放置工件時(shí)垂直機(jī)器人不能抓取，或者在垂直機(jī)器人抓取工件時(shí)水平機(jī)器人不能放置，故將兩個(gè)機(jī)器人都設(shè)置安全域。當(dāng)每臺(tái)機(jī)器人進(jìn)入安全域時(shí)，各自會(huì)發(fā)出設(shè)定的安全域信號(hào)，并且該信號(hào)不經(jīng)過(guò)PLC，兩臺(tái)機(jī)器人之間直接相連，都以高電平信號(hào)觸發(fā)且保持。當(dāng)水平機(jī)器人抓取工件準(zhǔn)備放置時(shí)，先檢測(cè)垂直機(jī)器人是否有安全域信號(hào)發(fā)出，如果有，則水平機(jī)器人在安全區(qū)域位置前等待垂直機(jī)器人離開安全域，附隨的安全域信號(hào)消失；如果沒(méi)有，則水平機(jī)器人進(jìn)入安全域并且發(fā)出安全域信號(hào)，垂直機(jī)器人抓取工件時(shí)必須等待該信號(hào)消失后才能進(jìn)入安全域抓取。

4 結(jié)語(yǔ)

組合機(jī)器人及視覺(jué)檢測(cè)搬運(yùn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)融合了多方面的硬件及軟件系統(tǒng)，有人機(jī)交互界面、PLC、通信系統(tǒng)、視覺(jué)檢測(cè)等。在調(diào)試階段出現(xiàn)了一些不足，各種插補(bǔ)指令不夠精確，這些問(wèn)題在后面的實(shí)驗(yàn)中會(huì)不斷地優(yōu)化調(diào)整。