一種基于工業(yè)機(jī)器人的銑床自動上下料控制系統(tǒng)

李濤

[摘 ? ?要]為提高銑床上下料的效率，基于工業(yè)機(jī)器人設(shè)計了銑床自動上下料控制系統(tǒng)，提出了智能控制的銑床上下料自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用模塊，采用ISA/EISA/微通道擴(kuò)展總線加載銑床自動上下料控制指令，實驗結(jié)果表明，設(shè)計的自動加載系統(tǒng)總體性能優(yōu)越。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)機(jī)器人;銑床;自動;上下料;控制系統(tǒng)

[中圖分類號]TG659 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]In order to improve the efficiency of milling machine， this paper designed the automatic control system based on industrial robot and proposed the automatic control system with intelligent control. The system application module adopts the automatic loading and down control instruction and the automatic loading system is superior.

[Keywords]industrial robot; milling machine; automatic; up and down; control system

研究銑床自動上下料系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動控制方法，對于優(yōu)化銑床自動上下料系統(tǒng)的設(shè)計，提高銑床自動上下料控制指令性能具有重要意義。銑床自動上下料系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動控制的核心在于銑床自動上下料系統(tǒng)機(jī)械部件的自動控制設(shè)計。根據(jù)銑床自動上下料系統(tǒng)的激勵和輸出性能，進(jìn)行參數(shù)自適應(yīng)匹配，根據(jù)銑床自動上下料系統(tǒng)的激勵特性，建立了銑床自動上下料系統(tǒng)，提高銑床上下料自動化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架及功能模塊分析

基于工業(yè)機(jī)器人的銑床自動上下料單元實現(xiàn)了物品在銑床與貨倉之間的雙向傳遞，該單元由兩部分組成。智能立體倉庫系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的指令，將裝在倉庫的物品轉(zhuǎn)移到驗證系統(tǒng)的裝載位置。裝載機(jī)器人將物品從倉庫運(yùn)送到銑床。本文研究了機(jī)器人裝卸單元的作業(yè)效率，采用協(xié)調(diào)優(yōu)化模型對機(jī)器人裝卸任務(wù)分配進(jìn)行了改進(jìn)。創(chuàng)新的設(shè)計使夾持裝置滿足了自動檢定系統(tǒng)中機(jī)器人裝卸單元的操作要求，提高了裝卸環(huán)節(jié)的效率?；诖说玫搅嘶诠I(yè)機(jī)器人的銑床自動上下料系統(tǒng)的總體設(shè)計框架，如圖1所示。

2 銑床上下料自動化系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 硬件配置

機(jī)器人裝卸單元包括兩臺ABB IRB1410六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，展開半徑為1.65 m，重復(fù)位置誤差在0.05 mm以內(nèi)。機(jī)械臂的重量限制為10 kg——機(jī)械臂的前端裝有機(jī)械手的夾持裝置，可根據(jù)實際夾持物體的需要進(jìn)行重新放置。最高的運(yùn)動速率可以滿足自動檢定的要求。緊急保護(hù)可防止斷電或斷電時儀表閉合或定位故障。目前的機(jī)器人夾持裝置有兩種操作模式。

2.1.1 真空盤操作模式和氣動手指操作模式

前者用于夾持和設(shè)置。轉(zhuǎn)移速率為1次3 m，吸氣量/最大抽真空量為100 L/min，最高抽真空率為80%。真空盤的壓力為（50±5）kPa。機(jī)械臂通過快換卡盤與真空夾緊裝置連接，真空盤的吸光率是真空盤的10倍;保證物品準(zhǔn)確、快速的傳遞。

2.1.2 氣動手指夾持和設(shè)置方式

這種模式能滿足周轉(zhuǎn)箱夾持和傳遞的要求。傳輸速率為1箱/次。夾持裝置按三點位置夾持周轉(zhuǎn)箱，并將空箱堆碼開箱。機(jī)械臂通過快換卡盤與氣動夾持器連接，最大工作壓力1.0 MPa，最大夾持力75 N以上。

2.2 分配

當(dāng)前機(jī)器人分配由獨(dú)立的裝載和卸載單元執(zhí)行。每個周轉(zhuǎn)箱中關(guān)聯(lián)15個物品。在裝載過程中，裝載機(jī)器人真空圓盤夾持裝置以3 m/次的速度將15個物品傳遞到銑床上，稱為“夾持裝載”。同一動作重復(fù)5次后，出現(xiàn)一個空箱，裝載機(jī)器人切換到氣動夾指裝置，進(jìn)行一次倒箱夾持堆垛，這被稱為“夾箱和堆垛”，以便為下一步“夾表和裝載”騰出空間。“切換到夾指裝置”和“切換到夾盤裝置”都是夾持裝置切換，因此它們被視為相同的動作。

3 優(yōu)化設(shè)計

為提高上下料單元的運(yùn)行效率，以機(jī)器人協(xié)調(diào)優(yōu)化為突破口，建立了上下料單元的優(yōu)化基本模型。最重要的是控制影響因素和約束條件。影響因素主要來自人為干擾對多目標(biāo)頻率的影響。例如，機(jī)器人抓取和裝載在這段時間內(nèi)所消耗的時間之比，將直接決定上下料單元的工作效率。

（1）最佳工作狀態(tài)應(yīng)為：U=mina'X（1）s.tG（X）255（2）F（X）S3（1）為目標(biāo)函數(shù)，機(jī)器人在包括每一步在內(nèi)的一個完整周期內(nèi)所花費(fèi)的最短時間，影響因子a'的列向量是機(jī)器人每一步所花費(fèi)的時間，協(xié)調(diào)優(yōu)化的決策變量X是機(jī)器人每一步的重復(fù)頻率。在現(xiàn)有的上下料裝置中，機(jī)器人在一個完整的循環(huán)中，用55 s實現(xiàn)“真空盤夾緊”動作，5 s實現(xiàn)每個“夾緊裝置移動”動作，10 s實現(xiàn)“氣動手指夾緊”動作。所以a'=[55，5，10]，是相應(yīng)的動作頻率xi=|2。

（2）決策變量的約束條件。在自動檢定系統(tǒng)中，不會有機(jī)會增加機(jī)器人圓盤夾持裝置每次操作所夾持的物品數(shù)量，因此對機(jī)器人的消耗時間和頻率沒有進(jìn)一步的優(yōu)化。優(yōu)化策略根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型簡化機(jī)器人操作，以最大化U，裝卸過程的操作效率，在氣動手指與真空吸塵器二合一兼容夾持裝置的設(shè)計中，相應(yīng)影響因素的列向量a'的頻率降低，可以簡化機(jī)器人在周期內(nèi)夾持裝置的變化頻率氣動手指和真空盤的二合一兼容夾緊裝置，一對氣動手指安裝在真空夾緊裝置的兩側(cè)，形成一個兩點固定的強(qiáng)度點。

（3）當(dāng)裝滿物品的周轉(zhuǎn)箱通過傳輸線傳輸?shù)窖b載位置時，裝載機(jī)器人完成裝載任務(wù)，真空盤夾持裝置操作剝離和裝載。物品夾持完成后，用氣動手指夾持裝置夾持空箱，完成夾盒堆碼?？杉嫒莸膴A持裝置簡化了裝載任務(wù)，同樣，當(dāng)卸載機(jī)器人執(zhí)行夾持開箱操作時，在測量托盤驗證結(jié)論后再執(zhí)行夾持開箱操作，也可以通過兼容的夾持裝置簡化卸載任務(wù)。

4 上下料控制設(shè)計

根據(jù)總體設(shè)計框架和功能技術(shù)指標(biāo)分析，進(jìn)行了毛坯自動上下料控制系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計。系統(tǒng)采用SISA/EISA/微通道擴(kuò)展總線加載銑床自動上下料控制指令，結(jié)合模糊積分變換控制方法交叉編寫執(zhí)行程序1L，并在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行各功能模塊的硬件開發(fā)與設(shè)計。

4.1 AD模塊

AD模塊如圖2所示。

4.2 集成信息處理模塊

集成信息處理模塊電路設(shè)計如圖3所示。

4.3 中央處理器模塊

中央處理單元模塊的電路設(shè)計如圖4所示。

4.4 自動上下料控制模塊

自動上下料輸出控制模塊的界面設(shè)計如圖5所示。

4.5 上位機(jī)和下位機(jī)模塊

模塊的電路設(shè)計如圖6所示。

5 結(jié)語

提出了一種基于工業(yè)機(jī)器人的銑床上下料自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。分析了銑床自動上下料系統(tǒng)的總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)。銑床自動上下料控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制方式。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)模塊、綜合信息處理模塊、中央處理器模塊、上下料自動輸出控制模塊、上位機(jī)、下位機(jī)和面向?qū)ο蟮木C合控制模塊組成。對控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計，采用EISA/EISA/微通道擴(kuò)展總線加載銑床自動上下料控制指令。以集成信息處理的DSP芯片為核心處理器，對銑床自動上下料系統(tǒng)的指令進(jìn)行讀寫。在ARM嵌入式微處理器環(huán)境下進(jìn)行了銑床上下料自動控制系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計和總線開發(fā)。通過系統(tǒng)實驗，驗證了本文設(shè)計的銑床自動上下料系統(tǒng)的性能，論證了本文設(shè)計的銑床自動上下料系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 岑土恩.基于ABB工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控銑床上下料自動控制系統(tǒng)研究[J].輕工科技，2021，37（3）：83-85.

[2] 欒京東，馬琪，郭明儒，等.機(jī)器人上下料物流系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床加工中的設(shè)計與應(yīng)用[J].航天制造技術(shù)，2017（4）：66-70.