趙 勇 , 李 洋
(1.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué),河北 邢臺(tái) 054000;2.河北省中小型非標(biāo)裝備技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 邢臺(tái) 054000)
目前,工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在不同生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了普及,成為提升企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)質(zhì)量和效率的關(guān)鍵構(gòu)成部分。但考慮到當(dāng)前市場(chǎng)中不同消費(fèi)者的需求更加地多元化,因此,工業(yè)生產(chǎn)的整體功能和生產(chǎn)的產(chǎn)品也開(kāi)始朝著更加復(fù)雜多樣的方向發(fā)展。為了能夠適應(yīng)我國(guó)工業(yè)建設(shè)和發(fā)展的新需求,需要通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人的性能,不斷提高工業(yè)機(jī)器人的整體應(yīng)用質(zhì)量。而可編程邏輯控制器是工業(yè)機(jī)器人中核心的控制部件,通過(guò)優(yōu)化其設(shè)計(jì)方案,能夠推動(dòng)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的前行與發(fā)展。
在現(xiàn)代信息技術(shù)以及通信技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)代背景下,越來(lái)越多的前沿科學(xué)技術(shù)被應(yīng)用到了我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,并徹底轉(zhuǎn)變了人們的工業(yè)生產(chǎn)方式。尤其是在人工智能技術(shù)跨越性發(fā)展的條件下,工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,該項(xiàng)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)踐應(yīng)用,能夠有效地提升生產(chǎn)全過(guò)程的效率和整體質(zhì)量。其中,可編程邏輯控制器是控制工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)最有效的核心點(diǎn)。在整個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)組織框架上,主要是基于PLC控制模式展開(kāi)設(shè)計(jì)工作,系統(tǒng)的硬件構(gòu)架以及設(shè)計(jì)方法極為復(fù)雜,涵蓋的內(nèi)容也較為細(xì)致。該系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程中,主要包含監(jiān)控模塊、PLC核心控制模塊、工業(yè)機(jī)器人控制模塊以及上位機(jī)控制模塊等。
這些模塊之間通過(guò)以太網(wǎng)作為銜接的重要平臺(tái),能夠確保不同模塊之間信息的快捷交互。在整個(gè)系統(tǒng)框架中,上位機(jī)的任務(wù)主要是將節(jié)點(diǎn)監(jiān)視的視覺(jué)信息傳遞到PLC編程器中,然后再借助相關(guān)的控制系統(tǒng),針對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的各類型數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的監(jiān)督。而通過(guò)PLC控制模塊,就可以向上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的生產(chǎn)指令,并且判斷該生產(chǎn)信息在發(fā)出之后是否獲得了節(jié)點(diǎn)機(jī)器人給出的反饋。工業(yè)機(jī)器人模塊在運(yùn)作過(guò)程中需要與專業(yè)的控制系統(tǒng)進(jìn)行相互銜接,通過(guò)以太網(wǎng)展開(kāi)信息交互工作。從總體上來(lái)看,工業(yè)機(jī)器人可以在PLC的總控制背景下實(shí)現(xiàn)機(jī)器鏈條上不同環(huán)節(jié)的伺服控制功能以及抓手控制功能等。此外,該系統(tǒng)內(nèi)部還專門(mén)設(shè)計(jì)了關(guān)于視覺(jué)檢測(cè)的功能模塊,該功能模塊所配備的傳感器設(shè)備能夠區(qū)分工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的不同物料或放置的不同位置,在接收到上位機(jī)下達(dá)的指令之后,視覺(jué)系統(tǒng)就需要根據(jù)其中給出的關(guān)鍵信息,將數(shù)據(jù)上傳到檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的挖掘,最終將分析出的數(shù)據(jù)結(jié)果再傳回到上位機(jī)系統(tǒng)。
考慮到PLC作為機(jī)器人系統(tǒng)的核心控制點(diǎn),功能模塊的設(shè)置和選擇需要以工廠的生產(chǎn)需求為目標(biāo),因此,在硬件選擇方面應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注以下三個(gè)方面的因素。一是對(duì)于中央處理器的選擇。在中央處理器選擇的過(guò)程中,該系統(tǒng)主要運(yùn)用了S7-1200系列的處理器。二是輸入模塊以及輸出模塊的選擇。進(jìn)一步考慮到PLC輸入以及輸出系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中所接收的數(shù)據(jù)信息量規(guī)模相對(duì)較為龐大,并且通常情況下,PLC系統(tǒng)自身攜帶的輸入以及輸出轉(zhuǎn)接口在工作過(guò)程中無(wú)法滿足工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)信息傳輸需求,因此,需要額外銜接外接輸入以及輸出的模塊,同時(shí)還需要考慮到在系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中CPU核心的供電電壓需要保持在24 V。為了能夠確保CPU系統(tǒng)的整體匹配運(yùn)作效果,在輸入模塊也需要同樣增加一個(gè)24 V的輸入電壓系統(tǒng)。還需要以輸入過(guò)程中需求的點(diǎn)數(shù)作為輸入模塊參數(shù)的判決標(biāo)準(zhǔn),可以根據(jù)10%~15%的余量設(shè)計(jì)要求,最終認(rèn)定輸入以及輸出模塊可允許通過(guò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為45個(gè),還可以通過(guò)一定的增容方式更好地滿足未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)在擴(kuò)容以及升級(jí)方面的需求。三是傳感器型號(hào)的選擇。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中,傳感器可以判斷物料是否能夠被輸送到指定的核心位置,并且將物料的傳遞信息上傳到PLC控制中心。因此,根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)控制和運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際要求,系統(tǒng)中可以選擇設(shè)置21個(gè)傳感器的位置。其中,有16個(gè)傳感器可以判斷物料是否能夠被輸送到指定的位置,有2個(gè)傳感器主要判斷機(jī)器人對(duì)于物料抓取的動(dòng)作是否正確,剩下的3個(gè)傳感器可以上傳物料是否被推出到指定位置的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)。在傳感器的型號(hào)選擇方面,也需要貼合工廠生產(chǎn)的實(shí)際要求。
上料機(jī)部分的設(shè)計(jì)主要包含了限位開(kāi)關(guān)、局部傳感器、儲(chǔ)料倉(cāng)、傳送帶四大模塊。其中,限位開(kāi)關(guān)主要是用來(lái)控制物料被推出以及收回所限制的空間位置。傳感器能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)物料在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中的位置變化情況。儲(chǔ)料倉(cāng)分別對(duì)應(yīng)著規(guī)格以及形狀不同的物料,比如很多物料的形狀差異性極大,在生產(chǎn)過(guò)程中有圓形物料,也有正方形或長(zhǎng)方形的物料。因此,儲(chǔ)料倉(cāng)的選擇需要與物料的形狀之間相互對(duì)應(yīng)。而傳送系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)針對(duì)這些物料的傳送,將這些物料送達(dá)到指定的位置[1]。
在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,假設(shè)該工廠生產(chǎn)過(guò)程中的物料共有圓形、正方形以及長(zhǎng)方形三種形狀,那么物料定點(diǎn)分類的放置就可以選擇三層構(gòu)架,其中,最底層的第一層構(gòu)架可以放置圓形的物料,中間一層為正方形物料的存放區(qū)域,最頂層為長(zhǎng)方形物料的存放區(qū)域。每一層物料的存放點(diǎn)都需要額外設(shè)置光電傳感設(shè)備,在分類放置的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中,最為常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方案主要包括兩種類型。第一種類型是通過(guò)采用機(jī)械手臂直接針對(duì)物料當(dāng)前所處的空間位置進(jìn)行識(shí)別,然后將具體的數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)控制中心,并且針對(duì)該坐標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)。第二種設(shè)計(jì)方案就是通過(guò)定位點(diǎn)以及偏移量相互協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)方案,計(jì)算物料所在的坐標(biāo)位置。第二種方法可以通過(guò)在物料架的第一層獲得首尾兩端物料擺放的具體位置,在第二層以及第三層也分別獲得首尾兩端物料擺放的具體位置,然后再利用空間坐標(biāo)信息識(shí)別這幾層物料擺放位置縱向以及橫向的位置偏移量。而這兩種方法在應(yīng)用的過(guò)程中,前者相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)于空間抓取的精確度相對(duì)較高,但是在前期的測(cè)量和收集階段,需要針對(duì)大量的坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ),會(huì)導(dǎo)致PLC系統(tǒng)中的空間被大量占用,這也在一定程度上增加了相應(yīng)的空間成本。后者相對(duì)來(lái)說(shuō),在計(jì)算過(guò)程中的精確度偏低,但是在空間中存儲(chǔ)的坐標(biāo)量相對(duì)較少[2]。
考慮到PLC控制系統(tǒng)整體的應(yīng)用功能和模塊較為多元,因此在機(jī)器人型號(hào)的選擇方面并不需要配合過(guò)多的功能,只需要滿足機(jī)器人在應(yīng)用過(guò)程中的性能以及工廠的生產(chǎn)需求即可,最好可以選擇一些結(jié)構(gòu)層級(jí)較為簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)適用性相對(duì)較強(qiáng)的機(jī)器人。在本次的研究工作中,就選擇了HSR-IR605型號(hào)的機(jī)器人,該機(jī)器人在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的最大負(fù)載量能夠達(dá)到5 kg,其自身的重量大約為55 kg,在生產(chǎn)過(guò)程中最大的功能半徑達(dá)到了746 mm,工作過(guò)程中對(duì)于物料輸送的位置精確度不超過(guò)0.02 mm的范圍,該規(guī)格基本能夠滿足該工廠生產(chǎn)的性能需求[3]。
為了確保機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的整體性能,通常情況下,控制設(shè)備可以選擇專用的控制器,針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)作點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。專用控制器能夠協(xié)調(diào)機(jī)器人系統(tǒng)不同傳輸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度和范圍,同時(shí)還能夠強(qiáng)化機(jī)器人以及PLC控制系統(tǒng)之間的信息交流,基本能夠滿足機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程中對(duì)于一些高精確度位置、空間控制以及其他行為的性能要求。因此,本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了工業(yè)控制計(jì)算機(jī),也被稱為IPC。IPC是目前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最為常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),該系統(tǒng)具有體積較為微小的特性,在具體的運(yùn)作過(guò)程中功能也相對(duì)較為強(qiáng)大。IPC目前可以被分為可識(shí)別數(shù)據(jù)傳輸以及控制指令兩大工作情況,還可以為傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)銜接和傳輸?shù)耐ǖ?,?duì)于一些較為復(fù)雜的工作器具有極為強(qiáng)大的適應(yīng)能力。在設(shè)計(jì)框架中,可以借助IPC控制器實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人系統(tǒng)以及PLC系統(tǒng)之間的信息交互,并且在信息交換的過(guò)程中,還能夠在短時(shí)間內(nèi)抓取其中的邏輯。該裝置采用的是開(kāi)放式的系統(tǒng)構(gòu)架,控制系統(tǒng)為L(zhǎng)inux,可以共同提供視頻圖形列陣、RS232總線接口列陣、局域網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架等接口,具有良好的普適性[4]。
抓手設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是考驗(yàn)機(jī)器人應(yīng)用性能最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一,抓手的頂端位置需要與法蘭接口之間銜接。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中,抓手功能的輸出需要由機(jī)器人控制氣缸完成運(yùn)行。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人在接收到PLC控制系統(tǒng)發(fā)出的指令之后,就需要進(jìn)行物料輸送,并且確定當(dāng)前物料的空間位置以及抓取位置的坐標(biāo)信息,在抓手已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到當(dāng)下位置時(shí),氣缸就會(huì)快速地補(bǔ)充氣體并通過(guò)吸盤(pán)吸取物料,此時(shí),傳感器設(shè)備會(huì)讀取物料是否已經(jīng)被吸入的信息。在確定物料已經(jīng)被吸入之后,抓手就會(huì)攜帶物料抵達(dá)到指定的位置坐標(biāo),此時(shí),控制系統(tǒng)就會(huì)為氣缸發(fā)出松氣指令,吸盤(pán)松動(dòng)之后可以將物料放下,然后再進(jìn)行第二次的識(shí)別和操作。在放置工作結(jié)束之后,傳感器就會(huì)將信號(hào)發(fā)送到控制器系統(tǒng)中,然后由控制器系統(tǒng)將整個(gè)信息反饋到PLC系統(tǒng),在操作完畢之后,機(jī)器人抓手回歸到指定位置,等待下一次指令的到來(lái)[5]。
機(jī)器人的不同運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)都可以采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),并且為其提供相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)電力。通常情況下,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有精準(zhǔn)度相對(duì)較高、效率較高等優(yōu)勢(shì)。因此,電機(jī)控制也在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到了普及,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要采用伺服控制系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供充足的電力能源。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用了RC6伺服電機(jī),該伺服電機(jī)的型號(hào)基本可以滿足以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芤?,同時(shí)在工作現(xiàn)場(chǎng)還具有開(kāi)放式的協(xié)議接入功能,能夠與多種編碼器之間相互協(xié)作,共同完成數(shù)據(jù)接口的搭建[6]。
視覺(jué)檢測(cè)模塊是機(jī)器人針對(duì)物料展開(kāi)分類存儲(chǔ)和位置控制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,視覺(jué)模塊的識(shí)別功能對(duì)于機(jī)器人的運(yùn)作性能會(huì)產(chǎn)生直接影響。
考慮到不同底片的材質(zhì)之間具有一定的差異,在拍攝后所顯示的視覺(jué)效果也有所不同。目前,可以將相機(jī)大致分為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體相機(jī)以及電荷耦合器件相機(jī)兩大類型[7]。其中,電荷耦合器件相機(jī)也被稱為CCD相機(jī),這種相機(jī)的反應(yīng)速度相對(duì)較快,并且在拍攝的一瞬間還能夠規(guī)避噪聲,在持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,所需要的能源支持量相對(duì)較少,可以在復(fù)雜的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間地操作。相比較而言,互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體相機(jī)的集成化水平相對(duì)較高,運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度極快,還具有光學(xué)自動(dòng)檢測(cè)的功能,可以對(duì)機(jī)器人視覺(jué)的局部空間進(jìn)行拍攝訪問(wèn),尤其是對(duì)于工作過(guò)程中場(chǎng)景速度要求較高、分辨率和精確度要求較高的情況極為適用。但是,考慮到這類型相機(jī)的成本投入相對(duì)較高,因此,大多數(shù)工廠的工業(yè)機(jī)器人還是希望能夠選擇一些運(yùn)行性能穩(wěn)定且可以長(zhǎng)期應(yīng)用的相機(jī)類型。本次系統(tǒng)中就選擇采用了CCD相機(jī),著重考慮CCD相機(jī)的能源消耗量小以及運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)[8]。
通常情況下,相機(jī)光源設(shè)定會(huì)采用LED光源,這類型光源的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng),并且在應(yīng)用過(guò)程中的反應(yīng)速度極快,在運(yùn)行期間,基本上不會(huì)產(chǎn)生任何的熱量。本次系統(tǒng)就選擇采用了LED光源,還響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召[9]。
在視覺(jué)信息傳遞的過(guò)程中,當(dāng)相機(jī)捕捉到拍攝物料之后,就會(huì)將視覺(jué)圖片上傳到信息采集系統(tǒng),而針對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)處理之后,后臺(tái)控制中心就可以得到相對(duì)精確的物料信息,并將信息發(fā)送到非上位機(jī)的視覺(jué)檢測(cè)軟件中,最終測(cè)定檢測(cè)的結(jié)果以及相關(guān)的信號(hào),再由PLC控制系統(tǒng)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng),從而完成整個(gè)視覺(jué)信息的采集及融合應(yīng)用過(guò)程。在系統(tǒng)運(yùn)作的期間,視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)直接接收到上位機(jī)所發(fā)送的啟動(dòng)信號(hào),當(dāng)信號(hào)被系統(tǒng)完全識(shí)別之后,相機(jī)系統(tǒng)就可以將采集到的各類型圖像信息進(jìn)行傳遞。然后視覺(jué)控制器就可以直接提取物料的型號(hào)以及大小規(guī)格等相關(guān)數(shù)據(jù)并將其上傳到主控上位機(jī),主控上位機(jī)再將搜集到的資料信息傳遞給PLC系統(tǒng),通過(guò)系統(tǒng)之間的信息交互就能夠完成物料信息的傳遞[10]。
為了能夠有效地實(shí)現(xiàn)PLC控制工業(yè)機(jī)器人的多方面功能,在軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中,操作設(shè)計(jì)人員可以選擇自動(dòng)控制物料傳遞以及手動(dòng)控制物料傳遞兩種工作模式。其中,在自動(dòng)控制的物料傳遞模式下,需要從第一個(gè)料倉(cāng)開(kāi)始上料,直到完成最后一個(gè)物料的推送環(huán)節(jié)之后,才能進(jìn)行第二輪的上料工作。而在手動(dòng)操作程序中,操作人員可以通過(guò)在系統(tǒng)上自行設(shè)置選擇需要上料的料倉(cāng)[11]。
5.2.1 機(jī)器人寄存器的軟件設(shè)計(jì)
從功能上來(lái)看,寄存器在應(yīng)用過(guò)程中,必須要具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力以及邏輯運(yùn)算能力,這樣才能夠有效地識(shí)別相關(guān)的空間位置數(shù)據(jù)信息,從而完成對(duì)于機(jī)械手臂正確的軌道指引工作。因此,在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中應(yīng)當(dāng)選擇連接寄存器中的存儲(chǔ)工業(yè)機(jī)器人位置數(shù)據(jù)[12]。
5.2.2 機(jī)器人程序的設(shè)計(jì)
機(jī)器人程序的設(shè)計(jì)又可以被分為主程序設(shè)計(jì)以及執(zhí)行程序設(shè)計(jì)兩大模塊。其中,主程序設(shè)計(jì)大致可以分為兩大步驟,通過(guò)與對(duì)應(yīng)的服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)信號(hào)綁定,將機(jī)器人的手臂按照位置回歸原點(diǎn),然后再獲取吸盤(pán)吸取或解鎖的命令。除此之外,還需要列出每一個(gè)子程序的編碼存儲(chǔ)位置,當(dāng)程序在執(zhí)行任務(wù)完成之后,需要返回到機(jī)器人原點(diǎn)展開(kāi)解綁工作才能結(jié)束整個(gè)操作程序[13]。機(jī)器人的執(zhí)行程序主要是指工業(yè)機(jī)器人在工作過(guò)程中需要完成的具體情景任務(wù),比方說(shuō)將物料運(yùn)送到具體的位置然后放下。在執(zhí)行整個(gè)操作的過(guò)程中,首先需要PLC控制系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)的指令,然后機(jī)械手臂才能夠抵達(dá)取料點(diǎn)并產(chǎn)生延時(shí),做好充分吸取物料的準(zhǔn)備。當(dāng)物料吸取結(jié)束之后,傳感器需要判斷物料是否已經(jīng)被機(jī)械手臂夾緊,然后原路返回。當(dāng)機(jī)械手臂返回到預(yù)備放料點(diǎn)后,需要延遲1 s~2 s之后輕輕放下物料。最后,檢查物料是否符合放置位置的要求[14]。
綜上所述,PLC在我國(guó)工業(yè)機(jī)器人控制領(lǐng)域中具有極為廣闊的應(yīng)用前景[15-16]。在PLC可編程控制器的助力下,機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)輸和傳達(dá)等功能[17-18]。因此,在可編程控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要通過(guò)了解工廠在生產(chǎn)過(guò)程中的具體需求,才能結(jié)合相應(yīng)的軟件以及硬件設(shè)計(jì)方案,通過(guò)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),強(qiáng)化工業(yè)機(jī)器人的整體操作以及控制性能,進(jìn)一步提升操作以及控制的效率和精確性,為提升我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的整體質(zhì)量提供助力。