基于SCARA機器人的異型插件控制系統設計探討

摘要：在現代化工業中，作為圓柱坐標型的SCARA機器人具有重要作用，在自動裝配生產線中應用十分廣泛。本文首先對SCARA機器人的異型插件控制系統設計總體方案中的機器人本身、控制系統、視覺系統和上位機進行說明，然后對設計流程中所選擇的硬件、軟件的設計等方面進行探討。

關鍵詞：SCARA機器人；異型插件控制系統；視覺系統

在1995年，起始于我國“8693計劃”的SCARA4軸裝配機器人被上海交通大學研制出來，這可以算是現在裝配生產線中采用的SCARA機器人的前身。隨著我國經濟的飛速發展，傳統工業轉型為現代化工業的趨勢是不可阻擋的，對SCARA機器人進行完善很有必要。

一、控制系統設計總體方案

（一）工業機器人

工業機器人是一種自動化生產設備，其本身具有機電一體化的性能，可以進行仿人操作，可以進行重復編程，同時，它可以在三維空間中做到控制自動化，完成各種作業。SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）機器人[1]，也就是選擇順應性裝配機器手臂機器人，這種機器人有著在普遍有著三個旋轉關節，且軸線之間時平衡的，旋轉關節中有著一個可以用來完成平面當中末端件運動的移動關節，在平面定位當中具有良好的效果，裝配的基本方向為垂直方向。通過相應的系統指令可以對機械手臂和氣爪進行操作控制，進而完成異型器件的插件與抓取行為。

（二）控制系統

在控制系統方面，本文采用了處理信號較為高效的PLC系統，光電隔離所有I/O信號，讓控制器內部的電路與控制器外部的電路完美隔離，可以讓聲音產生的影響大大降低。這種系統可以對各種采集數據進行接收，同時可以對各種操作命令進行發送，進而完成異型器件的自動插件工作。

（三）視覺系統

在視覺系統方面，其采用的主要硬件有工業計算機、攝像機、光學鏡頭和多通道圖像采集卡，利用計算機中的圖像處理軟件可以讓控制系統更為準確。多個圖像傳感器CCD（Chargecoupled Device）的職責存在差異，可見下表。

結合表格，通過三種圖像傳感器可以讓整體操作流程更為精確，讓元器件可以精確插裝到PCB板之上。

（四）上位機

在上位機的選擇方面，采用了研華工控機，結合RS485完成串行的信息傳輸，可以讓數據在采集之后進行儲存顯示，同時，上位機可以讓工作人員對這些歷史數據進行查詢。

二、具體設計流程

（一）硬件選擇

1.傳感器

在傳感器方面，可以利用振動盤的方法來實現異型器件檢測，光纖傳感器位于振動料斗之上，它可以對異型器件的到位情況予以判斷，在到位之后，利用通信電纜，PLC會將器件抓取指令發送給SCARA機器人，進而完程抓取動作。而利用光電傳感器，可以對PCB板到達指令位置的情況予以反應，利用此類信號，PLC可以完成異型器件的取件自動化和控制插件工作。

2.PCB傳送電動機

PCB傳送電動機的主要功能是讓PCB實現自動供應，對PCB輸送線電機的開啟和關閉予以控制，可以讓PCB板實現連續的自動供應，而在電機選擇等方面，采用了單相交流電機。

3.執行器

在此基于SCARA機器人的異型插件控制系統設計中，執行器包含了氣爪、氣缸、電磁閥等多個部分，其中電磁閥可以幫助PCB中對應的定位識別工作、夾緊工作以及氣缸送料工作的控制，電磁閥可以讓氣爪抓取異型器件，而利用繼電器，可以控制供料系統振動盤的開啟工作。

（二）軟件設計

在系統軟件方面，通過PLC可以完成基礎程序的編寫工作，進而對異型插件機控制系統進行開發，利用傳感器可以完成信號的采集，分析對應的狀態和信號，進而對抓取器件的動作進行確認，利用相應的公式完成對定位進行計算，讓系統插件工作更為準確。其基本系統流程可以概括為，系統初始化之后判斷PCB是否到位，如果不到位，需要重新進行設定，在判定到位之后，需要判定元器件是否到位[2]，如果沒有到位，那么需要對振動料斗元器件排序予以啟動，進行重新判斷，在確認元器件到位之后，可以進行異型元器件的抓取工作，對元器件的缺陷情況進行檢查，如果存在缺陷，那么應該進行調整和更換，之后重新檢測元器件的到位工作，在確認元器件沒有缺陷之后，需要對元器件夾持位姿誤差進行計算，利用PCB板可以完成誤差計算的定位工作，之后計算異型元器件的插裝位置誤差，對機械手的姿態予以調整，進而可完成元器件的插裝工作，進行PCB板下料。在此系統中，PLC和PC機之間存在信號傳輸，SCARA機器人和PLC之間存在信號傳輸，在信號傳輸時，本系統利用了RS485標準，RS485是一個定義平衡數字多點系統中接收器與驅動器的電氣特性標準，使用這種標準的數字通信網絡能在及電子噪聲大的環境中或遠距離環境中實現信號的有效傳輸，這種方式的電氣接口方式為差分平衡，能夠讓噪音進行有效遏制，進而提升整體信號傳輸的有效性，同時，它可以讓節點之間的接地電平差異的影響得到減少。將這套系統進行調試，選擇USB2.0與耳機插座為測試器件，完成試驗數據的統計工作之后，發現此套系統可以對機械手、0SMT、CCD本身的特點進行整合，對異型插件進行開通知的平均時間大概在2S左右，具有與良好的效果。

三、結論

綜上所述，利用視覺系統，可以讓SCARA機器人異型插件控制的整體系統更為準確，通過完善的設計流程，可以實現SCARA機器人異型電子元器件的快速插裝目的，進而提升SCARA機器人在實際應用中的效果，對于現代化工業的改革具有促進作用。

參考文獻：

[1]左國棟，趙智勇，王冬青.SCARA機器人運動學分析及MATLAB建模仿真[J].工業控制計算機，2017，3002：100102.

[2]劉輝，毛璐瑤，陳啟愉.基于數值模擬技術的SCARA機器人本體設計與優化[J].機電工程技術，2017，4606：16.

作者簡介：張凡（1981），男，湖南益陽人，大專，工程師，研究方向：導形插件機及供料器。