板材下料自動(dòng)拾取機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王從宏， 萬(wàn) 熠， 王桂森

(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250061)

板材下料自動(dòng)拾取機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王從宏， 萬(wàn) 熠， 王桂森

(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250061)

針對(duì)生產(chǎn)備料車(chē)間人工拾取火焰切割板材過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一套板材下料自動(dòng)拾取機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)采用三坐標(biāo)龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)三坐標(biāo)直線(xiàn)導(dǎo)軌模組;上位工控機(jī)利用C語(yǔ)言和Matlab編程分別實(shí)現(xiàn)G代碼向圖形與坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化與板材重心坐標(biāo)值的計(jì)算，通過(guò)OPC Server與下位機(jī)PLC S7-300進(jìn)行通信，將切割后的各板材重心坐標(biāo)值通信至下位機(jī)PLC；PLC根據(jù)重心坐標(biāo)位置控制三坐標(biāo)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，可保證拾取過(guò)程的平穩(wěn)，減小晃動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的連續(xù)精確拾取。該機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種高度自動(dòng)化的系統(tǒng)，可提高企業(yè)生產(chǎn)效率，適應(yīng)于現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)要求。

自動(dòng)拾取； 機(jī)器人； 控制系統(tǒng)； 板材

0 引 言

火焰切割作為一種傳統(tǒng)的熱切割方法，具有成本低、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，廣泛用于機(jī)械制造業(yè)中金屬板材的切割下料。目前，企業(yè)的生產(chǎn)備料車(chē)間在利用火焰切割對(duì)板材進(jìn)行下料后，多采用人工取料，導(dǎo)致工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，企業(yè)生產(chǎn)效率低[1]。同時(shí)，由于火焰切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量粉塵、熱量和噪聲，易對(duì)工人的身體產(chǎn)生危害。因此，板材自動(dòng)取料設(shè)備引起了國(guó)內(nèi)外企業(yè)的廣泛關(guān)注。

由于機(jī)械手具有操作靈活，工作穩(wěn)定、持續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，是企業(yè)生產(chǎn)備料車(chē)間取料的首選設(shè)備，因此，部分企業(yè)采用液壓式、氣動(dòng)式機(jī)械手。液壓式驅(qū)動(dòng)具有很強(qiáng)的抓舉能力,其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、耐震動(dòng)、防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能,否則漏油將污染環(huán)境。氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、維修方便,但難以進(jìn)行速度控制,氣壓不可過(guò)高,故抓舉能力較低[2-4]。

本文開(kāi)發(fā)一種成本低、安全系數(shù)和效率高的板材下料拾取機(jī)器人。該機(jī)器人采用定梁動(dòng)柱龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，利用西門(mén)子PLC S7-300控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)板料的準(zhǔn)確拾取，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、負(fù)載能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因系統(tǒng)的作業(yè)空間固定，消除了板料拾取過(guò)程中與其他設(shè)備的干涉。此外，系統(tǒng)運(yùn)用計(jì)算板材重心的位置坐標(biāo)的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行拾取，減小了拾取過(guò)程的晃動(dòng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

板材下料自動(dòng)拾取機(jī)器人(見(jiàn)圖1)的硬件包括龍門(mén)式結(jié)構(gòu)、機(jī)械臂、電磁吸盤(pán)、伺服電機(jī)等。顯然，自動(dòng)拾取機(jī)器人的作業(yè)空間是固定的，可以避免與工廠(chǎng)其他設(shè)備的干涉。該系統(tǒng)通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)X、Y、Z軸導(dǎo)軌模組實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的位置控制，利用電磁吸盤(pán)對(duì)板材進(jìn)行拾取。根據(jù)自動(dòng)拾取機(jī)器人運(yùn)行需求及控制成本的需要，所需硬件類(lèi)型如表1所示。

1-Y軸伺服電機(jī)，2-軸端限位開(kāi)關(guān)(3個(gè))，3-Y軸導(dǎo)軌模組，4-Z軸導(dǎo)軌模組，5-軸原點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)(3個(gè))，6-Z軸伺服電機(jī)，7-X軸伺服電機(jī)，8-X軸導(dǎo)軌模組，9-工控機(jī)，10-伺服驅(qū)動(dòng)器X，11-西門(mén)子PLC S7-300，12-伺服驅(qū)動(dòng)器Y，13-伺服驅(qū)動(dòng)器Z，14-機(jī)械臂，15-電磁吸盤(pán)，16-支架

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

板料下料自動(dòng)拾取機(jī)器人系統(tǒng)硬件連接圖如圖2所示。其中，下位機(jī)西門(mén)子PLC S7-300選用3個(gè)運(yùn)動(dòng)控制模塊FM353控制機(jī)器人X、Y、Z3個(gè)方向伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)使機(jī)械手到達(dá)需要拾取的板材位置，并接收接近開(kāi)關(guān)信號(hào)，以尋找坐標(biāo)原點(diǎn)；AI模塊用于采集超聲波距離傳感器信號(hào)；DI/DO模塊采集X、Y、Z三坐標(biāo)的導(dǎo)軌端部限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，并控制末端電磁鐵通斷電。此外，選用必需的CPU模塊與電源模塊[5-8]。

表1 系統(tǒng)硬件

圖2 控制系統(tǒng)硬件連接圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)控火焰切割機(jī)是利用CNC系統(tǒng)對(duì)整個(gè)切割過(guò)程完成自動(dòng)控制。為得到切割后不同形狀的板材，需將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的 G 數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換為圖形。因此，采用Visual C語(yǔ)言編程，以與現(xiàn)有火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容與匹配，滿(mǎn)足通用性要求。此外，為得到各形狀板材圖形的重心坐標(biāo)位置，通過(guò)Matlab進(jìn)行算法編程。Client 端通過(guò)OPC Server提供的接口，可以取得與OPC Server相連的硬件裝置的信息通信，通過(guò)編程組態(tài)，建立上位機(jī)各坐標(biāo)數(shù)據(jù)與PLC之間的通信聯(lián)系。

2.1 求板材重心算法

由于經(jīng)數(shù)控火焰切割機(jī)切割后的板材具有不同幾何形狀，為保證拾取過(guò)程的平穩(wěn)，減小晃動(dòng)，需獲得板材的重心。然后通過(guò)位置關(guān)系求得拾取位置的坐標(biāo)。獲取重心的方法有懸掛法、支撐法、幾何法和理論算法等。由于板材形狀的不確定性，故本研究選用累加和求重心的幾何算法如下：

設(shè)平面上有N個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)(xi,yi) (i= 1, 2,…,n), 其多邊形重心G(x1,y1)為:

(1)

式(1)為求多邊形重心最簡(jiǎn)單直觀(guān)的方法，直接利用離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的x,y坐標(biāo)便能求得圖形重心。但是，沒(méi)有對(duì)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)所圍圖形做任何處理和分析,導(dǎo)致精度不夠。

定理1 已知△A1A2A3的頂點(diǎn)坐標(biāo)Ai(xi,yi)(i=1,2,3)。其重心坐標(biāo)為:

(2)

定理2 已知△A1A2A3的頂點(diǎn)坐標(biāo)Ai(xi,yi) (i=1, 2, 3) 。該三角形的面積為:

△A1A2A3邊界構(gòu)成逆時(shí)針回路時(shí)取+；順時(shí)針時(shí)取-。另外，在求解過(guò)程中，不需要考慮點(diǎn)的輸入順序是順時(shí)針還是逆時(shí)針，相除后即可抵消。

原理 將多邊形劃分成n個(gè)小區(qū)域, 每個(gè)小區(qū)域面積為σi,重心為Gi(.xi，.yi),利用求平面薄板重心公式把積分變成累加和:

(3)

由前面所提出的原理和數(shù)學(xué)定理可以得出求離散數(shù)據(jù)點(diǎn)所圍多邊形的一般重心公式:以Ai(xi,yi) (i=1, 2,…,n)為頂點(diǎn)的任意N邊形A1A2…An,將其劃分成N-2個(gè)三角形(見(jiàn)圖3)。設(shè)每個(gè)三角形的重心

圖3 多邊形分解

G(.x2,.y2)為：

(4)

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在自動(dòng)拾取機(jī)器人的硬件設(shè)備連接和板材重心算法確定后，便需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的板材拾取功能。首先，采用C語(yǔ)言編程，將火焰切割控制機(jī)床G代碼轉(zhuǎn)化為圖形。其次，通過(guò)Matlab算法編程，得到各不同形狀板材的重心。最后，通過(guò)工控機(jī)與PLC之間的通信協(xié)議，將重心坐標(biāo)傳輸至PLC，PLC根據(jù)坐標(biāo)位置控制三坐標(biāo)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的精確拾取。軟件程序設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)程序框圖

機(jī)器人的拾取控制系統(tǒng)主要采用PLC進(jìn)行編程。該程序主要用于完成手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩個(gè)功能。手動(dòng)控制方式：針對(duì)系統(tǒng)部分設(shè)備發(fā)生故障，或者是部分工作參數(shù)需要調(diào)整時(shí)，手動(dòng)控制將系統(tǒng)中的部分設(shè)備轉(zhuǎn)換為手動(dòng)操作；自動(dòng)控制：利用西門(mén)子PLC S7-300的FM353模塊尋參程序?qū)ふ覅⒖键c(diǎn)，利用MDI功能實(shí)現(xiàn)連續(xù)拾取，拾取過(guò)程中X、Y軸伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)[11-16]。系統(tǒng)的具體程序控制流程如圖5所示。

圖5 PLC控制程序框圖

3 結(jié) 語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰切割板材的自動(dòng)拾取，本研究開(kāi)發(fā)了一種成本低、效率高、通用性好、負(fù)載能力強(qiáng)的板材下料自動(dòng)拾取機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，利用C語(yǔ)言、Matlab與PLC進(jìn)行軟件編程，通過(guò)控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的拾取與移動(dòng)。由于該機(jī)器人作業(yè)空間固定，并采用獲取板材重心位置的方法實(shí)現(xiàn)板材的拾取，故避免了與其他設(shè)備的干涉，減小了板材拾取過(guò)程的晃動(dòng)。本文開(kāi)發(fā)的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了火焰、激光及等離子切割后的板材取料過(guò)程全自動(dòng)無(wú)人操作，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，有望應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

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·名人名言·

離開(kāi)革命實(shí)踐的理論是空調(diào)的理論，而不以革命理論為指南的實(shí)踐是盲目的實(shí)踐。

——斯大林

Development of Control System for a Picking Robot Used in Plate Flame Cutting

WANGConghong，WANYi，WANGGuisen

(Key Laboratory of High-efficiency and Clean Mechanical Manufacture, College of Mechanical Engineering， Shandong University， Jinan 250061, China)

In the plate blanking workshop, the flame cutting plates were picked by manual operation, it was high labor intensity and had low efficiency. In order to solve this problem, an automatic picking robot system for flame cutting plates was designed and developed. The robot adopted three coordinate gantry structure, servo motors was used to drive three axis linear guide rail module. C language was used to transform the G code to the graphics and coordinate in control system, and Matlab programming was used to get the value of the center of gravity of each plate which was transmitted to the slave computer SIEMENS S7-300PLC. OPC Server was applied to realize the communication of the computer and the slave computer. The movement of servo motors was controlled by the PLC according to the value of gravity center of each plate, which could ensure the stability and accuracy of pickup process and reduce shaking. This highly automatic robot system was suitable to the manufacturing requirements of modern enterprise and improved the production efficiency.

automatic picking; robot; control system; plate

2016-08-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51575320)

王從宏(1991-)，男，山東臨沂人，碩士生，主要研究方向?yàn)榘宀南铝献詣?dòng)拾取機(jī)器人設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

Tel.:15098717001;E-mail:wchhkm2008@126.com

萬(wàn) 熠(1977-)，男，山東濱州人，副教授，博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化測(cè)試與控制、高效精密微細(xì)切削加工技術(shù)。

Tel.:0531-88392539;E-mail:wanyi@sdu.edu.cn

TP 242.2

A

1006-7167(2017)04-0041-04