民用炸藥生產線分揀機械手的設計研究

趙敏鵬 趙亮

摘要：隨著工業生產領域自動化程度的不斷提升，民用炸藥生產也逐步向自動化過渡，特別是分揀單元，一直是人工進行，不僅效率低，而且危險系數較高。該文設計的分揀機械手，基于人工智能，可以很好地替代人工分揀，并采用無定標視覺系統對機械手進行控制，使機械手形成一個高度非線性和不斷變化的復雜力學系統。可以很好地提高機械手控制的收斂速度，使其運動軌跡更加平滑。

關鍵詞：生產線;控制系統;PLC

中圖分類號：TP241.2? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）36-0250-02

Abstract：With the increasing degree of automation in the field of industrial production，Civil explosives production is also gradually transition to automation.In particular， the sorting unit has been manually operated， not only low efficiency， but also high risk coefficient.The sorting manipulator designed in this paper， Based on artificial intelligence， can replace artificial sorting.And use the uncalibrated visual system to control the manipulator，The manipulator forms a highly nonlinear and ever-changing complex mechanical system.It can improve the convergence rate of manipulator control very well， and make the trajectory more smooth.

Key words：production line;Control system;PLC

1? 概述

隨著人工智能的快速發展，工業機器人被廣泛地應用于各行各業，而對于工礦企業來說，工業機器人指的是多關節的自動化機械設備，我們將其統稱為機械手，它能夠替代人去工作，將人從高危行業解放出來。而民用炸藥生產作為一個高危行業，更應該提高其自動化程度。本文介紹的這種機械手具有很好的可控性和穩定性，能夠準確、快速地將生產好的炸藥條進行分揀和裝箱，從而大幅度提高企業的生產效率。

2 視覺定位分揀系統設計

應用于分揀工位的機械手需要對產品的位置進行定位，并能夠準確地對產品進行分揀和抓取，目前應用比較多的分揀裝置主要是利用傳感器來進行分揀，而這類分揀只能辨別出產品的形狀、大小和材質，而不能準確地對產品的位置進行定位，所以產品在進入分揀工位之前只能一字行拍好，然后才能進行分揀和裝箱，增加了生產環節，降低了生產效率。因此本文中機械手的分揀采用視覺伺服系統，即模擬人的視覺系統，利用雙攝像頭成像交叉定位，并結合小孔成像技術模型，來實現對目標物體的定位。

如圖1所示，P點位物體所在位置，它的坐標為（X、Y、Z），而它在攝像機中的坐標為（XC、YC、ZC），P點在圖像坐標系的坐標為（x、y）。

3 機械手硬件系統的設計

這款機械手能夠精準地識別炸藥條的位置并對它進行準確的分揀，關鍵是靠安裝在系統前端的兩個獨立攝像頭來進行識別，通過控制系統對兩個攝像頭所采集的信息進行處理，在三維空間對產品的坐標進行定位，然后將數據送至PLC控制機構。當PLC接收到兩個攝像頭送來的輸入信號后，根據定位信息，判斷工件位置，然后發出指令，控制命令首先到達PLC的輸出單元，然后由輸出單元直接將控制命令送至步進驅動器，再由步進驅動器控制步進電機按照命令程序來動作，從而準確的抓取工件，并將其放至合適的位置。

在整個硬件系統設計中，除過雙攝像頭的使用，還使用了大量的傳感器。傳感器作為自動化控制設備的核心部件，在自動控制系統中有舉足輕重的作用。傳感器實時檢測現場的各類信號，然后通過模數轉換，將數字量信號送至PLC，使控制機構能夠不間斷的對外部的信號變化做出及時的反應。在分揀工位，利用光電傳感器對工件進行分揀，從而判斷產品是否合格，利用磁性傳感器來判斷機械臂的運動是否到位。

機械臂要完成相應的抓取工作，必須由步進電機來進行驅動，步進電機的作用是將電脈沖信號轉換為相應的角位移或直線位移的設備，它利用電脈沖信號進行控制，當步進電機接收到一個電脈沖控制信號后，就轉動一個固定角度或前進一段固定位移。

步進電機根據其結構和材料不同，可以分為反應式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機。

按照步進電機的通電順序不同，可以將步進電機分為單三拍、雙三拍和單雙六拍，通電方式不同，步進電機每次所轉過的角度大小也不同，除過這個因素外，步進電機定子和轉子上齒數的多少也決定了步進電機的步距角大小。設轉子的齒數為Z，則齒距為：

[τ=360°Z]

每接收到一個電信號，電動機的轉子就走一步，所以它的步距角為：

[θs=360°Zkm]=齒數/拍數

上面的公式中，k為狀態系數（單三拍和雙三拍時，k=1;單雙六拍時，k=2）。由公式可以看出，步進電機中，轉子齒數、定子相數和運行拍數越多，步距角就越小，控制精度就越高。

當定子控制繞組按照一定順序不斷輪流通電時，步進電機就能連續不斷的旋轉。假設電脈沖的頻率為f，則步進電機轉速為：

[n=θs×f×60360°=60fZkm]

由上式可見，如果步進電機的齒數和拍數為定值時，電機轉動速度和輸入脈沖頻率成正比，所以，可以通過改變出入脈沖頻率來控制步進電機的轉速。

步進電機控制過程中要靠步進電機驅動裝置來完成。

4 控制系統設計

在對機械手進行控制時，利用順序功能圖進行控制，采用模塊化結構，使控制程序維護方便、運行穩定、整個程序設計簡單明了，能夠保證分揀機械手安全穩定的運行。控制程序流程如圖4所示。

5? 結束語

本文介紹了一種民用炸藥生產線分揀機械手的設計、構成、工作原理和控制系統的組成。該設備能夠實現一天24小時不間斷工作，將人從繁重的分揀和搬運工作中解放出來，從而實現分揀和搬運的自動化，從而大幅度的提高生產效率，提高企業的利潤空間。

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[通聯編輯：光文玲]