基于激光測距引導定位系統(tǒng)概述

林均華

摘 要 隨著智能化裝備的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)不斷的升級改造，機器人、多軸機械手等在制造業(yè)廣泛應用于搬運，上下料等工作。由于機器人機械手要精確抓取物料，需要不接觸產(chǎn)品情況下有較高精度的柔性定位系統(tǒng)。本文針對輸送帶對稱產(chǎn)品開發(fā)的基于激光測距非接觸式、高兼容性的柔性機器人、機械手引導定位系統(tǒng)進行闡述。

關鍵詞 激光測距;智能化裝備;定位系統(tǒng)

引言

隨著智能化裝備的發(fā)展，國內(nèi)傳統(tǒng)制造企業(yè)，逐步大規(guī)模應用工業(yè)機器人、機械手等替換人工取放料等高強度高風險工作，以提高半自動設備的利用率、提高生產(chǎn)效率降低工人勞動強度、降低用工成本等。然而，應用工業(yè)機器人、機械手等進行取放料需要較高精度、兼容性高的定位機構。目前，制造自動化生產(chǎn)線絕大部分采用機械式定位，其主要原因是成本低、結構簡單、技術門檻低。但是采用機械定位的缺點十分明顯，精度低，更換產(chǎn)品是需要調(diào)整或更換機械定位，而且干擾輸送帶連續(xù)性，更重要的是在定位過程中經(jīng)常損壞已加工工件表面或者導致產(chǎn)品堆疊而損壞產(chǎn)品，導致不良率升高。要解決這些問題，可以采用非接觸式、高精度的定位系統(tǒng)。目前，高要求的自動化生產(chǎn)線大多采用視覺定位引導系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)技術門檻高，操作復雜，造價昂貴，尤其大視野、惡劣工況系統(tǒng)成本更高、從而限制其在中低端制造業(yè)的應用。本文采用了基于激光測距傳感器、伺服驅動系統(tǒng)定位，通過PLC控制伺服驅動系統(tǒng)以及采集激光測距傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不接觸產(chǎn)品的情況下，獲取產(chǎn)品高度及中心坐標。并通過通用工業(yè)協(xié)議將引導坐標數(shù)據(jù)發(fā)送至工業(yè)機器人、機械手等執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)引導執(zhí)行機構定位抓取產(chǎn)品[1]。

1定位系統(tǒng)主要結構及工作原理

全部系統(tǒng)主要由激光測距、數(shù)據(jù)采集及處理、伺服驅動定位、PLC控制器等部分組成（如圖1）。系統(tǒng)硬件主要有三個激光測距儀，伺服電機及驅動器，模擬量采集，PLC控制器以及定位光眼。

激光測距部分由三個激光測距傳感器組成，主要用于測量產(chǎn)品高度，產(chǎn)品中心與輸送帶中心軸線的位置偏差。

高度由安裝在Z坐標的激光測距傳感器測量，通過測量傳感器至輸送帶H1和傳感器到產(chǎn)品上表面高度H2，可以計算出產(chǎn)品高度H：

產(chǎn)品與輸送帶中心軸線的位置偏差由安裝在輸送帶兩邊的兩個激光測距傳感器測量產(chǎn)品至輸送帶兩邊傳感器距離y1、y2，可以計算出產(chǎn)品與輸送帶中心軸線的位置偏差y：

通過來料檢測光眼對射信號上升沿獲取產(chǎn)品進入檢測區(qū)域坐標X1，下降沿獲取產(chǎn)品剛離開檢測區(qū)域坐標X2，可以獲取X方向的直徑DX：

兩個傳感器間的距離L已確定，通過等間距測量y1及y2，多點比較獲取最小的（y1+y2）min，從而擬合計算圓截面Y方向的直徑DY：

2系統(tǒng)測量流程

通過來料檢測光眼，觸發(fā)測量產(chǎn)品與輸送帶中心軸線的位置偏差，X方向等距多點測量。產(chǎn)品通過料檢測光眼后，觸發(fā)X方向產(chǎn)品定位，利用伺服系統(tǒng)驅動輸送帶以多段速度逼近定位光眼感應點方式，提高產(chǎn)品在X方向的重復精度。X方向定位完成停止輸送帶，觸發(fā)高度檢測。產(chǎn)品高度可以根據(jù)實際需要是否安裝，從而降低系統(tǒng)成本。

3系統(tǒng)主要誤差來源及降低誤差方法

系統(tǒng)誤差因素來源有：①傳感器安裝精度，安裝方式;②激光測距傳感器檢測精度，響應時間;③模擬量采集器分辨率，模擬量信號共模干擾，電磁干擾，線纜長度等;④光源干擾等環(huán)境因素、產(chǎn)品顏色材質影響激光測距因素;⑤定位光眼響應時間，檢測靈敏度。前幾個因素主要影響產(chǎn)品與輸送帶中心軸線的位置偏差的精度。可以通過：①提高安裝座剛度機械加工精度，保證兩個傳感器測量點軸線重合度以及軸線與輸送帶軸線垂直度;②選取合適精度及測量范圍的傳感器，保證傳感器重合精度達到設計要求;③通過多點對稱測量，使用合適算法修正測量誤差。④遠離干擾源，模擬量采集與傳感器共用電源，盡量縮短兩者間線纜長度，減少模擬量信號干擾。⑤實施封閉生產(chǎn)減少環(huán)境影響因素，排除無法使用激光測距的產(chǎn)品。產(chǎn)品X方向定位受定位光眼的影響較大，選用合適檢測精度、響應速度，保證伺服系統(tǒng)的重復定位精度。

4系統(tǒng)適用范圍及優(yōu)點

本系統(tǒng)主要針對高度不小于40mm直徑大于10mm圓形截面的產(chǎn)品，單次通過一個產(chǎn)品的輸送帶產(chǎn)品定位。能夠在不接觸產(chǎn)品表面的情況下，獲取較高精度的產(chǎn)品中心偏移坐標，保證產(chǎn)品輸送帶輸送的連續(xù)性。在定位機構或者工位設備故障情況下，可以自動切換保證生產(chǎn)的連續(xù)性。而且避免了傳統(tǒng)機械定位機構在定位過程中，對產(chǎn)品已加工表面破壞，產(chǎn)品間隔太小導致前后產(chǎn)品堆疊而損壞產(chǎn)品 導致不良率上升。操作簡單，測量范圍覆蓋廣，從直徑10mm到輸送帶能夠覆蓋的產(chǎn)品，更換不同產(chǎn)品不需要對定位系統(tǒng)進行調(diào)整。具有良好的系統(tǒng)兼容性，集成多種通用的工業(yè)協(xié)議，可以兼容不同品牌機器人、機械手等執(zhí)行機構的數(shù)據(jù)交換。

針對截面為對稱圖形的產(chǎn)品，放料時要保證產(chǎn)品與模具軸線重合度較好，才能成功將產(chǎn)品放入模具。可以通過兩點法間接計算產(chǎn)品軸線與輸送帶軸線夾角A，以X方向等間距L，截取產(chǎn)品與輸送帶中心軸線的位置偏差兩點位置偏差δY1及δY2。通過以下公式：

可以間接計算夾角A。由于通過間接方法測量中心坐標及軸線夾角，測量誤差較大。而且產(chǎn)品傾斜角度越大，測量精度越差，因此必須在產(chǎn)品入口處增加產(chǎn)品導流裝置，產(chǎn)品以較小的偏差角度進入抓取區(qū)。

5結束語

本文針對圓截面或定位精度要求低的對稱截面產(chǎn)品而設計的定位系統(tǒng)，主要解決機械定位的定位精度差、兼容性差、易破壞產(chǎn)品表面等問題，而且成本低廉，環(huán)境適應性較好，操作容易，兼容性好，一次安裝后能夠兼容在輸送帶范圍內(nèi)所有尺寸的產(chǎn)品。

參考文獻

[1] 宋建輝，袁峰，丁振良.脈沖激光測距中高精度時間間隔的測量[J]. 光學精密工程，2009（5）：1046-1050.