手眼伺服作业机器人实训系统

2022-09-11

一、引言

随着“工业4.0”和“中国制造2025”的发展战略, 在新一轮科技革命、产业变革与中国加快转变经济发展方式形成的历史性交汇点, 智能制造和智能产品的重要性已经凸显。掌握最前沿工业机器人应用技能的人才也成为越来越多制造企业的需求点, 国内的高等院校以及各类技能培训机构越来越多的将工业机器人的应用作为教学方向, 机器人实训系统可作为一体化教学平台, 用于培养机器人技术应用及专业研发人才, 也可作为机器人技术应用与推广的展示平台。提升实训教学质量, 促进专业发展, 助推我国产业发展和转型, 为国民经济发展做出应有的贡献。

一般的机器人实训系统仅针对机器人的某项应用实现单一化的功能与流程, 如能在一个系统中实现多种机器人的应用, 即可降低成本, 又能提高综合应用技能。本文提供一种技术方案, 该手眼伺服作业机器人实训装置采用模块化设计, 通过拆分与组装, 构架出不同形式的训练项目, 解决了传统实训系统训练项目单一化的问题, 综合性、拓展性更强。

二、实训系统原理

实训系统涉及多种技术, 主要包括:工业机器人技术、可编程逻辑控制器 (PLC) 技术、工业现场总线技术、触摸屏 (HMI) 技术、视觉技术、气动技术。综合以上技术使实训系统多样化, 具有更高的实用性、扩展性、学习性。

设计原理为以可编程控制器 (PLC) 和HMI为控制系统核心, 通过IO、脉冲信号及现场总线连接外部控制元件及机器人、伺服等外围设备, 并起到协调控制信号的作用, 从而实现各设备之间的逻辑自动运行。视觉系统通过相应算法识别出所需数据, 通过以太网与机器人进行数据交互, 以实现视觉引导机器人运动的功能。通过各个模块间的相互组合实现不同的实训项目。

三、主要系统模块简介

实训系统主要由机器人系统模块、输送链跟踪系统模块、视觉系统模块、总线控制系统模块、安全防护系统模块构成。

(一) 机器人系统模块

机器人系统模块可用于机器人操作工件过程中各种动作、指令、编程的学习。包括机器人本体、机器人控制系统、示教器、真空吸盘及气动控制回路, 通过示教器可完成机器人的所有操作、编程和控制。

(二) 输送链跟踪系统模块

跟踪输送链系统主要包括输送带机构、编码器、光电传感器、伺服驱动电机、跟踪模块等, 通过输送链跟踪扩展模块完成对编码器的计算, 配合伺服驱动电机, 使机器人获得工件的准确的运动速度和实时位置, 与机器人系统模块组合完成输送链跟踪的训练任务。

(三) 视觉系统模块

视觉系统主要包括智能相机或非智能相机、相应光源、工控机、采集卡、视觉软件算法等。视觉系统就是用机器代替人眼来做测量和判断, 通过视觉系统采集卡与相机以太网连接, 将采集的图像通过视觉软件算法进行处理, 得到的相关数据通过以太网与其他设备进行交互, 从而实现以较快的速度对工件进行测量、引导、检测、和识别, 并能保质保量的完成任务。

(四) 总线控制系统模块

整个系统的控制核心由可编辑逻辑控制器plc和人机交互界面HMI组成, plc通过现场总线与伺服驱动器, 机器人及其他系统模块进行通讯控制, 协调各个系统模块间的信号, 完成对整个系统控制。HMI显示当前系统的所有运行状态, 故障状态, 通过其亦可以完成参数的录入以及相关数据的归档, 并生产自定义的报表。从而实现对电气元器件、现场总线、plc编程、hmi编程的学习。

(五) 安全防护系统模块

系统配有安全光栅, 其信号与机器人安全回路连接, 用于检测是否有物体进入机器人工作范围内, 当有物体进入安全光栅范围内时, 设备自动停止运行, 待物体脱离安全光栅范围后, 设备方可运行;所有的继电器均采用安全继电器。整个系统安全回路均采用双重化连接, 保证系统的安全稳定。从而完成对安全系统的认知学习。

四、实训项目说明

实训系统通过各模块组合可实现以下实训项目:

(1) 机器人输送带跟踪抓取工件并按垛型要求完成码垛入库。

(2) 基于视觉系统智能识别工件规格完成入库。

(3) 基于视觉系统的机器人七巧板拼图。

(一) 机器人输送带跟踪抓取工件并完成码垛入库

将同种尺寸圆形工件全部存储于立体自动送料机构的存料仓内, 送料时间间隔可通过程序任意设置和调整;输送带机构一直保持运转, 当有一个工件从立体自动送料机构中通过气缸推杆推送至输送带机构上后, 工件自动向前输送;机器人实现输送带机构上工件的跟踪抓取过程如上段描述所述;拾取后按照设定的码垛入库程序, 将工件按顺序码放到托盘上, 完成码垛程序设定的工件数量后, 系统自动运行停止, 机器人回到HOME点位置等待后续指令。

(二) 基于视觉系统智能识别工件规格完成入库

将三种不同尺寸圆形工件存储于立体自动送料机构的存料仓内, 三种工件尺寸均不相同, 分为大、中、小型工件, 存储顺序任意;当任意工件在输送带机构上运行至视觉系统工位下时, 通过相机及镜头、光源及软件程序, 可自动识别出工件尺寸和型号, 输送至控制系统内;机器人完成跟踪抓取后, 根据获得的工件型号, 自动判断在立体仓库最上层所对应的放置位置;全部完成后, 系统自动运行停止, 机器人回到HOME点位置等待后续指令。

(三) 基于视觉系统的机器人七巧板拼图

将七块七巧板拼图工件由人工随机放置于输送带机构任意起始位置端, 对拼图放置位置、姿态、顺序均不作任何要求;当拼图运行至视觉系统工位下时, 通过相机及镜头、光源及软件程序, 可自动识别出拼图形状, 并计算出其位置误差;机器人完成跟踪抓取后, 根据识别出的拼图类型、位置和姿态误差, 自动判断该块拼图的正确放置点, 并自动计算抓取时该块拼图的位置误差, 从而精确完成程序设定好的拼图图案形状;拼图及效果图案可根据需要任意更改。

五、结论

本文提供了一种多功能工业机器人实训系统方案, 可完成多种不同类别的机器人应用项目。系统融合工业机器人技术、可编程控制技术、视觉识别技术、视觉引导定位技术、输送带跟踪技术、传感技术、伺服控制技术、气动控制技术、数据传输系统、信息转换系统等于一体, 解决了一套系统完成多项机器人前沿应用的学习与开发。整个系统采用模块化设计, 通过拆分与组装, 构架出不同形式的训练项目, 解决了传统实训系统训练项目单一化的问题, 具有更好的可拓展性。

摘要：本文综述了一种手眼伺服作业机器人实训装置。从实际应用的角度出发, 提供了一个完整的实训装置方案。采用模块化设计, 每个模块各自实现了各自的功能, 同时组合成系统, 构架出不同形式的训练项目, 具有很大的可拓展性。

关键词：工业机器人,视觉系统,模块化