《工業(yè)機器人技術(shù)及應(yīng)用》課件-第8章

第8章工業(yè)機器人與工業(yè)自動化8.1工業(yè)機器人相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范8.2工業(yè)機器人與工業(yè)自動化系統(tǒng)8.3工業(yè)機器人與工業(yè)自動化應(yīng)用案例

8.1工業(yè)機器人相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

1.消防安全法規(guī)

《中華人民共和國消防法》

《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程(TSGR0005—2011)》

《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例(國務(wù)院令第373號)》

《容積式空氣壓縮機安全要求GB22207—2008》

2.配電規(guī)范

《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB50040—96》

《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范GB50052—95》

《低壓配電設(shè)計規(guī)范GB50054—2009》

《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范GB50055—93》

《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范GB50217—94》

《電力裝置的電測量儀表裝置設(shè)計規(guī)范GBJ63—90》

3.可編程控制標(biāo)準(zhǔn)

《BSEN61131-1—2003可編程控制器第1部分:一般資料》

《BSEN61131-2—2003可編程控制器第2部分:設(shè)備要求和試驗》

《BSEN61131-3—2003可編程控制器第3部分:程序設(shè)計語言》

《IECTR61131-4—2004可編程序控制器第4部分:用戶指南》

《IEC61131-5—2001可編程控制器第5部分:通信》

《IEC61131-6—2012可編程控制器第6部分:功能安全》

《IEC61131-7—2000可編程控制器第7部分:模糊控制編程》

《IECTR61131-8—2003可編程的控制器第8部分:程序設(shè)計語言的執(zhí)行和應(yīng)用指南》

4.工業(yè)機器人設(shè)計和使用規(guī)范

《工業(yè)環(huán)境用機器人安全要求第1部分機器人GB11291.1—2011》

《機械安全機械電氣設(shè)備第1部分通用技術(shù)條件GB5226.1—2008》

《工業(yè)機器人驗收規(guī)則JB/T8898-1999》

《工業(yè)機器人產(chǎn)品驗收實施規(guī)范JB/T10825—2008》

《工業(yè)機器人性能規(guī)范及其試驗方法GB/T12642—2013》

《工業(yè)機器人性能試驗實施規(guī)劃GB/T20868—2007》

《機械安全涉及通則風(fēng)險評估風(fēng)險減小GB/T15706—2012》

《電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)環(huán)境中的抗擾度試驗GB/T17799.2—2003》

《電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)居住商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境中的發(fā)射GB/T17799.3—2012》

《電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)環(huán)境中的發(fā)射GB/T17799.4—2012》

《工業(yè)機器人電磁兼容性試驗方法和性能評估準(zhǔn)則指南GB/Z19397—2003》

《機器人與機器人裝備工業(yè)機器人的安全要求第2部分機器人系統(tǒng)與集成GB11291.2—2013》

《機械安全集成制造系統(tǒng)基本要求GB16655—2008》

《工業(yè)機器人安全實施規(guī)范GB/T20867—2007》

《機械安全控制系統(tǒng)有關(guān)安全部分第1部分設(shè)計通則GB/T16855.1—2008》

《機械電氣安全安全相關(guān)電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全GB/T28526—2012》

8.2工業(yè)機器人與工業(yè)自動化系統(tǒng)

8.2.1六自由度工業(yè)機器人六自由度工業(yè)機器人由機器人本體、機器人控制器、示教單元、輸入/輸出信號轉(zhuǎn)換器、抓取機構(gòu)及夾具等部分組成。機器人控制器是機器人的大腦,其面板如圖8-1所示,其部分關(guān)鍵引腳分布如圖8-2所示。

圖8-1機器人控制器的總線實物圖

圖8-2機器人控制器的部分引腳分布圖

8.2.2智能視覺檢測系統(tǒng)

一般的智能視覺檢測系統(tǒng)由視覺控制器、相機、鏡頭、光源、圖像處理分析算法等組成。智能視覺系統(tǒng)的性能由相機硬件性能和圖像處理分析軟件性能共同決定。

相機硬件通信是智能視覺檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ),其操作步驟為:首先按照相機廠商提供的相機控制器的引腳功能(如表8-1所示)將相機和相機控制器連接起來,如圖8-3所示;然后調(diào)節(jié)工業(yè)相機的光圈使得目標(biāo)成像清晰;最后適當(dāng)調(diào)節(jié)相機光源使得目標(biāo)表面光照均勻。

圖8-3視覺信號線路圖

相機控制器用于將相機和外界交互連接起來,其引腳功能如表8-1所示。

圖像處理分析算法由廠家自己開發(fā)或由第三方提供。軟件通常采用Windows風(fēng)格設(shè)計,主要由顯示窗口和功能按鈕組成,如圖8-4所示。

圖8-4智能視覺系統(tǒng)軟件界面

1.通信設(shè)置

2.算法設(shè)置

算法是智能視覺系統(tǒng)的靈魂,需求不同則算法也不同。模板匹配是目標(biāo)識別和分類最常用的算法之一。

1)模型登錄及測量參數(shù)設(shè)置

在“分類屬性”界面選擇要輸入圖像的位置,點擊“登錄模型”,拖動左側(cè)圓圈,設(shè)置測量區(qū)域。在“模型參數(shù)”界面中,勾選“旋轉(zhuǎn)”,設(shè)置“穩(wěn)定度”為“高速”,“精度”為“高速”,其他默認(rèn),如圖8-5所示。

圖8-5模型參數(shù)

測量參數(shù)的設(shè)定方法如下:

設(shè)置“測量參數(shù)”:“判定條件”項下的“相似度”設(shè)置為90-100,其他默認(rèn);

設(shè)置“輸出參數(shù)”:“綜合判定顯示設(shè)置”為“關(guān)”。

參數(shù)設(shè)置完成后點擊“模型登錄”按鈕,選擇“橢圓”圖形圈定目標(biāo),通過調(diào)整“中心坐標(biāo)Y”的方向箭頭,如圖8-6所示,使得橢圓正好放置在數(shù)字(如1)的外邊即可。

圖8-6目標(biāo)范圍圈定

2)邊緣位置掃描

邊緣位置掃描通過測量區(qū)域內(nèi)的顏色變化而測量對象的位置。在“掃描邊界位置”界面,拖動矩形框?qū)y量邊緣框住。通過“區(qū)域設(shè)定”的“編輯”按鈕設(shè)置掃描邊緣區(qū)域,調(diào)整“中心坐標(biāo)”的方向箭頭、“始點”和“終點”的方向箭頭、“寬度”,使得矩形框放置在工件目標(biāo)上方區(qū)域。掃描邊緣位置的效果如圖8-7所示。

圖8-7掃描邊緣位置

3)串行數(shù)據(jù)輸出

串行數(shù)據(jù)輸出利用指令的方式將數(shù)據(jù)輸出到可編程控制器或PC外部設(shè)備使用。

在“串行數(shù)據(jù)輸出”界面可編寫與外部控制器交互命令,即在“表達式”下輸入相應(yīng)的命令,如圖8-8所示。

圖8-8-串行數(shù)據(jù)輸出界面

4)執(zhí)行測量

回到系統(tǒng)主界面,點擊“保存”按鈕生效,點擊“執(zhí)行測量”按鈕查看效果。通過“直交”坐標(biāo)調(diào)整示教器的X、Y、Z坐標(biāo),使得工件完全出現(xiàn)在相機視野內(nèi),程序就能實現(xiàn)目標(biāo)的分類。當(dāng)工件到達相機視野內(nèi)時,點擊“執(zhí)行測量”按鈕即可顯示出測量輸出結(jié)果。

總之,智能視覺檢測系統(tǒng)是工業(yè)機器人的必要輔助技術(shù),不僅可以直接利用專門廠商提供的封裝好的軟件,也可以自主研發(fā)軟件來實現(xiàn)同樣的功能。

8.2.3RFID數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

射頻識別(RFID)技術(shù)用于在閱讀器與標(biāo)簽之間進行非接觸式的數(shù)據(jù)通信以達到識別目標(biāo)的目的。依據(jù)標(biāo)簽的供電方式,RFID可分為三類,即無源RFID、有源RFID和半有源

RFID。無源RFID主要工作在較低頻段,常見頻段有125kHz、13.56MHz等。有源RFID主要工作在900MHz、2.45GHz、5.8GHz等較高頻段。

1.RFID連接

利用RS232串口線(9針)將計算機與RFID接口連接起來,其電氣圖如圖8-9所示。圖8-9RS232電氣圖

2.RFID標(biāo)簽寫/讀數(shù)據(jù)

通過RFID數(shù)據(jù)讀取軟件(軟件名為RFID300/600讀寫程序)讀取RFID射頻芯片數(shù)據(jù)。將一個帶有RFID的電子標(biāo)簽放置在RFID讀卡器下,分別點擊“打開”“啟動”按鈕,輸入標(biāo)簽數(shù)據(jù)(如F99),完成后點擊“寫標(biāo)簽”按鈕即可實現(xiàn)RFID標(biāo)簽寫數(shù)據(jù),如圖8-10所示。

圖8-10RFID標(biāo)簽寫數(shù)據(jù)

利用同樣的方法,點擊“讀標(biāo)簽”按鈕即可實現(xiàn)RFID標(biāo)簽讀數(shù)據(jù),如圖8-11所示。圖8-11RFID標(biāo)簽讀數(shù)據(jù)

3.RFID數(shù)據(jù)格式及含義

RFID通過不同的數(shù)據(jù)格式來識別RFID標(biāo)簽。RF260R常見的數(shù)據(jù)格式及含義如下,其中IN為PLC輸入,OUT為PLC輸出。

在RF260R中,將工件顏色和高低不同的RFID射頻芯片數(shù)據(jù)進行了編碼,如表8-2所示。

8.2.4可編程控制器

可編程控制器(PLC)是工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的控制器,其結(jié)構(gòu)組成包括主控制器、擴展模塊及外圍接口。以三菱可編程控制器為例,其結(jié)構(gòu)如圖8-12所示,其中主控制器為FX3U系列,擴展模塊為FX2N-8EX、FX2N-2DA。PLC與擴展模塊的電氣接線圖、PLC與輸入/輸出接口電氣接線圖分別如圖8-13和圖8-14所示。

圖8-12三菱可編程控制器結(jié)構(gòu)

圖8-13PLC擴展模塊電氣接線圖

圖8-14PLC控制器與輸入/輸出電氣接線圖

8.2.5變頻器

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù),通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備,主要由整流(交流變直流)單元、濾波單元、逆變(直流變交流)單

元、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)的開、斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率,根據(jù)電機的實際需要來提供電源電壓,進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的。

變頻器主要用于調(diào)節(jié)電機,控制可調(diào)傳輸皮帶的速度。變頻器接線圖如圖8-15所示。

圖8-15變頻器接線圖

8.2.6軟件

軟件是工業(yè)機器人及工業(yè)自動化系統(tǒng)的靈魂,是人機交互的接口,在工業(yè)機器人和工業(yè)自動化中有著重要的地位。通過軟件為硬件系統(tǒng)賦予了人機交互的功能,才能使系統(tǒng)柔

性化和個性化。

1.機器人3D仿真與在線調(diào)試軟件

機器人3D仿真與在線調(diào)試軟件包括窗口設(shè)計/展示區(qū)、文本編輯區(qū)、位置列表區(qū)、屬性指示區(qū)、項目管理器等。

2.機器人遠(yuǎn)程控制軟件

機器人遠(yuǎn)程控制軟件可利用第三方開發(fā)軟件(如VB、VC++等)編寫控制程序來對機器人進行實時遠(yuǎn)程控制。

3.離線編程軟件

離線編程軟件可實現(xiàn)3D模型導(dǎo)入、軌跡規(guī)劃、運動仿真、機器人軌跡和工藝雙重代碼輸出等功能,集成了碰撞檢測、關(guān)節(jié)限位調(diào)整、軌跡補償于一體的離線編程方法,可演示逼真的模擬動畫。

4.工件裝配流程編輯軟件

工件裝配流程編輯軟件用于為控制器指定裝配任務(wù),具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計和管理功能,可對生產(chǎn)過程中的信息進行分析、存儲、傳遞、產(chǎn)生報表等操作。

8.3工業(yè)機器人與工業(yè)自動化應(yīng)用案例

8.3.1KEBA工業(yè)機器人應(yīng)用案例1.KEBA工業(yè)機器人控制系統(tǒng)KEBA工業(yè)機器人控制系統(tǒng)包括控制器、驅(qū)動器、伺服電機、減速機、負(fù)載、末端執(zhí)行機構(gòu)、系統(tǒng)保護裝置及各種輸入/輸出接口等,控制器是工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的中樞。圖8-16所示為KEBA工業(yè)控制器。

圖8-16KEBA工業(yè)控制器

2.基于工藝需求的KEBA工業(yè)機器人設(shè)計開發(fā)

1)設(shè)計工業(yè)流程

根據(jù)需求規(guī)劃機器人手的運動路徑。運動是基于位置點的控制,因此,需要定義機器人的關(guān)鍵位置點。為了編程語言的可讀性,特做如下規(guī)定:工位點變量定義為XPUDotij。

其中,ij為位置標(biāo)號。例如,第一個工位點的位置定義為XPUDot10。機器人的初始位置點

為XPUHome。具體規(guī)劃路徑如圖8-17所示。

圖8-17機器人手的運動路徑

2)定義程序變量

(1)新建程序。執(zhí)行示教器上的“主菜單”→“文件”→“新建項目”,項目名稱為PickOne,新建主函數(shù)名稱為main,新建子程序名稱為Pick和PickReturn。

(2)定義位置變量。執(zhí)行示教器上的“主菜單”→“變量”→“變量監(jiān)測”,選擇“項目[PickOne]”中的“變量”→“新建”→“位置”→“變量:CARTPOS”→“名稱:XPUDot10”,點擊“確定”按鈕即定義了位置變量。采用同樣的方法定義變量XPUDot10、XPUDot11、XPUDot20

和XPUDot21

(3)定義速度變量。執(zhí)行示教器上“主菜單”→“變量”→“變量監(jiān)測”,選擇“項目[PickOne]”中的“變量”→“新建”→“動力學(xué)及重疊優(yōu)化”→“變量:DYNAMIC”→“名稱:XPUSpeed”,點擊“確定”按鈕即定義了速度變量。

(4)定義氣閥開合變量。執(zhí)行示教器上“主菜”→“變量”→“變量監(jiān)測”,選擇“項目[PickOne]”中的“變量”→“新建”→“輸入輸出模塊”→“變量:DOUT”→“名稱:XPUOpenClose”,點擊“確定”按鈕即定義了氣閥開合變量。

3)關(guān)聯(lián)變量與氣閥

執(zhí)行示教器上“主菜單”→“變量”→“檢測變量”,選中XPUOpenClose(Port:

MAPTOBOOL:IoDOut)并設(shè)置為0,點擊“確定”按鈕即將變量和氣閥的開合關(guān)聯(lián)起來。

4)編寫main函數(shù)

加載主函數(shù):執(zhí)行示教器上“主菜單”→“項目[PickOne]”→“main”→“加載”。

回原點:執(zhí)行“系統(tǒng):LABLE(命名:XPULoop)”→“新建”→“運動:PTP(pos:

POSITON_(XPUHome)、dyn:DYNAMIC_(XPUSpeed))”。

5)編寫Pick子函數(shù)

加載程序:執(zhí)行示教器上“主菜單”→“項目[PickOne]”→“Pick”→“加載”,將程序載入內(nèi)存中。

6)編寫PickReturn子函數(shù)

加載程序:執(zhí)行示教器上“主菜單”→“項目[PickOne]”→“PickReturn”→“加載”,將程序載入內(nèi)存中。

7)示教器實例化對象

切換到單步模式:執(zhí)行示教器上“菜單”→“項目[PickOne]”→“main”→“加載”,切換示教器上的“★”到STEP模式。

8)運行程序

執(zhí)行示教器上“主菜單”→“項目[PickOne]”→“main”→“加載”,將鑰匙旋至中間的自動擋位,按示教器上“PWR”按鈕,即可開始運行程序。

9)程序備份

執(zhí)行示教器上“文件”→“輸出”→“選擇U盤:KeTop”,即可將控制器的程序備份存儲到U盤上,具體代碼可掃描右側(cè)二維碼。

10)結(jié)果分析

根據(jù)模型計算,分析關(guān)節(jié)角度與末端執(zhí)行器的位置關(guān)系以及工業(yè)機器人的重復(fù)精度與速度關(guān)系。

8.3.2基于三菱工業(yè)機器人應(yīng)用案例

1.需求描述

總體需求為將四個編號(1、2、3、4)、顏色(藍、紅、黃)、高度(高、低)不同的工件分別放入指定的三個裝配臺。

1)工件盒出料

當(dāng)“工件盒庫”檢測到有工件盒且出料臺的光電傳感器檢測到空位時,則“推料氣缸”,即向外推出工件盒。

當(dāng)“工件蓋庫”檢測到有工件蓋且出料臺的光電傳感器檢測到空位時,則“推料氣缸”,即向外推出工件蓋。

2)機器人放置工件盒

機器人將工件盒分別抓取放在1、2、3號裝配臺。

3)工件料桶出料

當(dāng)“工件料桶”內(nèi)檢測到工件時,四個“工件料桶”分時推出工件,經(jīng)過環(huán)形輸送線傳送。

4)RFID檢測

當(dāng)嵌入RFID卡的工件到達RFID讀寫器時,PLC主控制器通過RFID讀寫器讀出工件的RFID標(biāo)簽信息。

5)視覺檢測

機器人抓取相機對工件進行視覺檢測,通過視覺算法比對工件的編號和顏色。如果視覺檢測為不合格,那么機器人會抓取工件盒放入“廢料筐”;如果視覺檢測為合格,那么機

器人將調(diào)整工件到合適的角度。另外,機器人會將調(diào)整好的工件盒放到橫向檢測臺,對工件盒拍照進行工件高度一致性檢測。如果檢測不合格,那么機器人抓取工件盒放入“廢料

筐”;否則,便會進入“工件盒入庫”流程。

6)工件盒入庫

如果倉庫有空位,則機器人會抓取工件盒將其放置于倉庫空位處,并依次將所有的工件盒入庫,直到結(jié)束為止。

2.系統(tǒng)硬件及電氣描述

系統(tǒng)本體選用六自由度、3kg的三菱機器人,示教器單元采用R33TB,機器人控制器采用三菱的CR751-D,智能視覺控制器采用歐姆龍FZ5-L350,相機采用面陣相機FZ-SC,

PLC控制器采用三菱的FX系列的控制器FX3U-64M。硬件描述如表8-3所示。

機器人手的電氣信號由8路輸出信號(即OUT-900至OUT-907)和8路輸入信號(即IN-900至IN-907)構(gòu)成,各信號變量名稱定義,如表8-4所示。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計需要軟件設(shè)計、程序編寫、程序運行和排錯等過程。

軟件設(shè)計內(nèi)容主要包括:明確總體需求,且進行需求分析;闡述整個設(shè)計思路的概要、軟件設(shè)計目的、解決的問題及解決方法的整體思路;描述設(shè)計具體內(nèi)容,包括總體框架、分

部搭建、分部間關(guān)系、邏輯關(guān)系處理、功能表述等;明確軟件設(shè)計流程可能的阻礙和處理方法;形成設(shè)計過程的初步計劃。程序編寫是系統(tǒng)軟件設(shè)計核心,也是體現(xiàn)軟件功能和性能的重要模塊。具體步驟如下:

(1)根據(jù)工藝機器人的工藝需求,定義程序所用的關(guān)