鋼桶螺紋蓋機器人旋緊控制系統(tǒng)_徐超

1、 第 34 卷 第 6 期2016 年 12 月 輕工機械 Light Industry MachineryVol 34 No 6 Dec 2016 自控檢測 DOI: 10 3969 / j issn 1005-2895 2016 06 014 鋼桶螺紋蓋機器人旋緊控制系統(tǒng) 徐 超1，2 ，平雪良1，2 ，鞠明華3 ( 1 江南大學 君遠學院，江蘇 無錫 214122; 2 江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122;3 無錫四方友信股份，江蘇 無錫 214092)摘 要: 為了解決人工操作或機械半自動化旋緊鋼桶螺紋蓋所帶來的弊端，提出采用工業(yè)機械臂對其進行自動旋緊。運用 EtherC

2、AT 總線技術(shù)，通過 CoDeSys 開發(fā)軟件，設(shè)計開發(fā)了一種機器人旋緊控制系統(tǒng)，使得機器人可以對鋼桶螺紋蓋進行自動抓取、定位和旋緊，完成相應的工序。該設(shè)計實現(xiàn)了鋼桶螺紋蓋旋緊的自動化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。 關(guān) 鍵 詞: 包裝鋼桶; 螺紋蓋; EtherCAT 總線技術(shù); 工業(yè)機械臂 中圖分類號: TP242文獻標志碼: A文章編號: 1005-2895( 2016) 06-0066-04 Screwing Control System of Steel Drums Thread Steel Cover obot XU Chao1，2 ，PING Xueliang1，2 ，JU Mi

3、nghua3 ( 1 School of Jun Yuan，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122，China; 2 School of Mechanical Engineering， Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122，China; 3 Wuxi Sifang Youxin Co ，Ltd ，Wuxi，Jiangsu 214092，China) Abstract: In order to increase productivity and solve the drawbacks of manual or ha

4、lf automatic screwing thread steel covers，the industrial manipulator was proposed to used to screw it automatically A robot control system was designed for steel drums thread steel covers screwing，and the construction of the system was completed based on EtherCAT bus technologies by CoDeSys software

5、 The system can realize automatic production by the robot which grasps and screws thread steel covers automatically Key words: steel drum for packaging; thread steel covers; EtherCAT bus technologies; industrial manipulator 20 世紀 70 年代以來，現(xiàn)代制桶工業(yè)進入快速發(fā)展時期1，包裝用途的鋼桶需求量更是日益增加，因此實現(xiàn)自動化生產(chǎn)是鋼桶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。目前國際上發(fā)達國家

6、已初步實現(xiàn)鋼桶生產(chǎn)的自動化，但國內(nèi)的鋼桶生產(chǎn)線還未達到先進的自動化水平。在鋼桶的生產(chǎn)中，螺紋蓋的旋緊直接關(guān)系到鋼桶整體封閉性，是生產(chǎn)流水線中至關(guān)重要的一道工序; 而大部分國內(nèi)公司的生產(chǎn)流水線上該工序依然處于人工操作或機械半自動化的加工方式，不但嚴重影響了整個流水線的生產(chǎn)效率，而且難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。針對這一問題，本文提出以機械臂代替人工旋緊的方式，實現(xiàn)螺紋蓋旋緊的自動化，從而提高整體的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。鋼桶螺紋蓋機器人不僅要適應不同容積鋼桶的螺紋蓋自動抓取、自動旋緊，而且要求裝夾螺紋蓋方便，旋緊速度快，滿足生產(chǎn)線對螺紋蓋旋緊的速度要求。本文主要針 對鋼桶流水線螺紋蓋旋緊的實際生產(chǎn)要求，結(jié)合機器

7、臂本體提出一種機器人自動定位旋緊控制系統(tǒng)。 1鋼桶螺紋蓋旋緊需求分析 鋼桶螺紋蓋旋緊是鋼桶生產(chǎn)過程中必不可少的工序，具體工序為: 抓取螺紋蓋; 將螺紋蓋放置在鋼桶桶蓋對應位置; 旋緊。 本文提出采用機器人來實現(xiàn)以上工序，從而實現(xiàn)鋼桶的連續(xù)、高效自動化生產(chǎn)，滿足企業(yè)的生產(chǎn)要求。根據(jù)工藝要求，采用工業(yè)六軸機械臂加專用的末端執(zhí)行器方案來完成螺紋蓋抓取、旋緊的相關(guān)動作，其流程如圖 1 所示。 由于桶蓋上需要旋緊不同大小的 2 個螺紋蓋，故選用 2 個機械臂同時工作，以提高生產(chǎn)效率。鋼桶桶蓋及螺紋蓋如圖 2 所示。每個機械臂的動作過程相同，其整體方案如圖 3 所示。 收稿日期: 2016-05-05;

8、修回日期: 2016-06-07 作者簡介: 徐超( 1993) ，男，吉林舒蘭人，碩士研究生，主要研究方向為機電一體化與機器人技術(shù)。E-mail: 2805791219 qq com 徐 超，等: 鋼桶螺紋蓋機器人旋緊控制系統(tǒng)67自控檢測均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其中一、四、六關(guān)節(jié)做回轉(zhuǎn)運動，二、三、五關(guān)節(jié)做俯仰運動，因本體電機為多摩川系列電機，本文選用支持 EtherCAT 的固高 GTHD 系列驅(qū)動器，如圖 4( b) 所示。該驅(qū)動器為新一代高性能處理器，其功率范圍為 100 3 000 kW，支持各種不同的應用和要求，可靠性高。 圖 1 機械臂動作流程 Figure 1 Motion proces

9、s of manipulator圖 4 機器人本體和驅(qū)動器Figure 4 obot and drive 2 2控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 控制系統(tǒng)由工控機、示教盒、支持 EtherCAT 通信的伺服驅(qū)動器、伺服電機、帶總線耦合的 I / O 模塊和機械本體組成，其中工業(yè) PC 搭載CoDeSys 軟件作為整個機器人控制系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)的核心部分，負責整個工作過程中的控制算法、實時操作、機器人各個關(guān)節(jié)電機的運動控制、核心插補、生成文件代碼以及信號采集與處理等功能。 示教再現(xiàn)、語言編輯、狀態(tài)顯示等人機交互功能通過示教盒完成。 工業(yè)PC 通過EtherCAT 總線與伺服驅(qū)動器進行連接通信，并采用一主多

10、從的控制模式和線性串行拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3來搭建機器人運動控制系統(tǒng)。整體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。 圖 2 鋼桶桶蓋及螺紋蓋Figure 2 Steel drum barrelheadand thread steel covers 圖 3 整體流水線簡圖 Figure 3 Brief figure whole of assembly line 機器人控制系統(tǒng)總體方案 22 1機器人結(jié)構(gòu)方案 根據(jù)工序要求，機械臂可選用六自由度關(guān)節(jié)機器 人，考慮到現(xiàn)有的機器人系統(tǒng)通常不具備開放性，而開 放式控制系統(tǒng)是目前國際上控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2， 所以本文在選購本體的基礎(chǔ)上自行開發(fā)控制系統(tǒng)。 根據(jù)鋼桶桶徑的大小和實際流水線的

11、空間布局， 由相關(guān)計算可得，所需機械臂的臂展為 500 mm。經(jīng)過比較分析，最終選用國產(chǎn)品牌埃夫特機械臂，具體型號為 E3A-C60，如圖 4 ( a) 所示，最大臂展為 630 mm，高度為 732 mm，滿足生產(chǎn)要求。該機器人的 6 個關(guān)節(jié) 圖 5 硬件體系結(jié)構(gòu) Figure 5 Structure diagram of hardware structure 68輕工機械Light Industry Machinery2016 年第6 期通信主站采用安裝有 CoDeSys 的嵌入式工控機， 從站為帶有 EtherCAT 通口的伺服驅(qū)動器和帶有總線耦合的 I / O 擴展模塊，主站與從站，從

12、站與從站之間通過 EtherCAT 總線進行通信4。 機器人控制系統(tǒng)采用工業(yè) PC 搭載 CoDeSys 軟件為控制核心的方式與傳統(tǒng)運動控制卡的方式相比，既節(jié)省了運動控制卡的硬件成本，又使得系統(tǒng)具有非常強的開放性，便于根據(jù)不同的控制情況進行相應的修改， 使得整個控制系統(tǒng)的擴展性增強。 2 3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是整個控制系統(tǒng)的核心， CoDeSys 基于 PC 承擔了整個控制系統(tǒng)的主要任務5， 根據(jù)鋼桶流水線的實際生產(chǎn)要求，對于工業(yè)機器人采用模塊化控制方式，從而使得整個系統(tǒng)的擴展性和通用性得到提高，主要包括運動控制模塊、文件管理模 塊、示教模塊、I / O 處理模塊和通信模塊

13、等，軟件結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。 圖 7 系統(tǒng)運行流程圖 Process diagram of system running Figure 7圖 8半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 Figure 8 Structure diagram of semi closed loop servo system 定位旋緊系統(tǒng) 機器人的末端執(zhí)行裝置由真空吸盤和旋緊機構(gòu)組 2 5成，如圖 9 所示。圖 6 軟件結(jié)構(gòu)圖 Figure 6 Structure diagram of software structure控制系統(tǒng)采用德國 3S 公司開發(fā)的 CoDeSys 編程系統(tǒng)6-7，在 Windows7 操作系統(tǒng)下，采用 C

14、 + 語言進行編制的，并將編制好的程序在 CoDeSys 上以動態(tài)鏈接庫的形式進行調(diào)用，并下載到裝有 WinCE 的嵌入式工控機上運行8。系統(tǒng)運行流程如圖 7 所示。 2 4伺服驅(qū)動系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分，是控制系統(tǒng)圖 9 鋼桶螺紋蓋機器人末端執(zhí)行器Figure 9 End effector of steel drums thread steel cover robot 與軸關(guān)節(jié)的傳動紐帶，其性能的好壞直接影響機器人的運動特性和工作能力，伺服電機的性能直接影響整個機器人精度。根據(jù)實際生產(chǎn)要求，本文控制系統(tǒng)采用半閉環(huán)伺服結(jié)構(gòu)，如圖 8 所示。 控制算法采用計算機數(shù)字控制方式，通過

15、 PID 數(shù)字控制器對其進行控制; PID 控制兼有比例、積分和微分 3 種基本控制規(guī)律的優(yōu)點，可使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài) 性能都得到相應的改善。 吸盤主要負責螺紋蓋的抓取，旋緊裝置就是將螺紋蓋旋緊。 本文通過示教再現(xiàn)的方式對機器人的動作過程進行編程; 當檢測到待旋緊螺紋蓋到達傳送帶指定位置時，機械臂開始運動，完成程序規(guī)定的相應動作。 ( 下轉(zhuǎn)第 72 頁) 72輕工機械Light Industry Machinery2016 年第6 期動通風機控制溫度的信號。 SJA1000 和收發(fā)器 PCA82C250 構(gòu)成的 CAN 總線通信系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，通過 CAN 總線通口適配卡將上位機與各控制節(jié)點相

16、聯(lián)，實現(xiàn)隧道通風監(jiān)控系統(tǒng)的整體功能。系統(tǒng)利用 CAN 總線技術(shù)，采用分布式結(jié)構(gòu)，將整個監(jiān)控系統(tǒng)連成了一個有機的整體，具有傳輸距離遠、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多等特點，大大提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。 參考文獻: 1楊超，王志偉 公路隧道通風技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J 地下空間與工程學報，2011，7( 4) : 205 210 2陽憲惠 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用M 北京: 清華大學1999 ， 3鄔寬明 CAN 總線原理及應用系統(tǒng)設(shè)計M 北京: 北京航空航天大學，1996 4陳光景 隧道監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究D 西安: 西安石油大學: 5 16 王恩鴻，李立明，黃建坊 軌道交通隧道智能環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計J 上海工程

17、技術(shù)大學學報，2016，30( 2) : 51 56 杜尚豐，曹曉鐘，徐津 CAN 總線測控技術(shù)及其應用M 北京: 電圖 8 通風系統(tǒng)控制 節(jié)點主程序流程圖Figure 8 Main program flow chart of ventilation system control nodes 圖 9 檢查及處5理子程序流程圖Figure 9 Flow chart of inspection and handling subroutine 6子工業(yè)，2006 7王立華，江楠 基于 CAN 總線的分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計J 儀表技術(shù)，2015( 1) : 16 18 杜華程，許同樂，黃湘俊，等 基于

18、 CAN 總線的智能傳感器節(jié)點設(shè)計與應用J 傳感器與微系統(tǒng)，2015，34( 2) : 88 90 張永春，王雁平 基于 CAN 總線的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J 儀表技術(shù)與傳感器，2010( 12) : 57 59 高俊 基于 CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)的智能測控系統(tǒng)的設(shè)計J 輕工機械，2006，24( 2) : 110 113 郭彥青，宋全偉 基于 C8051F 單片機的 PCI-CAN 適配卡設(shè)計與實現(xiàn)J 航空精密制造技術(shù)，2015，51( 3) : 21 23 84 結(jié) 語 隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要擔負著對機電設(shè)備的實時集中監(jiān)控和各系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)聯(lián)動兩大功能。本文基于CAN 總線技術(shù)，設(shè)計了隧道監(jiān)控系統(tǒng)

19、中的隧道通風系統(tǒng)。利用帶有在片 CAN 的 P80C592 微處理器對多路監(jiān)測信號進行采集和處理，并控制 CAN 總線控制器 91011檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭 ( 上接第 68 頁) 鋼桶的定位由鋼桶夾持機構(gòu)完成，當鋼桶到達旋緊工位時，定位裝置動作，保證鋼桶螺紋口位于確定的位置上，并告知機械臂進行旋緊，從而避免旋緊過程中可能出現(xiàn)的錯位現(xiàn)象。 于工業(yè)的發(fā)展具有深遠的意義，同時機器人本身也具有廣闊的發(fā)展前景9。 參考文獻: 1楊文亮 中國鋼桶包裝工業(yè)的發(fā)展N 中國包裝報，2010-07-23 ( 2) 王天然，曲道奎 工業(yè)機器人控制系