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      機器人智能分揀系統

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-03-06 08:16:21    瀏覽次數:4    評論:0
      導讀

      工業機器人起源于二十世紀五十年代,在二十世紀九十年代得到快速發展,是目前最先產業化的機器人技術。分揀機器人,是一種具備了傳感器技術、物鏡技術和電子光學系統的機器人,經過系統設置可以快速進行貨物分揀。這種分揀技術綜合了計算機技術、控制論、機構學、信息學和傳感技術以及人工智能等多學科交叉而形成發展的高新

      工業機器人起源于二十世紀五十年代,在二十世紀九十年代得到快速發展,是目前最先產業化的機器人技術。分揀機器人,是一種具備了傳感器技術、物鏡技術和電子光學系統的機器人,經過系統設置可以快速進行貨物分揀。這種分揀技術綜合了計算機技術、控制論、機構學、信息學和傳感技術以及人工智能等多學科交叉而形成發展的高新技術。

      智能制造作為最新一代信息通信技術系統與制造技術系統融合發展的產物,代表著先進制造技術系統發展的主要方向,工業機器人是將實現智能制造系統的一類重要而特殊的載體。智能制造技術與工業機器人技術不僅會促進制造業發展,也將促進制造新業態的誕生。

      工業機器人作為一種新型勞動力,正悄然改變著制造業的用工模式,隨著人口紅利的消退、制造業回歸和再工業化的發展,工業機器人技術相關人才培養已經成為當今炙手可熱的人才培養方向,以人為主的生產模式正逐漸向以機器人為主的創新驅動模式的轉變[2]。

      人工智能技術主要是以信息技術、通信技術、自動化技術與制造產業技術為核心交叉而融合在一起基礎,實現跨企業產品生產價值網絡的橫向集成,最終貫穿企業現場層、設備層、控制層、管理層的綜合縱向集成以及從產品設計開發、生產計劃到售后服務全生命周期的工程數字化集成。

      1 搬運機器人控制系統的研究

      搬運機器人控制系統主要是由智能視覺系統、托盤自動化生產線、工業機器人、AGV小車機器人、工件禮品盒、立體倉庫等幾個部分組成。如圖1所示

      圖1 控制系統功能圖

      搬運機器人自動化控制系統主要工作的目的是AGV小車機器人將已經從立體自動化倉庫上取出的系統工件,搬運到托盤流水線上,智能視覺系統對托盤流水線中的工件物體進行拍照識別,最后禮品工件盒由工業機器人抓取盒分類裝箱,圖2是需要分揀的工件

      圖2 需要分揀的工件

      如圖3所示,每個托盤上可放1-3個工件盒,在托盤的有效區域內(托盤兩側設計有檔條,兩個檔條中間為工件放置有效區);

      圖3 分揀工件放置托盤中的狀態

      如圖4所示,托盤進入工件檢測位置,智能相機可對托盤中的工件種類和坐標進行提取和數據處理[3],以便將數據提供給工業機器人進行抓取和產品識別。

      圖4 視覺系統檢測位置

      圖5為工件盒平面圖,每個工件盒有8格,每格可放1-2層,最多放16個件,工件盒生產線最多放置3個工件盒。

      圖5 工件盒位置擺放及小格編號

      2 搬運機器人自動分揀系統的硬件分析

      2.1 生產流水線

      圖6 流水線

      托盤流水線采用倍速鏈,共設6個托盤工位。1,2,4,6處設有檢測托盤有無傳感器。托托盤流水線采用倍速鏈,共設6個托盤工位。1,2,4,6處設有檢測托盤有無傳感器。其中1號工位為機器人抓取工位;4號工位——視覺檢測工位;6號工位——入口工位(與AGV小車交互工位)

      如圖6所示流水線主要目的是由工業機器人將托盤中的物品工件通過真空吸盤吸住再放到相應物品盒中。流水線主要負責把物品托盤輸送到視覺檢測系統工位,經視覺定位系統識別后輸送到抓取系統工位。當全部取完貨品托盤中的貨物時,再由工業機器人機械手通過另一套真空吸盤將6個托盤吸放到空托盤存放的位置[4]。托盤流水線共設6個托盤工位,后端為智能小車裝卸貨物處,從前端開始分別定義為流水線工位為1、2、3、4、5、6號工位系統,在2 號和4號工位系統處裝有止停氣缸。在1、2 、4 、6工位系統處裝有托盤有無檢測傳感器,從小車上過來的貨品托盤,經傳送機構傳送到到托盤流水線,入口6號工位系統處設有托盤檢測傳感器。托盤依次排列,當4號位檢測開關檢測到有托盤時,氣缸伸出,停止待待檢測托盤。當控制系統上的所有貨品卸完以后,空托盤將被機械手移載到空托盤存放處,空托盤存放處設有滿位檢測傳感器,通常情況下,應通過計數的方法對空托盤數量進行管理,當發生差錯或異常時,滿位檢測傳感器接通,防止托盤堆放產生跌落。當發生報警信號時工作人員需把空托盤移走。

      2.2 視覺系統

      視覺系統安裝于托盤流水線中,當托盤貨物到視覺檢測工位系統時,視覺系統對托盤內的貨物進行視覺識別,并把識別的位置,形狀等特征數據給到中央控制器和分揀機器人,由工業機器人根據最終存放的位置執行最終相應的動作。

      光源源控制器分為SIC-242 及SIC-122 兩種型號,內置兩路可控光源輸出,兩路相機觸發端,及五路相機數據輸出端,AB 端子為RS485 通訊端口,兩路光源手動調節開關,預留7 路站號選擇。

      光源控制的通訊指令:

      寫指令:10(MRGW)

      地址: 數值:00 00 0000——關,0001——開00 01 PWM1 亮度值范圍: 0000-00FF

      00 02 PWM2 亮度值范圍: 0000-00FF00 03 PWM3 亮度值范圍: 0000-00FF

      00 04 PWM4 亮度值范圍: 0000-00FF

      注:亮度值0000 為最暗,00FF 為最亮,超出范圍的數值不處理,上電時各通道PWM 亮度值自動設置為半量程,即0080。光源控制器的跳冒接在內側為通訊狀態下。[5]

      注意:燈在高亮度使用時會發熱,長時間處于高溫度下工作會減少燈的使用壽命,因此盡量不要在高亮度時長時間工作。

      圖7 視覺系統

      PLC 控制光源亮度程序樣例

      控制第二路光源:

      注解:

      1) 接線:光源控制器的A、B 接到PLC 的A、B

      2) 程序說明:

      MRGW K1 K0 K1 D0 K2

      K1:光源控制器站號K0:控制光源亮度的使能位D0:寫入1 時使能MRGW K1 K2 K1 D1 K2

      K1:光源控制器站號K2:控制第2 路光源亮度,若調節第1 路則將K2 改為K1D1:光源亮度范圍0-255,將光源控制模式轉換開關的右端兩個針短接,即為ON 模式,此時光源亮度由旋鈕來設置,上下兩個旋鈕分別控制第一路和第二路光源。使用通訊調節亮度將光源控制模式轉換開關的左端兩個針短接,即為OFF 模將光源控制模式轉換開關的左端兩個針短接,即為OFF 模式,此時由通訊設置光源亮度。

      2.3 禮品盒流水線

      圖8 禮品盒流水線

      禮品盒流水線為鋁型材框架,上方采用板鏈輸送。板鏈上方有定位元件,3個禮品盒固定在板鏈上不會滑動。采用步進電機驅動,運動精度高,可以進行雙向運動。 板鏈輸送帶上安裝有原點、極限行程開關,配合步進電機的運動,可以精確定位禮品盒具體位置。輸送帶上方還可安裝對射式傳感器,用于檢測禮品盒位置。禮品盒流水線從左到右設為1-5工位系統,當前禮品盒處于2 3 4工位系統,定義為禮品盒A、B、C,機器人裝載3號工位系統的禮品盒,即B禮品盒。若禮品盒內某一規定品種的格子已經裝滿,可以通過禮品盒的正反向雙向運動更換工作禮品盒。

      2.4 搬運機器人

      如圖9所示,搬運機器負責把視覺系統識別的信號坐標經過PLC轉換存儲,等到托盤到機器人搬運的工位系統時,調用搬運工位系統的物品數據,機器人根據坐標信號進行對物品的進行抓取。然后機器人根據物品的類型,對物品進行分類型擺放,或者針對性擺放到禮品盒流水線上的禮品盒中。

      工業機器人放件系統是根據任務要求,對物品進行碼放。首先,流水線上面的托盤到達視覺系統識別工位系統,視覺系統對托盤中禮品進行識別,PLC跟視覺系統進行通訊讀取視覺系統沒次識別的數據信息,[6]PLC進行對視覺系統識別的數據進行數據運算,轉換成機器人坐標的信息,并將這些數據有順序的保持到PLC中央處理器中,當托盤中經過流水線的傳送到機器人搬運工位系統后,PLC將調用這個托盤中物品數據信息,并且根據托盤中物品類型的不同按照先后順序進行抓取。放件的系統主要是根據工件類型的不同設計程序所放置的位置。

      圖9 搬運機器人

      3 搬運工業機器人系統通訊

      3.1 PLC與視覺系統的通訊設計

      PLC與智能視覺系統通訊需要預先進行PLC的硬件地址的配置,本系統的單元名稱為傳送單元,PLC型號為西門子CPU215C。自動化立體倉庫碼垛機單元CPU1215C / EM221*2 /它的硬件地址配置如表一所示。

      圖10 plc與視覺通訊

      PLC與視覺系統是采用TCP/IP modbus通訊方式,當物體在流水線上到達視覺系統識別工位系統時,PLC會給視覺系統一個信號,觸發視覺系統對托盤中的物體進行視覺識別,PLC通過通訊的方式讀取視覺系統識別的數據,從而進行轉換,并保存。[7]設置參數如下:

      PLC對視覺系統進行度操作

      圖11 PLC對視覺系統的設置參數

      詳細參數設置為:REQ與 Modbus TCP服務器之間的通信請求REQ 參數受到等級控制。這意味著只要設置了輸入(REQ=true),指令就會發送通信請求。其它客戶端背景數據塊的通信請求被阻止。在服務器進行響應或輸出錯誤消息之前,對輸入參數的更改不會生效。

      如果在請求期間再次設置了參數REQ,此后將不會進行任何其它傳輸。

      DISCONNECT通過該參數,可以控制與 Modbus 服務器建立和終止連接:0:建立與指定 IP地址和端口號的通信連接。1:斷開通信連接。在終止連接的過程中,不執行任何其它功能。成功終止連接后,STATUS參數將輸出值7003。而如果在建立連接的過程中設置了參數 REQ,將立即發送請求。

      CONNECT_ID確定連接的唯一ID。指令“MB_CLIENT”和“MB_SERVER”的每個實例都必須指定一個唯一的連接ID。Modbus TCP服務器IP地址*中的八位字節。

      3.2 PLC與工業機器人通訊

      將分揀自動化控制系統中的PLC作為控制主體,工業機器人為自動化控制系統中PLC的一個控制模塊,即工業機器人通過編寫一個執行函數,最終執行自動化PLC的控制指令;控制系統中的PLC通過TCP/IPModbus總線協議的網口通訊與工業機器人進行通訊,實現對分揀系統的工業機器人的控制指令傳輸,所述分揀自動化控制系統PLC與工業機器人發送的控制指令以二進制、ASCII碼的通訊格式傳輸數據;

      工業機器人接收到分揀控制指令后,通過執行函數指令解析控制指令內容并執行指令動作,動作執行結束后給分揀自動化控制系統PLC反饋一個二進制數據信號;自動化分揀系統PLC接收到反饋信號后繼續向工業機器人控制系統發送下一個控制指令,如果接收不到反饋信號的話,則PLC將處于等待狀態,直至等待時間達到我們預先設定的告警時間閾值,進行故障告警。

      3.3 系統的控制要求

      1)工件的擺放要把8個空托盤機器人放入托盤收集處。

      2)托盤進入托盤流水線的智能相機位置處,識別托盤中工件的種類、位置、角度等信息,并傳送給PLC。

      3)工業機器人抓取托盤流水線上的工件,并按照圖12要求進行擺放,B工件盒同一小格疊放兩層,且兩層工件類型一樣,A工件盒號和B工件盒單層擺放。

      4)工業機器人擺放工件時,對應擺放工件的工件盒必須輸送至工件盒生產線的8號工位系統。

      5)由于工業機器人是按照相機模塊已經按照圖13智能相機工件信息及對應通信地址構建,相機程序中對應工件的通信地址一定要按照圖13進行編寫。

      圖12 工件擺放要求

      圖13 相機工件信息

      3.4 系統的程序的實現

      通過以下程序實現智能分揀

      "CameraDataGet_DB"(BoxNo := 1,

      TargetNo := #TargetNo,

      TargetType => #TargetType);

      IF "GVL".gbRst OR "FirstScan" THEN

      #icnt1 := 1;

      #icnt2 := 1;

      #icnt3 := 1;

      #icnt4 := 1;

      #iPutArrayGridno1[1] := 12;

      #iPutArrayGridno1[2] := 23;

      #iPutArrayGridno1[3] := 26;

      #iPutArrayGridno1[4] := 37;

      #iPutArrayGridno2[1] := 21;

      #iPutArrayGridno2[2] := 24;

      #iPutArrayGridno2[3] := 35;

      #iPutArrayGridno2[4] := 38;

      #iPutArrayGridno3[1] := 11;

      #iPutArrayGridno3[2] := 14;

      #iPutArrayGridno3[3] := 25;

      #iPutArrayGridno3[4] := 28;

      #iPutArrayGridno4[1] := 17;

      #iPutArrayGridno4[2] := 22;

      #iPutArrayGridno4[3] := 27;

      #iPutArrayGridno4[4] := 32;

      END_IF;

      IF (("DB_RbtState".bRbtDone1 AND NOT ("DB_RbtState".bRbtCatchNull1)) OR

      ("DB_RbtState".bRbtDone2 AND NOT ("DB_RbtState".bRbtCatchNull2)) OR

      ("DB_RbtState".bRbtDone3 AND NOT ("DB_RbtState".bRbtCatchNull3))) THEN

      "CameraDataGet_DB"(BoxNo := 1,

      TargetNo := #TargetNo - 1,

      TargetType => #TargetType);

      IF #TargetType = 1 THEN

      #icnt1 := #icnt1 + 1;

      ELSIF #TargetType = 2 THEN

      #icnt2 := #icnt2 + 1;

      ELSIF #TargetType=3 THEN

      #icnt3 := #icnt3 + 1;

      ELSE

      #icnt4 := #icnt4 + 1;

      END_IF;

      END_IF;

      IF #TargetType = 1 THEN

      "GVL".giPutBoxNo := #iPutArrayGridno1[#icnt1] / 10;

      "GVL".giPutGridNo := #iPutArrayGridno1[#icnt1] MOD 10;

      ELSIF #TargetType = 2 THEN

      "GVL".giPutBoxNo := #iPutArrayGridno2[#icnt2] / 10;

      "GVL".giPutGridNo := #iPutArrayGridno2[#icnt2] MOD 10;

      ELSIF #TargetType = 3 THEN

      "GVL".giPutBoxNo := #iPutArrayGridno3[#icnt3] / 10;

      "GVL".giPutGridNo := #iPutArrayGridno3[#icnt3] MOD 10;

      ELSIF #TargetType = 4 THEN

      "GVL".giPutBoxNo := #iPutArrayGridno4[#icnt4] / 10;

      "GVL".giPutGridNo := #iPutArrayGridno4[#icnt4] MOD 10;

      END_IF;

      4 小結

      本系統基于工業機器人技能大賽,modibus現場總線的PLC自動分揀輸送系統的設計,通過采用構建現場總線控制網絡,實現工業機器人、PLC對各節點設備的控制、配置及數據采集,減少了系統設計、安裝、維護的工作量,提高了控制系統運行的可靠性。

      目前該設備已經投入生產運行。從系統運行實踐表明:該系統功能強大、安全可靠、操作靈活,為生產線的生產創造了明顯的經濟效益,并大大提高了生產效率、自動化生產水平和管理水平。

      參考文獻:

      [1]王建,孫懷榮,杜艷麗.PLC實用技術(歐姆龍)[M].北京:機械工業出版社,2012.

      [2]蕭蘊詩,吳繼偉,許維勝.現場控制系統的研究應用現狀與發展方向[J].微型電腦應用,2001,17(11):5-7.

      [3]王喜成,張振華,劉賢鋒,等.公鑰密碼快速算法與實現技術[M].成都:電子科技大學出版社,2006.

      [4]BERGE Jonas.過程控制現場總線[M].北京:清華大學出版社,2003.

      [5]李廣弟等.PLC基礎[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.

      [6]佟為明,林景波,李輝.基于DeviceNet現場總線的汽總裝生產線控制系統[J].總線技術,2004,(2):54.

      [7]林景波.FA系統產品綜合樣本[Z].中國:歐姆龍(中國)有限公司,2006.


       
      (文/小編)
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