第8章工業機器人與工業自動化8.1工業機器人相關標準與規范8.2工業機器人與工業自動化系統8.3工業機器人與工業自動化應用案例

8.1工業機器人相關標準與規范

1.消防安全法規

《中華人民共和國消防法》

《移動式壓力容器安全技術監察規程(TSGR0005—2011)》

《特種設備安全監察條例(國務院令第373號)》

《容積式空氣壓縮機安全要求GB22207—2008》

2.配電規范

《動力機器基礎設計規范GB50040—96》

《供配電系統設計規范GB50052—95》

《低壓配電設計規范GB50054—2009》

《通用用電設備配電設計規范GB50055—93》

《電力工程電纜設計規范GB50217—94》

《電力裝置的電測量儀表裝置設計規范GBJ63—90》

3.可編程控制標準

《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:設備要求和試驗》

《BSEN61131-3—2003可編程控制器第3部分:程序設計語言》

《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:程序設計語言的執行和應用指南》

4.工業機器人設計和使用規范

《工業環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備第1部分通用技術條件GB5226.1—2008》

《工業機器人驗收規則JB/T8898-1999》

《工業機器人產品驗收實施規范JB/T10825—2008》

《工業機器人性能規范及其試驗方法GB/T12642—2013》

《工業機器人性能試驗實施規劃GB/T20868—2007》

《機械安全涉及通則風險評估風險減小GB/T15706—2012》

《電磁兼容通用標準工業環境中的抗擾度試驗GB/T17799.2—2003》

《電磁兼容通用標準居住商業和輕工業環境中的發射GB/T17799.3—2012》

《電磁兼容通用標準工業環境中的發射GB/T17799.4—2012》

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

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

《機械安全集成制造系統基本要求GB16655—2008》

《工業機器人安全實施規范GB/T20867—2007》

《機械安全控制系統有關安全部分第1部分設計通則GB/T16855.1—2008》

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

8.2工業機器人與工業自動化系統

8.2.1六自由度工業機器人六自由度工業機器人由機器人本體、機器人控制器、示教單元、輸入/輸出信號轉換器、抓取機構及夾具等部分組成。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

一般的智能視覺檢測系統由視覺控制器、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的基礎,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;然后調節工業相機的光圈使得目標成像清晰;最后適當調節相機光源使得目標表面光照均勻。

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或由第三方提供。軟件通常采用Windows風格設計,主要由顯示窗口和功能按鈕組成,如圖8-4所示。

圖8-4智能視覺系統軟件界面

1.通信設置

2.算法設置

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

1)模型登錄及測量參數設置

在“分類屬性”界面選擇要輸入圖像的位置,點擊“登錄模型”,拖動左側圓圈,設置測量區域。在“模型參數”界面中,勾選“旋轉”,設置“穩定度”為“高速”,“精度”為“高速”,其他默認,如圖8-5所示。

圖8-5模型參數

測量參數的設定方法如下:

設置“測量參數”:“判定條件”項下的“相似度”設置為90-100,其他默認;

設置“輸出參數”:“綜合判定顯示設置”為“關”。

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

圖8-6目標范圍圈定

2)邊緣位置掃描

邊緣位置掃描通過測量區域內的顏色變化而測量對象的位置。在“掃描邊界位置”界面,拖動矩形框將測量邊緣框住。通過“區域設定”的“編輯”按鈕設置掃描邊緣區域,調整“中心坐標”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上方區域。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)串行數據輸出

串行數據輸出利用指令的方式將數據輸出到可編程控制器或PC外部設備使用。

在“串行數據輸出”界面可編寫與外部控制器交互命令,即在“表達式”下輸入相應的命令,如圖8-8所示。

圖8-8-串行數據輸出界面

4)執行測量

回到系統主界面,點擊“保存”按鈕生效,點擊“執行測量”按鈕查看效果。通過“直交”坐標調整示教器的X、Y、Z坐標,使得工件完全出現在相機視野內,程序就能實現目標的分類。當工件到達相機視野內時,點擊“執行測量”按鈕即可顯示出測量輸出結果。

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

8.2.3RFID數據傳輸系統

射頻識別(RFID)技術用于在閱讀器與標簽之間進行非接觸式的數據通信以達到識別目標的目的。依據標簽的供電方式,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標簽寫/讀數據

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

圖8-10RFID標簽寫數據

利用同樣的方法,點擊“讀標簽”按鈕即可實現RFID標簽讀數據,如圖8-11所示。圖8-11RFID標簽讀數據

3.RFID數據格式及含義

RFID通過不同的數據格式來識別RFID標簽。RF260R常見的數據格式及含義如下,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射頻芯片數據進行了編碼,如表8-2所示。

8.2.4可編程控制器

可編程控制器(PLC)是工業控制系統中常用的控制器,其結構組成包括主控制器、擴展模塊及外圍接口。以三菱可編程控制器為例,其結構如圖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構

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

變頻器是應用變頻技術與微電子技術,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、驅動單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻器靠內部絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)的開、斷來調整輸出電源的電壓和頻率,根據電機的實際需要來提供電源電壓,進而達到節能、調速的目的。

變頻器主要用于調節電機,控制可調傳輸皮帶的速度。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

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

性化和個性化。

1.機器人3D仿真與在線調試軟件

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

2.機器人遠程控制軟件

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

3.離線編程軟件

離線編程軟件可實現3D模型導入、軌跡規劃、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、關節限位調整、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,具有數據統計和管理功能,可對生產過程中的信息進行分析、存儲、傳遞、產生報表等操作。

8.3工業機器人與工業自動化應用案例

8.3.1KEBA工業機器人應用案例1.KEBA工業機器人控制系統KEBA工業機器人控制系統包括控制器、驅動器、伺服電機、減速機、負載、末端執行機構、系統保護裝置及各種輸入/輸出接口等,控制器是工業機器人控制系統的中樞。圖8-16所示為KEBA工業控制器。

圖8-16KEBA工業控制器

2.基于工藝需求的KEBA工業機器人設計開發

1)設計工業流程

根據需求規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鍵位置點。為了編程語言的可讀性,特做如下規定:工位點變量定義為XPUDotij。

其中,ij為位置標號。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,新建主函數名稱為main,新建子程序名稱為Pick和PickReturn。

(2)定義位置變量。執行示教器上的“主菜單”→“變量”→“變量監測”,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。執行示教器上“主菜單”→“變量”→“變量監測”,選擇“項目[PickOne]”中的“變量”→“新建”→“動力學及重疊優化”→“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。執行示教器上“主菜”→“變量”→“變量監測”,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)關聯變量與氣閥

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

MAPTOBOOL:IoDOut)并設置為0,點擊“確定”按鈕即將變量和氣閥的開合關聯起來。

4)編寫main函數

加載主函數:執行示教器上“主菜單”→“項目[PickOne]”→“main”→“加載”。

回原點:執行“系統:LABLE(命名:XPULoop)”→“新建”→“運動:PTP(pos:

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

5)編寫Pick子函數

加載程序:執行示教器上“主菜單”→“項目[PickOne]”→“Pick”→“加載”,將程序載入內存中。

6)編寫PickReturn子函數

加載程序:執行示教器上“主菜單”→“項目[PickOne]”→“PickReturn”→“加載”,將程序載入內存中。

7)示教器實例化對象

切換到單步模式:執行示教器上“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二維碼。

10)結果分析

根據模型計算,分析關節角度與末端執行器的位置關系以及工業機器人的重復精度與速度關系。

8.3.2基于三菱工業機器人應用案例

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“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“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“工件料桶”內檢測到工件時,四個“工件料桶”分時推出工件,經過環形輸送線傳送。

4)RFID檢測

當嵌入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

器人將調整工件到合適的角度。另外,機器人會將調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,直到結束為止。

2.系統硬件及電氣描述

系統本體選用六自由度、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)構成,各信號變量名稱定義,如表8-4所示。

3.系統軟件設計

系統軟件設計需要軟件設計、程序編寫、程序運行和排錯等過程。

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

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

(1)根據工藝機器人的工藝需求,定義程序所用的關