機器人自動化綜合實驗教學平臺設計

熊 雋，陳運軍，陳 林

（瀘州職業技術學院a.機械工程系；b.信息工程系，四川瀘州646000）

0 引 言

目前，自動化領域的人才中，如何增強學生綜合實踐能力和處理復雜工程問題的能力，是提高人才培養質量重要的一環。設計綜合性高、成本低、適用性廣、涵蓋面寬的實驗平臺，可大大解決人才培養中實踐教學環節實施難的問題。

研究發現，工業機器人代替人工分揀能實現智能化、柔性化需求；PLC 作為主控制器，穩定性強，成本低，且控制功能強大；工業視覺系統的定位、測距、分類功能為提升分揀實驗教學平臺的智能化程度和可靠性提供了保障［1］。

本文利用工業網絡把工業機器人、視覺系統、控制器PLC、傳送系統等聯合起來，再配上遠程管理控制，填補實驗設備綜合性不強、與企業實際脫軌的問題，形成既能滿足企業實際分揀需求、又能提供自動化類多門學科實驗需求的實驗平臺，可綜合鍛煉學生處理復雜工程問題的能力［2］。研究內容主要包括綜合平臺的總體設計，PLC與視覺、機器人的通訊，數據的處理，控制程序的編寫等［3］。

1 平臺總體設計

1.1 平臺的硬件與通信

平臺構成如圖1 所示。主要由華數機器人、機器視覺系統、西門子PLC、托盤流水線、裝配流水線、HMI等組成。機器人位于實驗臺的中心，既可在托盤流水線上末端準確抓取工件，也可在裝配流水線上按產品類型放置在不同位置，并完成裝配工作；托盤流水線的三相異步電動機由PLC通過變頻器進行控制，并配置了視覺檢測位置阻擋氣缸、機器人抓取位置阻擋氣缸等，實現精確定位；機器視覺位于托盤流水線正上方，當產品隨著托盤一起移動到視覺系統下方時即可進行視覺檢測；裝配流水線有3 個工位，① 產品按類型放置區，②多余產品占放區，③ 裝配區，每個工位均可通過步進電機移動至機器人工作位置。

圖1 平臺硬件構成圖

工件其網絡通信如圖2 所示，整個工業網絡通信通過工業交換機進行連接，PLC與機器人、視覺系統均采用Modbus Tcp通信協議通信；對托盤流水線上變頻器、裝配流水線上得步進電動機得控制，以及與HMI、電腦的通信均采用ProfiNET通信協議，而對托盤流水線上阻擋氣缸的控制利用擴展I/O進行并行通信［4］。

圖2 平臺網絡通信圖

1.2 平臺工作流程

平臺工作流程如圖3 所示，工件放于托盤上，由變頻器控制電機帶動傳送鏈將產品送至機器視覺正下方。當光電開關檢測到托盤與工件到位后，PLC 控制阻擋氣缸伸出，使托盤與工件固定在檢測位置。此時PLC控制視覺系統拍照并將像素值、像素校準比例及工件類型傳遞給PLC。PLC 經過計算，將這些信息轉化為機器人所需的X、Y、Z坐標偏移量及旋轉角度，最終傳遞給機器人。機器人即可根據這些信息實現精準定位抓取，并將產品分類放置到分類放置及裝配流水線上。放置完成后，通過步進電動機控制，將分類放置及裝配流水線上的裝配工位移動至機器人工作位置，機器人即可實現裝配工作。

圖3 平臺工作流程圖

2 PLC與視覺的通信及數據處理

2.1 PLC與視覺的通信

PLC與機器視覺系統通過Modbus Tcp 協議進行通信。為使PLC與視覺系統通信的數據直觀易懂、應用方便，以4 種檢測工件為例，在DB2 背景數據塊中建立一個5 行4 列的二維數組CAM［5］［4］來進行通信。通信時以Modbus中的4001 作為首地址，列出通信數據見表1［5］。

表1 視覺與PLC通信數據

2.2 數據處理

2.2.1 偏移量計算

調試工業機器人抓取點位時，是以視覺標定的位置為準進行的。而實際抓取時，需要在調試的抓取點位的基礎上，加上工件實際位置中心點與視覺標定位置中心之間的偏移量ΔX、ΔY及旋轉角度A才能實現準確抓?。ㄒ妶D4）。

圖4 工件偏移量表示圖

通過圖像處理技術，計算出工件實際位置與視覺基準點之間的X軸、Y軸像素值、旋轉角度及像素校準比例，將其傳遞給主控制器PLC［6］。PLC 通過數學計算，將絕對像素值轉化為偏移量后再進行像素校準。這樣，即可以進行視覺系統開發與應用實驗，也可以增加PLC的實驗難度。

2.2.2 偏移量的坐標變換

偏移量計算完成后，還要進行坐標變換，將ΔX、ΔY轉化為工業機器人的X、Y坐標偏移值。如圖5 所示，機器人的Y坐標與ΔX平行且方向相反，機器人的X坐標與ΔY平行且方向相同［7］。

圖5 視覺與機器人坐標圖

采用PLC做偏移計算及坐標變換，以表1 所傳遞的數據，編寫程序流程如圖6 所示。

圖6 PLC程序流程圖

3 視覺檢測在機器人中的應用

3.1 機器人與PLC的通信

機器人與PLC仍可通過Modbus Tcp 協議進行通信。PLC作為主站，輸出內容、輸入內容各自保存在數據塊DB1、DB2 中用于通信［8］。PLC 采用“MB ＿CLIENT”通信指令，通信端口均為502，輸出時Modbus緩沖區首地址為40001，輸入時Modbus緩沖區首地址為30001［9］。PLC 輸出通信指令執行時，DB1 中指定的通信信號將傳遞給機器人的HOLD＿REG變量，其第一個信號傳遞機器人的HOLD＿REG［1］變量，第二個信號傳遞機器人的HOLD＿REG［2］變量，以此類推。PLC輸入通信指令執行時，DB2 中指定的通信信號將讀取機器人的IN＿REG 變量值，第一個信號讀取機器人的IN＿REG［1］變量，第二個信號傳遞機器人的IN＿REG ［2］變量，以此類推［10］。

針對本次實例，設置的輸出、輸入通信內容［11］見表2、3 所示。

表2 PLC輸出給機器人的通信數據

表3 PLC輸出給機器人的通信數據

3.2 機器人編程應用

3.2.1 偏移量的處理

PLC將偏移量傳遞給機器人時，只能按無符號整型進行傳遞。但為保證抓取位置精確，PLC 傳遞給機器人的X、Y、Z偏移量及旋轉角度至少應保留一位小數。因此，PLC 傳遞前，需要把X、Y、Z偏移量及旋轉角度擴大10 倍再傳遞，機器人接收到數據后再進行除10 的處理［12］。

另外，如果偏移量為負值，傳遞的值就會失真，機器人接收到的值會較大（如大于2 000），不能直接應用，需要按以下公式重新計算才能獲得負值偏移量。

因此，編寫機器人偏移量處理程序時，首先新建功能程序“CLC”用于ΔX/ΔY/ΔZ/A 為負值時的處理。將PLC傳遞給機器人的ΔX/ΔY/ΔZ/A 的值（分別傳遞到了變量HOLD＿REG［3］、HOLD＿REG［4］、HOLD＿REG［5］、HOLD＿REG［6］中）傳遞給功能程序中的NNN 變量，如果2 000 ＜ NNN ＜65 536，表明其值實際應該為負值，經NNN ＝ NNN -65 536 計算后返回［13］。該功能程序編寫見表4 左列所示。

表4 偏移量處理程序

新建“INTTOREAL”子程序和PICK 點位變量，調用上述功能程序，將計算出的ΔX/ΔY/ΔZ/A 除以10分別賦值到PICK｛1｝、PICK｛2｝、PICK｛3｝、PICK｛6｝中，而PICK｛4｝、PICK｛5｝為夾具繞著X、Y軸旋轉的角度值，設置為0。這樣，抓取點+PICK 就為準確的抓取點坐標了［14］?！癐NTTOREAL”子程序編寫見表4 右列所示。

3.2.2 機器人編程

機器人程序主要分三部分構成。

第1 部分，判定何時執行抓取程序。根據上述PLC與機器人通信信號，當機器人HOLD＿REG［1］接收到值103 后，開始執行抓取操作，并通過IN＿REG［1］變量給PLC發送值200，表明機器人已開始執行抓?。?5］。

第2 部分，抓取工件。機器人先到達抓取前安全點位JR［2］，通過3.2.1 所編寫的“INTTOREAL”子程序計算出實際抓取位置與抓取點之間的偏移量值PICK后，根據HOLD＿REG［2］獲取的工件類型，調用不同工具實現不同工件的抓取工作。

第3 部分，抓取完成處理。機器人通過IN＿REG［1］變量給PLC 先發送值101，表明機器人已抓取完成，再發送值100，通知PLC 可開始執行下一次抓取工作。

根據上述思路，編寫機器人程序總體框架見表5所示。

表5 機器人程序總框架

4 結 語

本文將視覺處理技術、工業機器人應用技術、PLC控制技術、人機交互技術通過工業網絡結合，解決了實驗設備綜合性、實踐性不強，實驗成本高的問題。在數據處理技術上進行創新，不再依賴成套的視覺處理系統的同時，也增加了PLC、工業機器人的應用難度，方便提高學生應用能力［16］。實驗測試時，對機器人抓取精度及分揀節拍進行重點關注。實驗表明機器人速度完全能滿足分揀節拍的需求，效率的高低主要取決于產品的到位速度。在視覺監控下，機器人修正抓取精度后，無碰撞，抓取、裝配時位置精度高，且系統運行穩定。但運行前視覺位置的標定對機器人抓取精度影響較大，后期考慮增設視覺標定設備，以保證運行精度。