工业机器人在自动化生产线分拣站的应用要素探索
时间：2023-05-28 22:35:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
曲翠翠
浙江省医疗器械检验研究院，浙江杭州，310000
现阶段，工业机器人已经被广泛地应用在焊接、喷涂、搬运（码垛）以及装配等领域。在没有引入机器人之前，分拣流水线上的产品主要由人工来码放，在企业业务量不断增加的背景下，在分拣活动中若依旧采用传统的人工码放方式，不仅会降低工作效率，而且还会增加人工成本，影响到企业的经济效益。将工业机器人引入到自动化生产线分拣站工作活动中，不仅可以减少产品的生产成本，而且能够提升分拣站生产效率，为企业创造出更多的经济效益。
在工业机器人运动学分析活动中，需要依托欧式空间来搭建笛卡尔右手坐标系（下简称D-H坐标系），在坐标系的建设中应注意以下内容。
建立工业机器人每个杆件相对应的D-H坐标系（如图1所示），以此来描述工业机器人在运行时的三维运动，为了便于对各杆件运行状态进行分析，也会将相邻杆件坐标系关联在一起，建立系统的D-H坐标系。
图1 连杆杆件D-H坐标系示意图
每一个单独的坐标系都会进行命名，而且为了准确分析工业机器人目前的工作状态，也会在体系中添加固定参照物。一般情况下，用于分拣的工业机器人底座是处于固定的状态，因此会围绕基座建立基坐标系。
确定杆件的工作参数，以图1为例，其包含的参数及含义如下：①杆件的移动长度ai，表示杆件沿着Xi方向上，从Zi移动到Zi+1位置的距离；
②杆件的移动长度αi，表示杆件沿着Xi方向上，从Zi移动到Zi+1位置所转动的角度；
③杆件偏移的距离di，表示从Zi到Xi之间的距离；
④杆件关节位置的转动角度θi，表示杆件围绕Zi，从Xi-1到Xi所需要旋转的角度。基于这些参数可以对工业机器人整个工作过程进行量化描述。
如图2所示，工业机器人工作车间，共设有两条传送带和两个码垛台，其具体的工作流程如下。①在1号传送带的供料进入光电传感器1感知范围内之后，此时光电传感器会将检测信号传输给控制系统（PLC程序），在控制系统完成信息处理后向工业机器人下达工作指令；
②工业机器人根据接收到的指令，移动机械臂对1号传输带上的供料进行夹取，旋转机身将夹取的供料转移到码垛台1上方，根据既定的摆放程序，摆放到码垛台目前空缺的位置；
③此时系统码垛台1的计数“+1”，在达到预设数值后，此时传输带1上的指示系统会显示绿灯，提示该码垛台已经完成堆放任务，需要进行码垛盘的更换。自动化生产线中达标的码垛盘会自动转移到下一作业区域，同时也会更换新的码垛盘；
④系统检测到新码垛盘后，计数会清零，开始下一个循环操作过程；
⑤若传送带同时传来供料，那么系统会根据程序接收的先后顺序依次进行夹取，为避免堆积，传送带也会放慢运行速度，等待供料成功转移后，恢复正常速度的运输状态。
图2 工业机器人工作车间仿真示意图
3.1 码垛系统
码垛系统作为自动化生产线分拣站上的基础系统，其主要由以下内容构成。
（1）传送带，其在工作时的主要作用是将供料从某一位置转移到指定位置，其构造相对简单，主要由以下系统构成：①驱动装置，是确保传送带可以稳定运行的动力源，其主要是由电动机、减速器等设备组成；
②传动装置，是供料顺利传动到指定位置的重要载体，主要有输送带、托辊、滚筒等设备构成；
③张紧装置，作用是灵活调整传送带的松紧状态，以确保供料可以稳定传输到指定位置；
④变频装置，与光电传感器、PLC程序组成联动装置，用来控制传送带运行速度，避免供料堆积问题。
（2）工业机器人，根据生产性质、生产内容的不同，选择相应载重能力、位移能力、臂展能力、定位精度、转向能力、高度调节能力的工业机器人，确保码垛活动的有序进行。
（3）光电传感器，是利用光电元件制作的检测元件，会将其安装在传送带的起始位置和接近尾部的位置，实现对供料位置的快速定位，便于工业机器人执行相关操作。
3.2 电气系统
在工业机器人的工作中，主要以电力作为主要的驱动力，因此为确保工业机器人工作状态的稳定性，需做好电气系统的设计工作。通常情况下设计中会设计一个集成化程度较高的电控箱，该电控箱会由一个或多个开关构成，搭配着相应的控制系统、保护装置，与外部机械设施共同组成了整体运营系统。在电气系统的具体应用中，包含了以下内容：①可编辑逻辑控制器（PLC系统），用于动态控制整个系统的运行状态，下文中会进行详述；
②漏电开关与熔断器，在电气系统运行时出现漏电问题时，此时漏电开关打开，相关联的熔断器断路，以保护系统正常的运行状态；
③电源，主电源是工业用电提供的交流电或直流电，备用电源为UPS电源，在出现突发断电问题时可以在某个时间段内提供电力供给，维持设备正常的工作状态；
④其他配件，如中间继电器、连接线路、保护器等。
3.3 控制系统
3.3.1 PLC控制程序
在工业机器人工作中，会将PLC作为运行时的中央处理系统，其工作原理对操控界面上不同传感器传输的反馈信息进行整理，根据整理结果向工业机器人下达启动、夹取、转向等指令，属于整个控制系统中的核心组件。结合现场运行的实际需求，为了提高所设计程序的可理解性，会将整个系统的框架拆分成若干模块，包括机械臂动作模块、计算机视觉模块、转向模块等。在PLC程序的设计中包含了以下内容：①PLC和计算机视觉模块、机械臂动作模块关联在一起的系统程序，用于监督和调整工业机器人机械臂的操作过程；
②人机交互界面程序，作用是抽查工业机器人的码垛情况和夹具工作状态；
③运动程序，即供料从传送带开始传动，一直到完成码垛操作，对整个过程的执行顺序、时间顺序进行监督与动态调整，以此来提高系统运行状态的安全性与高效性。
3.3.2 I/O接线端口
在控制系统工作过程中，会借助I/O接线端口来完成信息交互，而工业机器人各模块（如传感器模块、电源模块等）也会依托各自I/O接线端口向控制系统传输相应信息，最后由控制系统对传输信息进行统一处理，为设备运行、维修等工作的展开提供良好保障。在系统的运行中，主要会依托传感器模块来采集系统的运行信息，在整个控制系统中可以将其看做是输入信号，而控制系统得到这些输入信号后，也会利用PLC程序对这些信号的逻辑关系进行判断，并利用计算公式对其进行运算处理，从而得到相应的输出信息，指挥工业机器人进行相应操作[1]。另外，在系统具体的运行中，也会基于通信电缆模板接口来确定字节地址与位地址，从而确定信号发出位置，帮助系统快速锁定系统故障位置，加快故障问题的检修效率。
3.4 视觉系统
3.4.1 视觉坐标系
在工业机器人工作过程中，所使用到的视觉坐标系如下。
（1）世界坐标系，该坐标系的主要作用是准确描述某物体在三维空间中的绝对位置，这也是确定工业机器人机械臂转矩、角度等参数的重要参考指标。
（2）相机坐标系，将工业相机的光心作为系统运行时的坐标原点，将相机的光轴作为x轴，建立三维坐标系，辅助工业机器人进一步确定工作坐标。
（3）像素坐标系，将光电传感器获取到的图像信息转换为平面图像，将图像左上角作为坐标系原点，建立平面坐标系，从而对目标像素点（供料位置）进行确定。
（4）图像坐标系，在获取到平面图像后，将图像中心作为原点来建立平面坐标系，从而确定目标图像点的相对位置。
上述四种坐标系都是工业机器人定位供料位置的常用坐标系，而四类坐标系也存在着 转换关系，即世界坐标系通过刚性转换可以得到相机坐标系，相机坐标系通过透射投影可以得到图像坐标系，而图像坐标系经过二次转换便可以得到像素坐标系。依托PLC控制系统可以对多坐标系内容进行整理与分析，以此来提高定位结果的准确性[2]。
3.4.2 手眼标定系统
在手眼标定系统的应用中，又可以细分为以下两种系统。①EIH系统，该系统会安装在机械手臂前端，是基于世界坐标系和相机坐标系之间的相对位置，来动态捕捉工业机器人的运动变化，在机器人手臂末端逐渐靠近物体时，此时物体的相对位置参数也会得到不断修正，而且依托于两种坐标系之间的相互关系，也可以更好地进行视觉控制，以得到准确的定位结果，顺利完成目标物体的夹取与转移。②ETH系统，该系统是将工业相机安装在工作区域的固定位置，以此来建立图像坐标系与像素坐标系，工业机器人机械手末端在运动时会看做是点靠近另一点（目标物体）的过程，根据两者相互间的位置关系，来准确完成相应的操作指令[3]。
3.5 安全系统
工业机器人在分拣活动中，确保其运行安全性也属于非常重要的工作内容。基于PLC程序工作特征，设计safety bus保护系统，搭配着相应的安全装置，能够对系统安全运行情况进行实时监督，在发现隐患问题后可以对接系统进行报警，同时根据安全威胁的影响情况，对设备采取继续运行、停机保护等操作，确保工业机器人运行过程的安全性。安全系统在应用中，声光报警模块是维持系统稳定运行的重要结构，在对该模块相关设备进行选择时，需考虑其时效性、准确性，以提高安全隐患发现的及时性，减少系统故障问题[4]。
3.6 人机交互系统
人机交互系统的设计是对工业机器人工作状态进行监督，这样也可以更加直观地发现系统运行问题，及时采取措施进行处理，以提高工业机器人工作效率与工作质量。在系统的具体应用中，会选择具有触摸功能的显示屏，而且对于整个系统中的不同控制单元，也会分配相应的触摸屏，基于I/O端口完成信息交互，形成良好的工业机器人工作联动系统。并且在各单元触摸屏上也会布置指示灯、操作按钮等结构，借助人为干预的方式来确保系统运行状态的稳定性，在出现一些故障问题后，这些故障的解决过程也会通过人机交互界面来展示故障位置、故障修复过程，从而为系统完善提供可靠的数据支持，提高工业机器人工作状态的稳定性[5]。
综上所述，工业机器人作为新技术不断拓展背景下的产物，在许多自动化生产线中都有着良好应用。自动化生产线具有较高的自动化水平，可以根据既定程序，有序完成自动化生产任务，具有生产效率高、成品质量高等优势。通过整理工业机器人在分拣站中的应用要点，一方面，可以提高产品生产效率，提升产品生产质量；
另一方面，能够提高工业机器人在分拣活动中工作状态的稳定性与安全性，以此来确保产品的合格率，为生产体系优化提供数据参考。
