趙敏鵬 趙亮

摘要：隨著工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域自動(dòng)化程度的不斷提升，民用炸藥生產(chǎn)也逐步向自動(dòng)化過渡，特別是分揀單元，一直是人工進(jìn)行，不僅效率低，而且危險(xiǎn)系數(shù)較高。該文設(shè)計(jì)的分揀機(jī)械手，基于人工智能，可以很好地替代人工分揀，并采用無定標(biāo)視覺系統(tǒng)對機(jī)械手進(jìn)行控制，使機(jī)械手形成一個(gè)高度非線性和不斷變化的復(fù)雜力學(xué)系統(tǒng)?？梢院芎玫靥岣邫C(jī)械手控制的收斂速度，使其運(yùn)動(dòng)軌跡更加平滑。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)線;控制系統(tǒng);PLC

中圖分類號(hào)：TP241.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）36-0250-02

Abstract：With the increasing degree of automation in the field of industrial production，Civil explosives production is also gradually transition to automation.In particular， the sorting unit has been manually operated， not only low efficiency， but also high risk coefficient.The sorting manipulator designed in this paper， Based on artificial intelligence， can replace artificial sorting.And use the uncalibrated visual system to control the manipulator，The manipulator forms a highly nonlinear and ever-changing complex mechanical system.It can improve the convergence rate of manipulator control very well， and make the trajectory more smooth.

Key words：production line;Control system;PLC

1? 概述

隨著人工智能的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，而對于工礦企業(yè)來說，工業(yè)機(jī)器人指的是多關(guān)節(jié)的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備，我們將其統(tǒng)稱為機(jī)械手，它能夠替代人去工作，將人從高危行業(yè)解放出來。而民用炸藥生產(chǎn)作為一個(gè)高危行業(yè)，更應(yīng)該提高其自動(dòng)化程度。本文介紹的這種機(jī)械手具有很好的可控性和穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確、快速地將生產(chǎn)好的炸藥條進(jìn)行分揀和裝箱，從而大幅度提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

2 視覺定位分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用于分揀工位的機(jī)械手需要對產(chǎn)品的位置進(jìn)行定位，并能夠準(zhǔn)確地對產(chǎn)品進(jìn)行分揀和抓取，目前應(yīng)用比較多的分揀裝置主要是利用傳感器來進(jìn)行分揀，而這類分揀只能辨別出產(chǎn)品的形狀、大小和材質(zhì)，而不能準(zhǔn)確地對產(chǎn)品的位置進(jìn)行定位，所以產(chǎn)品在進(jìn)入分揀工位之前只能一字行拍好，然后才能進(jìn)行分揀和裝箱，增加了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，降低了生產(chǎn)效率。因此本文中機(jī)械手的分揀采用視覺伺服系統(tǒng)，即模擬人的視覺系統(tǒng)，利用雙攝像頭成像交叉定位，并結(jié)合小孔成像技術(shù)模型，來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的定位。

如圖1所示，P點(diǎn)位物體所在位置，它的坐標(biāo)為（X、Y、Z），而它在攝像機(jī)中的坐標(biāo)為（XC、YC、ZC），P點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（x、y）。

3 機(jī)械手硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

這款機(jī)械手能夠精準(zhǔn)地識(shí)別炸藥條的位置并對它進(jìn)行準(zhǔn)確的分揀，關(guān)鍵是靠安裝在系統(tǒng)前端的兩個(gè)獨(dú)立攝像頭來進(jìn)行識(shí)別，通過控制系統(tǒng)對兩個(gè)攝像頭所采集的信息進(jìn)行處理，在三維空間對產(chǎn)品的坐標(biāo)進(jìn)行定位，然后將數(shù)據(jù)送至PLC控制機(jī)構(gòu)。當(dāng)PLC接收到兩個(gè)攝像頭送來的輸入信號(hào)后，根據(jù)定位信息，判斷工件位置，然后發(fā)出指令，控制命令首先到達(dá)PLC的輸出單元，然后由輸出單元直接將控制命令送至步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，再由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)按照命令程序來動(dòng)作，從而準(zhǔn)確的抓取工件，并將其放至合適的位置。

在整個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除過雙攝像頭的使用，還使用了大量的傳感器。傳感器作為自動(dòng)化控制設(shè)備的核心部件，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中有舉足輕重的作用。傳感器實(shí)時(shí)檢測現(xiàn)場的各類信號(hào)，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量信號(hào)送至PLC，使控制機(jī)構(gòu)能夠不間斷的對外部的信號(hào)變化做出及時(shí)的反應(yīng)。在分揀工位，利用光電傳感器對工件進(jìn)行分揀，從而判斷產(chǎn)品是否合格，利用磁性傳感器來判斷機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)是否到位。

機(jī)械臂要完成相應(yīng)的抓取工作，必須由步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的作用是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移的設(shè)備，它利用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)電脈沖控制信號(hào)后，就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度或前進(jìn)一段固定位移。

步進(jìn)電機(jī)根據(jù)其結(jié)構(gòu)和材料不同，可以分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。

按照步進(jìn)電機(jī)的通電順序不同，可以將步進(jìn)電機(jī)分為單三拍、雙三拍和單雙六拍，通電方式不同，步進(jìn)電機(jī)每次所轉(zhuǎn)過的角度大小也不同，除過這個(gè)因素外，步進(jìn)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子上齒數(shù)的多少也決定了步進(jìn)電機(jī)的步距角大小。設(shè)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Z，則齒距為：

[τ=360°Z]

每接收到一個(gè)電信號(hào)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就走一步，所以它的步距角為：

[θs=360°Zkm]=齒數(shù)/拍數(shù)

上面的公式中，k為狀態(tài)系數(shù)（單三拍和雙三拍時(shí)，k=1;單雙六拍時(shí)，k=2）。由公式可以看出，步進(jìn)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子齒數(shù)、定子相數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)越多，步距角就越小，控制精度就越高。

當(dāng)定子控制繞組按照一定順序不斷輪流通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就能連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)。假設(shè)電脈沖的頻率為f，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

[n=θs×f×60360°=60fZkm]

由上式可見，如果步進(jìn)電機(jī)的齒數(shù)和拍數(shù)為定值時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和輸入脈沖頻率成正比，所以，可以通過改變出入脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

步進(jìn)電機(jī)控制過程中要靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置來完成。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對機(jī)械手進(jìn)行控制時(shí)，利用順序功能圖進(jìn)行控制，采用模塊化結(jié)構(gòu)，使控制程序維護(hù)方便、運(yùn)行穩(wěn)定、整個(gè)程序設(shè)計(jì)簡單明了，能夠保證分揀機(jī)械手安全穩(wěn)定的運(yùn)行。控制程序流程如圖4所示。

5? 結(jié)束語

本文介紹了一種民用炸藥生產(chǎn)線分揀機(jī)械手的設(shè)計(jì)、構(gòu)成、工作原理和控制系統(tǒng)的組成。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)一天24小時(shí)不間斷工作，將人從繁重的分揀和搬運(yùn)工作中解放出來，從而實(shí)現(xiàn)分揀和搬運(yùn)的自動(dòng)化，從而大幅度的提高生產(chǎn)效率，提高企業(yè)的利潤空間。

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[通聯(lián)編輯：光文玲]