(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 戶縣 710300)
電動吸盤式分揀機(jī)械手作為工廠領(lǐng)域的前沿產(chǎn)物,可以替代單程復(fù)雜工作,在先進(jìn)設(shè)備領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位。該設(shè)備不但可以往復(fù)傳輸貨物、還可分揀產(chǎn)品,進(jìn)而替代人工勞動力,并實現(xiàn)機(jī)械的自動化,保障在高腐蝕、高污染環(huán)境中人身安全[1]。將該設(shè)備應(yīng)用在機(jī)械制造與冶金部門,使用可編程程序,以中央處理器為主要核心,綜合先進(jìn)技術(shù),提高系統(tǒng)可靠性。由于傳統(tǒng)手動系統(tǒng)存在電機(jī)回轉(zhuǎn)角度不準(zhǔn)確、分揀效率低等問題,研究出一套自動分揀控制系統(tǒng)是具有必要性的。
借助精密傳感器,促使不同顏料按照預(yù)先設(shè)定流程對產(chǎn)品進(jìn)行分揀,該系統(tǒng)動作靈活,降低人工勞動力,可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)大批量產(chǎn)品。采用預(yù)先設(shè)定流程對物料進(jìn)行自動化分揀,可避免人工在高腐蝕、高污染環(huán)境中作業(yè),減少對人體健康危害[2-3]。
文獻(xiàn)[4]提出了基于PLC、機(jī)器人和視覺系統(tǒng)的全自動搬運系統(tǒng)設(shè)計方法。采用西門子S7—200 SMART進(jìn)行搬運系統(tǒng)的邏輯控制,完成對視覺系統(tǒng)、ABB工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、指示燈和安全門開關(guān)等各種外設(shè)的通信控制工作。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試,該系統(tǒng)具有實時監(jiān)視和報警功能,但該系統(tǒng)效率偏低,不能進(jìn)行廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]提出基于FESTO自動搬運物流分揀系統(tǒng)設(shè)計方法。該設(shè)計過程主要模擬了搬運現(xiàn)場的工作環(huán)境,利用采集光電傳感器的信號,對其進(jìn)行識別,通過真空吸盤氣動系統(tǒng)機(jī)械手實現(xiàn)抓取過程,結(jié)合FESTO自動控制與壓缸氣動聯(lián)合控制,完成分揀系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)的分揀精度較低,不能進(jìn)行精準(zhǔn)操作。
本文針對傳統(tǒng)電動吸盤式分揀機(jī)械手自動控制系統(tǒng)存在的不足,對分揀機(jī)械手的控制效率以及精度進(jìn)行優(yōu)化。首先架構(gòu)自動控制整體方案框圖,設(shè)計分揀機(jī)械手自動上下料裝置方案,提高系統(tǒng)整體控制效率。對系統(tǒng)輸入輸出信息進(jìn)行分配,對回轉(zhuǎn)角度允許的誤差和機(jī)運行速度展開分析,高效提高電機(jī)回轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確度。通過實驗驗證可知,分別采用傳統(tǒng)手動控制和本文自動控制方法測試回轉(zhuǎn)角度,經(jīng)過測試得到的誤差與標(biāo)準(zhǔn)允許誤差結(jié)果相比,傳統(tǒng)誤差較大,而本文誤差較小,并對分揀效率進(jìn)行對比,通過對比結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用自動控制系統(tǒng)電機(jī)回轉(zhuǎn)角度準(zhǔn)確、且分揀效率高。
電動吸盤式分揀機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計,從功能角度分析可劃分為自動上下料、執(zhí)行和顯示三大部分,根據(jù)實際需求,采用SPMC75F2413A單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心組件,將伺服系統(tǒng)作為執(zhí)行元件,使用磁性傳感作為檢測元件,以此為基礎(chǔ)構(gòu)成系統(tǒng)框架,整體的方案設(shè)計如圖1所示。
圖1 自動控制整體方案設(shè)計框圖
由圖1可知:系統(tǒng)硬件設(shè)置需選擇核心控制元件,首先設(shè)計集成電路,選擇SPMC75F2413A單片機(jī)芯片,由于該芯片具有充足I/O接口,不需要對芯片再次進(jìn)行編碼,只要擴(kuò)展就可完全滿足芯片端口設(shè)計需求。單片機(jī)外接信息傳輸模塊、伺服定位模塊、元件檢測模塊、按鍵按鈕以及報警指示。信息傳輸模塊實現(xiàn)單片機(jī)信息的向外傳輸,將分揀機(jī)械手角度、路徑等控制信息實時轉(zhuǎn)換為可識別數(shù)據(jù)。按鍵按鈕主要作用于控制過程的停止與開始,以及實現(xiàn)重啟功能。報警指示可以及時對控制故障或者信息的異常進(jìn)行提醒,該模塊相比之下靈敏度較高,且對其穩(wěn)定性要求也較高。若報警模板不夠穩(wěn)定,那將會導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)癱瘓,直接影響控制準(zhǔn)確度。伺服定位模塊能夠通過編寫運動程序?qū)崿F(xiàn)伺服電機(jī)的準(zhǔn)確定位,該定位模塊內(nèi)為閉環(huán)控制,抗干擾性較強(qiáng)。元件檢測模塊的意義在于其對元件的運行狀態(tài)的監(jiān)控,元件的健康與否決定著整個控制系統(tǒng)的運行效果。
根據(jù)硬件設(shè)計控制需求,選擇CP1H-Y20DT-D型號的芯片作為控制主要芯片,采用DC 24 V作為主要電源,同時設(shè)置12個輸入點和8個輸出晶體管,同時搭載不同脈沖輸出,使單元能夠擴(kuò)展。進(jìn)行觸屏設(shè)置時,需選用NS系列,具有強(qiáng)烈繪制效果,同時具有較強(qiáng)兼容性,使用位置傳感器時,需選擇精準(zhǔn)度較高的接觸式傳感元件,該元件不會受到材料以及形狀影響,進(jìn)行重復(fù)定位精準(zhǔn)誤差不超過0.2 mm[6]。
系統(tǒng)自動控制硬件原理如圖2所示。
圖2 控制系統(tǒng)硬件原理圖
由圖2可知,人機(jī)交互界面設(shè)計需將整個觸屏系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,進(jìn)而顯示狀態(tài),通過RS232接口調(diào)試系統(tǒng),進(jìn)而實現(xiàn)點對點快速通信[7]。通過界面設(shè)計,能夠?qū)⑾到y(tǒng)中反饋到的信息實時顯示出來,硬件作為整個控制中心,需對信號進(jìn)行采集與處理,伺服定位,自動對上下料傳輸。
根據(jù)上述設(shè)計基本需求,實現(xiàn)機(jī)械手上下料的自動傳輸,同時需加工經(jīng)過甩油處理后的送線上產(chǎn)品,電動吸盤式分揀機(jī)械手自動上下料裝置方案如圖3所示。
圖3 機(jī)械手自動上下料裝置設(shè)計
由圖3可知:該裝置是由機(jī)床砂輪、安插座位、機(jī)械手、甩油裝置和輸送機(jī)組成的,主要工作流程為:將組件在輸送線上隨著工具一起傳送到工位處,經(jīng)過傳輸機(jī)定位,實現(xiàn)甩油裝置上工件上下料動作快速完成,經(jīng)過上下料機(jī)械手動作,完成輸送線啟動,經(jīng)過加工后的工件輸送到下一工位上。待加工工件處理后,對工件定位,同時將上下料機(jī)械手回轉(zhuǎn)180°,確保防護(hù)門正常關(guān)閉,使整個裝置與外部保持間隔,經(jīng)過加工后,需將甩油裝置向輸送機(jī)處移動,完成甩油動作。系統(tǒng)輸入輸出信息見表1。
表1 主要輸入輸出地址分配表
由表1可知:傳輸?shù)男盘柺怯伤欧}沖信號、甩油裝置信號、防護(hù)門關(guān)閉信號共同組成的,使用兩種伺服分別表示2臺上下料的機(jī)械回轉(zhuǎn)伺服,由于對伺服要求精準(zhǔn)度較高,為此需采用脈沖輸出方式和驅(qū)動輸入來分別完成上下料機(jī)械手的伺服運動。采用脈沖信號+方向坐標(biāo)的方式對集成電路進(jìn)行信號輸入,此時的信號包括機(jī)械手的限位信號和終點信號,各個元件信號以及伺服驅(qū)動裝置的反饋信號對于系統(tǒng)安全與可靠都是至關(guān)重要的。
針對自動控制的軟件部分設(shè)計主要包括兩個方面,分別是觸屏界面設(shè)計和主程序設(shè)計。其中觸屏界面是由按鈕、指示燈和自由切換這3部分組成的,如圖4所示。
圖4 觸屏界面設(shè)置
由圖4可知:按照設(shè)計界面各個組件順序依次運行指示燈、操作按鈕和界面切換,運行狀態(tài)指示燈可顯示觸屏界面的各個上下料自動運行狀態(tài),操作按鈕可發(fā)送相關(guān)指令來完成相應(yīng)動作。
根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確保整個機(jī)械運動齒輪能夠順利在機(jī)床上正常運行,并滿足齒輪與中心軸之間距離的測量偏差在0.1~0.2 mm之間,為此需實現(xiàn)對裝備準(zhǔn)確定位,進(jìn)而降低機(jī)械間各個組件帶來的誤差[8-9]。
針對誤差問題,軟件部分設(shè)計需采用性能較高伺服系統(tǒng)來配合傳感器閉環(huán)控制,進(jìn)而實現(xiàn)機(jī)械分揀的自動上下料傳輸,具體過程為:設(shè)置伺服機(jī)械驅(qū)動器齒輪比,促使脈沖完全符合機(jī)械手的精準(zhǔn)定位,設(shè)機(jī)械手臂長為T,齒輪與中心軸之間距離為t,那么整個電機(jī)回轉(zhuǎn)角度允許的誤差大小為:
(1)
通過公式(1)可獲取允許誤差,為了防止傳感器突然停止工作造成的施工危險,需依靠反饋控制方式來克服機(jī)械之間對于精準(zhǔn)定位的影響[10]。
結(jié)合脈沖向量f0與傳感器以及響應(yīng)時間來確定電機(jī)運行速度,如公式(2)所示:
(2)
其中:s為響應(yīng)時間。
自動控制可為機(jī)械手進(jìn)行上下料運輸提供便捷途徑,在自動甩油和輸送過程中,具體的自動運行流程如圖5所示。
圖5 自動運行流程
如圖5所示,流程開始后,進(jìn)入系統(tǒng)檢測后,機(jī)械裝置進(jìn)行準(zhǔn)備,若裝置還沒有準(zhǔn)備好,那么程序自動回到流程原點。如果機(jī)械裝置準(zhǔn)備就緒,那么進(jìn)行電機(jī)加工是否完成判斷,如果電機(jī)加工已經(jīng)完成,那么甩油裝置進(jìn)行內(nèi)設(shè),開啟甩油工作。如果電機(jī)加工沒有完成,那么需要先對其進(jìn)行輸送定位操作,進(jìn)而進(jìn)行工作甩油。
對系統(tǒng)進(jìn)行初次開機(jī)時,需對上下料運行的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,檢查各個機(jī)構(gòu)是否已經(jīng)準(zhǔn)備就緒,以及電源是否到位,設(shè)置動作之間的密語,一旦沒有達(dá)到執(zhí)行效果,系統(tǒng)報警指示燈就會亮起,系統(tǒng)會自動切斷電源,停止運行。
為了驗證電動吸盤式分揀機(jī)械手自動控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性進(jìn)行了如下實驗。在進(jìn)行實驗之前,需熟練操作生產(chǎn)產(chǎn)品,需要50個工人同時使用50臺沖床進(jìn)行同時生產(chǎn)。設(shè)計兩種工作方式,分別為手動和自動,方便實驗的進(jìn)行,各個程序模塊的編寫,需要結(jié)構(gòu)清晰,方便實驗測試平臺調(diào)試與記錄。針對實驗測試平臺的構(gòu)建,如圖6所示。
圖6 實驗測試平臺
在圖6中的實驗測試平臺,當(dāng)實驗開始時選擇開關(guān)啟動,輸入點為SB04接通,執(zhí)行實驗程序;當(dāng)實驗結(jié)束時選擇停止,輸入點為SB05接通,程序結(jié)束。
2.1.1 電機(jī)回轉(zhuǎn)角度允許誤差
電動吸盤式分揀機(jī)械手控制對于電機(jī)回轉(zhuǎn)角度要求較為嚴(yán)格,為此需對回轉(zhuǎn)角度允許誤差進(jìn)行實驗驗證,實際允許的回轉(zhuǎn)角度允許誤差如表2所示。
表2 回轉(zhuǎn)角度實際允許誤差
將傳統(tǒng)手動控制系統(tǒng)與改進(jìn)設(shè)計的自動控制系統(tǒng)回轉(zhuǎn)角度誤差展開對比分析,結(jié)果如表3所示。
表3 兩種系統(tǒng)回轉(zhuǎn)角度對比結(jié)果
由表3可知:分別采用傳統(tǒng)手動控制和改進(jìn)自動控制方法測試回轉(zhuǎn)角度,經(jīng)過測試得到的誤差與標(biāo)準(zhǔn)允許誤差結(jié)果對比可知,傳統(tǒng)的手動控制系統(tǒng)誤差最大已經(jīng)達(dá)到了0.97,這樣的誤差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足系統(tǒng)應(yīng)用精度要求,改進(jìn)自動控制回轉(zhuǎn)角度誤差均在允許誤差范圍內(nèi),而傳統(tǒng)手動控制系統(tǒng)只有在回轉(zhuǎn)角度為120°、180°、360°時誤差在允許誤差范圍內(nèi)。
2.1.2 分揀機(jī)械手控制效率
為了提高實驗可靠性,將傳統(tǒng)系統(tǒng)與改進(jìn)系統(tǒng)對分揀機(jī)械手控制效率進(jìn)行對比,結(jié)果如圖7所示。
圖7 兩種控制效率對比結(jié)果
根據(jù)圖7實驗結(jié)果,可以看出傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制效率出現(xiàn)了明顯漲跌,這說明傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的效率不夠穩(wěn)定。而在控制效率大小方面,在產(chǎn)品數(shù)量為450個時,傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制率為55%,而本文改進(jìn)系統(tǒng)的控制效率為60%,在這之前,傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制效率也一直低于改進(jìn)系統(tǒng)的控制效率。隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加,傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制效率出現(xiàn)了下跌,當(dāng)產(chǎn)品的數(shù)量達(dá)到1050時,傳統(tǒng)系統(tǒng)控制精度下跌到25%。相比之下,改進(jìn)系統(tǒng)的控制效率一直處于上升趨勢,隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加,控制效率逐漸增高,當(dāng)產(chǎn)品數(shù)量達(dá)到1050時,系統(tǒng)的控制效率為90%,這樣的效率數(shù)據(jù)可以滿足當(dāng)前對該系統(tǒng)的使用要求。綜上由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用手動方法,導(dǎo)致產(chǎn)品數(shù)量增多時,分揀機(jī)械效率大大降低;而采用改進(jìn)自動控制方法,無論產(chǎn)品數(shù)量多與少,都不會影響分揀效率,反之,還會大大提升效率。
通過上述實驗內(nèi)容,可得出對比結(jié)果:
分別采用傳統(tǒng)手動控制和改進(jìn)自動控制方法測試回轉(zhuǎn)角度,經(jīng)過測試得到的誤差與標(biāo)準(zhǔn)允許誤差結(jié)果對比可知,改進(jìn)自動控制回轉(zhuǎn)角度誤差均在允許誤差范圍內(nèi),而傳統(tǒng)手動控制系統(tǒng)回轉(zhuǎn)角度誤差值至少有一半已經(jīng)超越了允許誤差范圍。由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用手動方法,導(dǎo)致產(chǎn)品數(shù)量增多時,分揀機(jī)械效率大大降低;而采用自動控制方法,無論產(chǎn)品數(shù)量多與少,都不會影響分揀效率,反之,還會大大提升效率。由此可知,采用自動控制系統(tǒng)電機(jī)回轉(zhuǎn)角度準(zhǔn)確、且分揀效率高。
由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,工廠需根據(jù)實際情況結(jié)合產(chǎn)品加工難度設(shè)計出一套自動分揀控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動上料、輸送等自動控制功能,并通過實際運行能夠提高整體工作效率,且回轉(zhuǎn)角度較為準(zhǔn)確,減少機(jī)械調(diào)整時間。將該系統(tǒng)投入到實際生產(chǎn)過程中,可改善工作環(huán)境,進(jìn)而大大降低勞動程度,具有良好的應(yīng)用前景。
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