杜明雨，田 曉，李 明，趙 琳

(臨沂大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，山東 臨沂 276000)

0 引言

本系統(tǒng)主要采用性能強(qiáng)，穩(wěn)定性高的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)控制器作為基礎(chǔ)，運(yùn)用大量完整的邏輯電路，結(jié)合視覺精準(zhǔn)定位，智能語音識別，人機(jī)交互等智能系統(tǒng)，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)和抓取組件進(jìn)行調(diào)控[1]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度。本文主要從系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化、分系統(tǒng)運(yùn)作及分析、通信電路設(shè)計與組件控制及實(shí)現(xiàn)、硬件架構(gòu)流程設(shè)計和性能分析加以闡述。

1 研究內(nèi)容

(1)智能調(diào)控系統(tǒng)類型。采用視覺定位系統(tǒng)和語音識別系統(tǒng)相結(jié)合，以人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)時檢測和調(diào)整參數(shù)為輔，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的智能調(diào)度。

(2)系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化。一是控制系統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換。不同的智能分揀系統(tǒng)由不同的觸發(fā)方式觸發(fā)，最大限度地實(shí)現(xiàn)對操作者的輔助，保證分揀人性化。二是控制系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作。依據(jù)不同的工作環(huán)境采用圖像處理和語音識別相結(jié)合為主人工調(diào)整為輔的工作方式，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的智能分揀調(diào)度。三是硬件基礎(chǔ)分析。主控部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用航空插頭連接，保證了安裝便利，根據(jù)不同的貨物對象可選用不同的抓取組件提高了適應(yīng)性。四是步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動。核算相應(yīng)的帶載力矩，采用閉環(huán)控制最大限度地預(yù)防步進(jìn)電機(jī)失步。

(3)硬件優(yōu)化。研究物體受力方向分析，滿足二維切向力和夾持力的檢測需求。設(shè)計出可檢測二維力的八角環(huán)傳感器，使用ANSYS仿真對傳感器的有限元與應(yīng)變節(jié)點(diǎn)檢測研究，對抓取組件結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，可使抓取組件抓取柔軟的物體。

2 工作原理與線路設(shè)計

2.1 分系統(tǒng)運(yùn)作及分析

2.1.1 視覺定位系統(tǒng)

工業(yè)攝像頭對進(jìn)入圖像范圍的物體掃描，對圖像內(nèi)的圖形進(jìn)行邊緣檢測、輪廓圖形比對，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及邏輯判斷，當(dāng)識別到對應(yīng)的標(biāo)志時，準(zhǔn)確地抓取物體，經(jīng)自動調(diào)整和移動放在相應(yīng)的工位，運(yùn)用工業(yè)視覺極大地提高抓取的可靠性。

2.1.2 語音識別切換

語音模式具有識別對應(yīng)詞條和反饋語的基本功能，語音模塊程序(節(jié)選)如圖1所示。語音控制系統(tǒng)，只需按語音指令手冊，對話筒閱讀指令即可。例如，呼叫“管家管家”喚醒語音識別模式，說出“工位一”則系統(tǒng)執(zhí)行分揀工位一的相應(yīng)操作，提高了人工進(jìn)行語音控制時的準(zhǔn)確性。

圖1 語音模塊程序(節(jié)選)

2.1.3 人機(jī)交互系統(tǒng)

操作者可通過顯示屏對參數(shù)的實(shí)時檢測把控整體系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，進(jìn)而可對操作桿和觸摸屏操作實(shí)時對系統(tǒng)總體控制及參數(shù)整定。人機(jī)交互設(shè)置了各個分系統(tǒng)的觸發(fā)開關(guān)，依據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境可人工選擇合適的智能分揀系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)對作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性[2]。

2.2 通信電路設(shè)計與組件控制及實(shí)現(xiàn)

2.2.1 通信電路設(shè)計

本系統(tǒng)中主要以RS-485通信為主，需將RS-232信號轉(zhuǎn)換為可識別信號。為了通信轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，本電路采用了轉(zhuǎn)換單獨(dú)供電的模式，支持500k的波特率。通信電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 通信電路設(shè)計

2.2.2 直流推桿控制設(shè)計

輔助抓取裝置機(jī)構(gòu)由24V直流推桿與固定腳架構(gòu)成，系統(tǒng)要求需實(shí)現(xiàn)直流推桿輔助抓取裝置上、下行控制，需占用PLC的兩個輸出口(Y4、Y5)，并將兩個輸出口與兩個繼電器配合，當(dāng)Y4輸出Y5截止時，KM1的常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，此時24V直流電源與KM2觸點(diǎn)、直流推桿組件、KM1觸點(diǎn)形成閉合回路，直流推桿向下移動；當(dāng)Y4截止Y5輸出時，KM2的常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，此時24V直流電源與KM1觸點(diǎn)、直流推桿組件、KM2觸點(diǎn)形成閉合回路，直流推桿向上移動；當(dāng)Y4、Y5同時輸出或同時截止時，直流推桿均不動作。

2.2.3 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動設(shè)計

首先核算相應(yīng)的物理帶載力矩選取合適的步進(jìn)電機(jī)及調(diào)整相應(yīng)的同步帶，采用閉環(huán)控制最大限度地預(yù)防步進(jìn)電機(jī)失步。PLC控制器將參數(shù)數(shù)據(jù)分析處理，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，使步進(jìn)電機(jī)帶動抓取組件移至目標(biāo)位置，抓取后，移動至指定工位位置；反饋信號通過RS-485通信發(fā)送給PLC，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及坐標(biāo)位置分析調(diào)整脈沖信號傳輸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動預(yù)防失步[3]。

2.2.4 智能調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

智能調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、執(zhí)行組件環(huán)節(jié)流程如圖3所示，以PLC為核心控制器的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)流程

3 結(jié)語

本智能調(diào)度系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)實(shí)用性在于：(1)融合大量人工智能分揀的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)最大程度對操作者的輔助，保證分揀人性化；(2)采用視覺定位系統(tǒng)和語音識別系統(tǒng)相結(jié)合，以人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)時檢測和調(diào)整參數(shù)為輔，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的智能調(diào)度；(3)基礎(chǔ)硬件的設(shè)定可依據(jù)不同的抓取對象和復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，保證適應(yīng)性和穩(wěn)定性。