基于SCARA機(jī)器人的異型插件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

摘要：在現(xiàn)代化工業(yè)中，作為圓柱坐標(biāo)型的SCARA機(jī)器人具有重要作用，在自動(dòng)裝配生產(chǎn)線中應(yīng)用十分廣泛。本文首先對(duì)SCARA機(jī)器人的異型插件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案中的機(jī)器人本身、控制系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)和上位機(jī)進(jìn)行說(shuō)明，然后對(duì)設(shè)計(jì)流程中所選擇的硬件、軟件的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：SCARA機(jī)器人；異型插件控制系統(tǒng)；視覺(jué)系統(tǒng)

在1995年，起始于我國(guó)“8693計(jì)劃”的SCARA4軸裝配機(jī)器人被上海交通大學(xué)研制出來(lái)，這可以算是現(xiàn)在裝配生產(chǎn)線中采用的SCARA機(jī)器人的前身。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型為現(xiàn)代化工業(yè)的趨勢(shì)是不可阻擋的，對(duì)SCARA機(jī)器人進(jìn)行完善很有必要。

一、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

（一）工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，其本身具有機(jī)電一體化的性能，可以進(jìn)行仿人操作，可以進(jìn)行重復(fù)編程，同時(shí)，它可以在三維空間中做到控制自動(dòng)化，完成各種作業(yè)。SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）機(jī)器人[1]，也就是選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂機(jī)器人，這種機(jī)器人有著在普遍有著三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，且軸線之間時(shí)平衡的，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中有著一個(gè)可以用來(lái)完成平面當(dāng)中末端件運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)關(guān)節(jié)，在平面定位當(dāng)中具有良好的效果，裝配的基本方向?yàn)榇怪狈较?。通過(guò)相應(yīng)的系統(tǒng)指令可以對(duì)機(jī)械手臂和氣爪進(jìn)行操作控制，進(jìn)而完成異型器件的插件與抓取行為。

（二）控制系統(tǒng)

在控制系統(tǒng)方面，本文采用了處理信號(hào)較為高效的PLC系統(tǒng)，光電隔離所有I/O信號(hào)，讓控制器內(nèi)部的電路與控制器外部的電路完美隔離，可以讓聲音產(chǎn)生的影響大大降低。這種系統(tǒng)可以對(duì)各種采集數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，同時(shí)可以對(duì)各種操作命令進(jìn)行發(fā)送，進(jìn)而完成異型器件的自動(dòng)插件工作。

（三）視覺(jué)系統(tǒng)

在視覺(jué)系統(tǒng)方面，其采用的主要硬件有工業(yè)計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、光學(xué)鏡頭和多通道圖像采集卡，利用計(jì)算機(jī)中的圖像處理軟件可以讓控制系統(tǒng)更為準(zhǔn)確。多個(gè)圖像傳感器CCD（Chargecoupled Device）的職責(zé)存在差異，可見(jiàn)下表。

結(jié)合表格，通過(guò)三種圖像傳感器可以讓整體操作流程更為精確，讓元器件可以精確插裝到PCB板之上。

（四）上位機(jī)

在上位機(jī)的選擇方面，采用了研華工控機(jī)，結(jié)合RS485完成串行的信息傳輸，可以讓數(shù)據(jù)在采集之后進(jìn)行儲(chǔ)存顯示，同時(shí)，上位機(jī)可以讓工作人員對(duì)這些歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

二、具體設(shè)計(jì)流程

（一）硬件選擇

1.傳感器

在傳感器方面，可以利用振動(dòng)盤(pán)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)異型器件檢測(cè)，光纖傳感器位于振動(dòng)料斗之上，它可以對(duì)異型器件的到位情況予以判斷，在到位之后，利用通信電纜，PLC會(huì)將器件抓取指令發(fā)送給SCARA機(jī)器人，進(jìn)而完程抓取動(dòng)作。而利用光電傳感器，可以對(duì)PCB板到達(dá)指令位置的情況予以反應(yīng)，利用此類(lèi)信號(hào)，PLC可以完成異型器件的取件自動(dòng)化和控制插件工作。

2.PCB傳送電動(dòng)機(jī)

PCB傳送電動(dòng)機(jī)的主要功能是讓PCB實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供應(yīng)，對(duì)PCB輸送線電機(jī)的開(kāi)啟和關(guān)閉予以控制，可以讓PCB板實(shí)現(xiàn)連續(xù)的自動(dòng)供應(yīng)，而在電機(jī)選擇等方面，采用了單相交流電機(jī)。

3.執(zhí)行器

在此基于SCARA機(jī)器人的異型插件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，執(zhí)行器包含了氣爪、氣缸、電磁閥等多個(gè)部分，其中電磁閥可以幫助PCB中對(duì)應(yīng)的定位識(shí)別工作、夾緊工作以及氣缸送料工作的控制，電磁閥可以讓氣爪抓取異型器件，而利用繼電器，可以控制供料系統(tǒng)振動(dòng)盤(pán)的開(kāi)啟工作。

（二）軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件方面，通過(guò)PLC可以完成基礎(chǔ)程序的編寫(xiě)工作，進(jìn)而對(duì)異型插件機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用傳感器可以完成信號(hào)的采集，分析對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和信號(hào)，進(jìn)而對(duì)抓取器件的動(dòng)作進(jìn)行確認(rèn)，利用相應(yīng)的公式完成對(duì)定位進(jìn)行計(jì)算，讓系統(tǒng)插件工作更為準(zhǔn)確。其基本系統(tǒng)流程可以概括為，系統(tǒng)初始化之后判斷PCB是否到位，如果不到位，需要重新進(jìn)行設(shè)定，在判定到位之后，需要判定元器件是否到位[2]，如果沒(méi)有到位，那么需要對(duì)振動(dòng)料斗元器件排序予以啟動(dòng)，進(jìn)行重新判斷，在確認(rèn)元器件到位之后，可以進(jìn)行異型元器件的抓取工作，對(duì)元器件的缺陷情況進(jìn)行檢查，如果存在缺陷，那么應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整和更換，之后重新檢測(cè)元器件的到位工作，在確認(rèn)元器件沒(méi)有缺陷之后，需要對(duì)元器件夾持位姿誤差進(jìn)行計(jì)算，利用PCB板可以完成誤差計(jì)算的定位工作，之后計(jì)算異型元器件的插裝位置誤差，對(duì)機(jī)械手的姿態(tài)予以調(diào)整，進(jìn)而可完成元器件的插裝工作，進(jìn)行PCB板下料。在此系統(tǒng)中，PLC和PC機(jī)之間存在信號(hào)傳輸，SCARA機(jī)器人和PLC之間存在信號(hào)傳輸，在信號(hào)傳輸時(shí)，本系統(tǒng)利用了RS485標(biāo)準(zhǔn)，RS485是一個(gè)定義平衡數(shù)字多點(diǎn)系統(tǒng)中接收器與驅(qū)動(dòng)器的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)，使用這種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)能在及電子噪聲大的環(huán)境中或遠(yuǎn)距離環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸，這種方式的電氣接口方式為差分平衡，能夠讓噪音進(jìn)行有效遏制，進(jìn)而提升整體信號(hào)傳輸?shù)挠行裕瑫r(shí)，它可以讓節(jié)點(diǎn)之間的接地電平差異的影響得到減少。將這套系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，選擇USB2.0與耳機(jī)插座為測(cè)試器件，完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)工作之后，發(fā)現(xiàn)此套系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)械手、0SMT、CCD本身的特點(diǎn)進(jìn)行整合，對(duì)異型插件進(jìn)行開(kāi)通知的平均時(shí)間大概在2S左右，具有與良好的效果。

三、結(jié)論

綜上所述，利用視覺(jué)系統(tǒng)，可以讓SCARA機(jī)器人異型插件控制的整體系統(tǒng)更為準(zhǔn)確，通過(guò)完善的設(shè)計(jì)流程，可以實(shí)現(xiàn)SCARA機(jī)器人異型電子元器件的快速插裝目的，進(jìn)而提升SCARA機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的效果，對(duì)于現(xiàn)代化工業(yè)的改革具有促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]左國(guó)棟，趙智勇，王冬青.SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及MATLAB建模仿真[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2017，3002：100102.

[2]劉輝，毛璐瑤，陳啟愉.基于數(shù)值模擬技術(shù)的SCARA機(jī)器人本體設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].機(jī)電工程技術(shù)，2017，4606：16.

作者簡(jiǎn)介：張凡（1981），男，湖南益陽(yáng)人，大專，工程師，研究方向：導(dǎo)形插件機(jī)及供料器。