基于LabVIEW的機(jī)械臂自動(dòng)上下料模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫周亮，陳 飛，陳 正，胡紅柱

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

基于LabVIEW的機(jī)械臂自動(dòng)上下料模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫周亮，陳 飛，陳 正，胡紅柱

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域里，自動(dòng)上下料裝置和機(jī)械臂的廣泛應(yīng)用正改變著人類的生產(chǎn)和生活方式. 為使在校學(xué)生能夠?qū)跈C(jī)械臂的自動(dòng)上下料系統(tǒng)有更好地了解，本文設(shè)計(jì)搭建了一模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料、物料的傳輸、自動(dòng)檢測. 用戶可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改. 實(shí)驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的模擬系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值.

LabVIEW；機(jī)械臂；數(shù)據(jù)采集卡；自動(dòng)上下料

通過工業(yè)機(jī)械臂來執(zhí)行上下料的動(dòng)作，已是自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域及制造業(yè)常見的取代人力的方式. 在實(shí)踐中，自動(dòng)上下料機(jī)器手在工業(yè)生產(chǎn)中的各行各業(yè)被廣泛應(yīng)用，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率及降低生產(chǎn)成本，而且在凸顯企業(yè)生產(chǎn)實(shí)力，提高市場競爭力方面有著重要意義.

為使在校學(xué)生能夠?qū)跈C(jī)械臂的自動(dòng)上下料系統(tǒng)有更好地了解，結(jié)合學(xué)生所學(xué)專業(yè)，本文整合了虛擬儀器技術(shù)、傳感器技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)等知識(shí)設(shè)計(jì)了一基于LabVIEW的機(jī)械臂自動(dòng)上下料模擬系統(tǒng). 該系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)：（1）工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的流水線操作模式；（2）物料的自動(dòng)檢測；（2）機(jī)械臂自動(dòng)完成對(duì)物料的上料和下料工作.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于LabVIEW的機(jī)械臂自動(dòng)上下料模擬系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示. 模擬系統(tǒng)的核心硬件由NI ELVISⅡ數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械臂、紅外傳感器和金屬傳感器構(gòu)成，模擬系統(tǒng)的操作控制軟件由LabVIEW編寫. 通過控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)際生產(chǎn)流水線，紅外傳感器檢測是否有待檢測的物料，若有則控制機(jī)械臂1進(jìn)行抓取并放置到傳送帶上，在傳輸?shù)倪^程中由金屬傳感器對(duì)其進(jìn)行檢測，判斷是否為金屬，若為金屬時(shí)則傳送帶運(yùn)行一段時(shí)間后停止，而物料恰好在機(jī)械臂2抓取位置，此時(shí)，控制機(jī)械臂2 對(duì)物料進(jìn)行抓取裝箱，若不是金屬，則物料流入下一工作站點(diǎn). 數(shù)據(jù)采集卡與外圍硬件的接線方式如圖2所示. 通過數(shù)據(jù)采集卡DIO0~5輸出PWM波控制機(jī)械臂1的6個(gè)舵機(jī)，通過數(shù)據(jù)采集卡DIO6~11輸出PWM波控制機(jī)械臂2的6個(gè)舵機(jī)；數(shù)據(jù)采集卡的DIO13、DIO14分別采集紅外傳感器、金屬傳感器的信號(hào)；數(shù)據(jù)采集卡的DIO12與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的DIR+相連，用來控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器1 PFI13/Ctrl_OUT［1］與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PUL+相連，用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即流水線運(yùn)行速度.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 主要端口接線方式

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要功能有自動(dòng)測試、手動(dòng)測試、數(shù)據(jù)查詢以及退出四個(gè)功能，前面板如圖3所示，自動(dòng)測試完成完整的上料、檢測和下料工序；手動(dòng)測試完成機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡的調(diào)試；數(shù)據(jù)查詢主要查看兩個(gè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡的點(diǎn)位數(shù)據(jù). 系統(tǒng)軟件采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式（事件），其架構(gòu)如圖4所示，整個(gè)程序采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者（事件）設(shè)計(jì)模式，系統(tǒng)程序的運(yùn)行都是通過前面板中的按鈕觸發(fā)相應(yīng)的事件（生產(chǎn)者—用戶界面響應(yīng)），經(jīng)過相應(yīng)的隊(duì)列將數(shù)據(jù)傳遞下去［2］. 本系統(tǒng)具有4個(gè)消費(fèi)者，分別為主線程、機(jī)械臂1、機(jī)械臂2、檢測與流水線，其分別對(duì)應(yīng)著隊(duì)列0、隊(duì)列1、隊(duì)列2和隊(duì)列3. 消費(fèi)者主線程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化（包括界面、硬件初始化和配置文件的讀?。⒆詣?dòng)測試、手動(dòng)測試、數(shù)據(jù)查詢和退出；消費(fèi)者機(jī)械臂1和消費(fèi)者機(jī)械臂2實(shí)現(xiàn)上料機(jī)械臂和下料機(jī)械臂的控制；消費(fèi)者檢測與流水線實(shí)現(xiàn)流水線運(yùn)行的控制、確定是否有待檢測物料，物料是否為金屬.

2.1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)試程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是6自由度機(jī)械臂，6自由度為底座的旋轉(zhuǎn)、大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)、小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)、手腕的上下擺動(dòng)與左右旋轉(zhuǎn)、手爪的張合. 本機(jī)械臂中的各軸之間相互聯(lián)系并相互獨(dú)立運(yùn)行，各機(jī)構(gòu)互不干涉. 通過簡單動(dòng)作調(diào)整可實(shí)現(xiàn)連貫協(xié)調(diào)的任意復(fù)雜機(jī)械臂動(dòng)作過程以及循環(huán)動(dòng)作過程. 機(jī)械臂使用舵機(jī)控制各個(gè)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)角度，每個(gè)舵機(jī)可調(diào)整范圍為0°~180°［3］. 舵機(jī)可接收50Hz的TTL信號(hào)，占空比2.5%~12.5%對(duì)應(yīng)舵機(jī)0°~180°角度變化. 因此可使用數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字端口產(chǎn)生6路占空比可調(diào)的TTL信號(hào)作為各個(gè)自由度的控制信號(hào)，其角度與占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

圖3 系統(tǒng)前面板

圖4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖5 機(jī)械臂調(diào)試界面

機(jī)械臂點(diǎn)位的調(diào)試是控制機(jī)械臂上下料必不可少的，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的手動(dòng)測試是有區(qū)別的，手動(dòng)測試僅是測試機(jī)械臂各自由度是否工作正常，手動(dòng)測試的程序設(shè)計(jì)核心與機(jī)械臂軌跡調(diào)試是類似的. 機(jī)械臂點(diǎn)位的調(diào)試是為了確定機(jī)械臂的運(yùn)行軌跡，為自動(dòng)測試能夠順利運(yùn)行做好準(zhǔn)備. 程序運(yùn)行調(diào)試界面如圖5所示，機(jī)械臂調(diào)試的程序框圖如圖6所示.

通過圖5調(diào)試界面上的6組數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)6個(gè)舵機(jī)，從圖6可以看出調(diào)試時(shí)機(jī)械臂初始點(diǎn)位都是90°（脈沖數(shù)的計(jì)算如式（1）所示），程序?qū)⒚}沖數(shù)寫入機(jī)械臂；繼而通過逐個(gè)調(diào)試機(jī)械臂的點(diǎn)位（程序中的axle data），換算成脈沖數(shù)后通過for循環(huán)寫入到機(jī)械臂各自由度的舵機(jī)，最終確定出機(jī)械臂的運(yùn)行軌跡. 本系統(tǒng)將每個(gè)機(jī)械臂的軌跡分解成了15組點(diǎn)位［4-5］，使得機(jī)械臂可以按照分解的動(dòng)作運(yùn)行的比較穩(wěn)定，兩組點(diǎn)位分別如表1所示.

圖6 械臂調(diào)試程序

表1 機(jī)械臂點(diǎn)位數(shù)據(jù)

2.2 自動(dòng)測試程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)自動(dòng)測試程序完成將待測物料進(jìn)行上料，檢測，下料動(dòng)作，通過紅外檢測物料是否有待測物料，若檢測到有待測物料，啟用由機(jī)械臂1進(jìn)行抓取并放置到傳送帶，物料經(jīng)傳送帶運(yùn)輸至金屬傳感器位置時(shí)進(jìn)行檢測判斷是否是金屬，如果是金屬物料則通過機(jī)械臂2進(jìn)行抓取下料，若非金屬則流入到下一工位，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂自動(dòng)上下料的完整流水線的模擬. 系統(tǒng)自動(dòng)測試程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示. 整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械臂抓取，即舵機(jī)的控制是通過程序控制數(shù)據(jù)采集卡的DIO口輸出周期為20 ms的占空比可變的PWM波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)角度的控制，詳見2.1；紅外檢測信號(hào)及金屬傳感器信號(hào)的獲取屬于數(shù)字信號(hào)讀取，NI-DAQmx對(duì)數(shù)字信號(hào)的讀取線程為：創(chuàng)建數(shù)字信號(hào)輸入通道（DAQmxCreat Channel（DI-Digital Input）.vi）→開始任務(wù)（DAQmx Start Task.vi)→讀取（DAQmx Read（Digital Bool 1 Line 1 Point）.vi）→任務(wù)完成?（DAQmx Is Task Done.vi）→停止任務(wù)（DAQmx Stop Task.vi）→清除任務(wù)（DAQmx Clear Task.vi)，若任務(wù)未完成則繼續(xù)讀取傳感器信息，若任務(wù)完成則停止該任務(wù)并清除任務(wù)以釋放任務(wù)保留的資源；流水線的運(yùn)行與停止是通過數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器1輸出脈沖實(shí)現(xiàn)的，其線程與數(shù)字信號(hào)的讀取類似，但創(chuàng)建的是生成數(shù)字脈沖通道（DAQmxCreat Channel（COPulse Generation-time）.vi），信號(hào)非讀取而是輸出.

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明所搭建的模擬系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了利用機(jī)械臂進(jìn)行上下料的自動(dòng)化檢測流水線的模擬. 該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整：如根據(jù)檢測要求更換相關(guān)的傳感器，根據(jù)具體的工況要求對(duì)機(jī)械臂的速度、流水線（步進(jìn)電機(jī)）運(yùn)行速度進(jìn)行修改. 本模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅可以提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力，同時(shí)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化中小型產(chǎn)品自動(dòng)上下料、檢測具有一定的參考意義.

［1］ NI ELVIS II 手冊. ［EB/OL］. ［2017-05-01］ . http：//www.ni.com/pdf/manuals/372590a.pdf.

［2］ 陳樹學(xué)，劉萱. LabVIEW寶典［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2011：92.

［3］ 王夢雅，楊志剛.基于LabVIEW舵機(jī)機(jī)械臂控制［J］. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2017（1）：181-182.

［4］ 李子耀，曾智源. 基于LabVIEW的教學(xué)型六軸機(jī)械臂設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)電工程技術(shù)，2016，45（11）：76-79.

［5］ 朱齊丹，王欣璐. 六自由度機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法［J］. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2014（2）：12-18.

圖7 自動(dòng)測試流程

Abstract:In the field of modern industrial automation production, in order to realize automation of material handling, loading and unloading, automatic loading and unloading devices and robot arm are designed. The widespread use of automatic loading and unloading devices and robot arm is changing the way humans live and work. In order to enable the students to have a better understanding of the automatic loading and unloading system based on the robot arm, a simulation system is designed. The system can realize automatic loading and unloading, material transmission and automatic detection. The user can modify the system according to the actual demand. The experiments show that the designed simulation system can achieve automatic loading and unloading, material transmission, and automatic detection function, which also has a certain practical value.

Key words:LabVIEW; robot arm; data acquisition card; automatic loading and unloading

The Automatic Loading and Unloading Simulation System Based on LabVIEW and Robot Arm

SUN Zhouliang, CHEN Fei, CHEN Zheng, HU Hongzhu
(School of Electrical and Automation Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China)

TP23

A

1008-2794（2017）04-0031-04

2017-05-16

2016年地方高校國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于機(jī)器視覺的產(chǎn)品檢測與封裝系統(tǒng)”（201610333002）

陳飛，副教授，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)先進(jìn)控制技術(shù)與先進(jìn)檢測技術(shù)，E-mail: cfmonday@163.com.