基于視覺技術的磚坯搬運機器人的設計*

石進水

(山東交通職業(yè)學院,山東 濰坊 261206)

紅磚被限制使用后,免燒磚大量進入建筑等行業(yè)。盤轉(zhuǎn)式(八孔或十六孔)制磚機能利用各種工業(yè)廢料、廢渣、煤矸石、河沙等為基本原料,生產(chǎn)出標準規(guī)格的墻體磚、空心磚、地板磚等產(chǎn)品,可為鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)利用當?shù)貜U料、廢渣資源,節(jié)約土地,脫貧致富、鄉(xiāng)村振興創(chuàng)造了新的條件。

以八孔式盤轉(zhuǎn)式制磚機為例,每分鐘可成型35次左右,其不僅具有機械運動穩(wěn)定可靠、成型磚坯廢品率低、質(zhì)量密實、強度高等優(yōu)點,還具有磚坯成型無需托板、可直接搬運的優(yōu)點。但磚坯在被擠壓成形后,現(xiàn)在仍然需要人工將其從制磚機上取下,擺放于傳送平臺上,以備碼垛。因該磚機的工作效率高,每臺磚機最少需配2名工人。工人的工作環(huán)境差,勞動強度大,目前國內(nèi)外還沒有與之配套的高效、實用的自動化、智能化碼磚設備。

本文采用獨特機械結構設計了一種可代替人工的碼磚機器人,可有效配合八孔盤轉(zhuǎn)式制磚機的工作,現(xiàn)已在河北、山東等地企業(yè)進行推廣應用。

1 機器人機械結構設計

本文設計的可配合盤轉(zhuǎn)式制磚機工作的智能碼磚機器人,選取典型的盤轉(zhuǎn)式八孔制磚機作為配套對象,可與其他輸送搬運設備一起組成完整的磚坯生產(chǎn)及輸送流水線。

如圖1所示,取磚機器人整體設計安裝于八孔盤轉(zhuǎn)式制磚機的上方,機械結構主要由支撐架、支撐主軸、取放架、磚坯移除機構、取磚機械手及各部分的驅(qū)動裝置等機構組成。[1]

如圖2所示,支撐架上安裝有由旋轉(zhuǎn)動力裝置驅(qū)動(伺服電機)轉(zhuǎn)動且水平設置的支撐主軸。支撐主軸采用滾筒式設計,按90度均勻分布設計4個取放架,每一個取放架分別裝有夾磚機械手,每個機械手由兩只氣動夾緊臂組成。1號取放架對應轉(zhuǎn)盤式制磚機的磚塊出口,4號工位對應磚坯移除機構(圖2-圖4)。在每個取放架上設計安裝一個伸縮氣缸,用來控制磚夾的升降;設計安裝兩個夾持氣缸,同夾持機構組成氣動機械手,來對磚坯進行夾緊和松開。在支撐主軸側面安裝兩個電磁控制閥,控制氣缸的通氣和排氣。

圖2 機器人關鍵機械結構設計圖

支撐主軸包括連接在支撐架上的兩段半軸,其中一段半軸由伺服電機作為動力源并通過減速器帶動其轉(zhuǎn)動;兩半軸上安裝有相對設置的兩個安裝盤,兩安裝盤之間連接有沿支撐主軸軸線環(huán)布的4個安裝架。為了保證兩安裝盤的轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性,在兩安裝盤之間安裝有將其連為一體的多根連接柱。兩個半軸采用空心軸的結構,可以將取放氣缸、夾緊氣缸的動作控制連線以及氣路連接從空心軸的中間穿入并通過旋轉(zhuǎn)頭連通,這樣即方便了連接,又避免了主軸轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)線路擰辮現(xiàn)象。

取放架連接在安裝架上且可沿支撐主軸徑向方向滑移,安裝架上裝有沿支撐主軸軸線方向間隔分布的支撐套,并在取放架上固接有沿支撐主軸徑向方向伸入支撐套且與支撐套滑動配合的支撐柱。支撐柱可沿支撐套滑動,其滑動方向為支撐主軸的徑向方向。

取放動力裝置為連接在安裝架上的取放氣缸,取放架動力連接在取放氣缸的活塞桿上。

夾緊動力裝置為連接在取放架上且沿支撐主軸軸向方向相對設置的兩個夾緊氣缸,兩夾緊氣缸的活塞桿可對稱向外伸出或向內(nèi)伸出。此處設計采用兩個夾緊氣缸的好處在于,可以單獨控制每一個夾緊氣缸的行程,當該機與盤轉(zhuǎn)式制磚機配裝尺寸出現(xiàn)偏差時,可以及時調(diào)整夾緊氣缸的行程,從而保證兩夾緊臂夾持磚坯后位于中間位置,提高將磚坯碼放到磚坯移出機構時的整齊度,為后期的碼坯做好準備。

磚坯移除機構位于支撐主軸后方,包括連接在支撐架上且前后平行布置的兩根傳動輥,其中一根傳動輥由動力裝置(伺服電機)驅(qū)動,兩傳動輥之間包覆有磚坯傳送帶。取放架從拾取磚坯工位旋轉(zhuǎn)270°后,將磚坯放置在該磚坯傳送帶上。

2 機器人工作過程

當磚坯經(jīng)盤轉(zhuǎn)式制磚機成型后,磚坯呈平放狀態(tài)自制磚機一個出磚口被頂出。機器人初始位置時,正下方的取放架位于制磚機出磚口的上方。此時通過取放氣缸驅(qū)動取放架,沿支撐主軸徑向方向運動,也就是使取放架靠近出磚口。夾緊氣缸驅(qū)動兩夾緊臂沿支撐主軸軸向方向相向移動,從而夾取磚坯;夾住磚坯后,再通過取放氣缸驅(qū)動取放架遠離出磚口,將磚坯拾起。然后通過旋轉(zhuǎn)動力電機驅(qū)動支撐主軸轉(zhuǎn)動,使帶有磚坯的取放架轉(zhuǎn)動90°,此時另一個取放架正對出磚口上方,重復上述動作即可實現(xiàn)連續(xù)取磚。支撐主軸每轉(zhuǎn)動90°,正下方的夾緊臂夾取一次磚坯,同時后方的夾緊臂在移除機構上擺放一次磚坯,取放氣缸的推出還具有將磚坯推齊的作用。由于磚坯在上述裝置的帶動作用下在豎直狀態(tài)下旋轉(zhuǎn),因而磚坯在旋轉(zhuǎn)后被放置到磚坯移出機構時,便呈現(xiàn)為立放狀態(tài),可方便現(xiàn)有的其他大功率搬運機器人對磚坯進行批量抓取搬運。

另外,支撐架上裝有夾磚感應裝置和智能相機檢測系統(tǒng),通過感應裝置和智能相機檢測系統(tǒng),可以感應出位于正上方的取放架上的夾緊臂是否夾取了磚坯,磚坯的成型表面質(zhì)量圖像可傳輸?shù)揭曈X控制器,視覺控制器經(jīng)綜合判定后發(fā)出相應的信號給電氣控制系統(tǒng),進一步保證設備的正常運行。

3 電氣控制系統(tǒng)設計

機器人電氣控制系統(tǒng),采用西門子S7-1200可編程邏輯控制器(PLC)為核心,支撐軸和移除機構驅(qū)動裝置均采用HG-KN43J-S100型號伺服電機,MR-JE-40A型號伺服驅(qū)動器,采用脈沖+方向控制方式。PLC通過接收感應開關,智能相機等傳感器所傳遞的外圍狀態(tài)信號,控制各機構的動作,實現(xiàn)機械、電氣聯(lián)合控制,使各機構按規(guī)定節(jié)拍運行,同時使用人機界面調(diào)整系統(tǒng)的用戶參數(shù)數(shù)據(jù)[2]。PLC與伺服驅(qū)動器的接線方式如圖3所示,PLC部分輸入輸出點的定義如表1所示。

表1 PLC系統(tǒng)部分輸入輸出點定義

圖3 S7-1200為核心的電氣控制系統(tǒng)圖

4 視覺系統(tǒng)設計

移除機構上累計達到20塊磚坯后,專用的場地移動式大功率磚坯搬運機器人會將這20塊磚坯進行批量夾取搬運。但部分磚坯成型時存在裂紋、破損等質(zhì)量問題,在使用上述搬運機器人搬運時因受力較大會產(chǎn)生破損,從而導致其他磚坯一并從機器人夾具中掉落,給企業(yè)生產(chǎn)帶來很大損失。為解決上述問題,本系統(tǒng)中采用了一種高集成化微小型視覺系統(tǒng)——智能相機[3]。

智能相機系統(tǒng)采用歐姆龍FH-L550視覺控制器,FZ-SC2M相機,焦距12 mm的標準鏡頭模組。其工作原理為:視覺控制器接收到PLC發(fā)出的測量觸發(fā)信號后,按照測量流程中登錄的處理項目順序,對來自相機的輸入圖像進行識別對比,主要檢測磚坯邊緣是否完整、磚坯表面是否存在缺陷及其他磚坯成型質(zhì)量,在進行綜合判定后將檢測結果輸出給PLC[4]。當PLC接收到視覺控制器的判斷結果為不良品時,該磚坯仍然會被擺放至移除機構輸送帶,但PLC將控制推動氣缸將該廢品推出。通過剔除邊緣不完整、表面有缺陷、成型質(zhì)量差的磚坯,減少后續(xù)搬運工序中的整體破損率。

PLC和視覺控制器之間采用并行接口進行數(shù)據(jù)傳輸,其工作時序如圖4所示。

圖4 視覺控制系統(tǒng)的時序圖

(1)在視覺控制器輸出信號BUSY為OFF的條件下,PLC根據(jù)工作節(jié)拍輸出拍照觸發(fā)信號STEP到視覺控制器。

(2)視覺控制器接收到STEP端的觸發(fā)信號后,開始進行圖像測量處理,其輸出信號BUSY在執(zhí)行測量處理的過程中從OFF變?yōu)镺N。

(3)當圖像測量處理完成后,視覺控制器的輸出信號BUSY從ON變?yōu)镺FF,同時在OR端輸出綜合判定結果信號。PLC此時讀取OR信號值,并以此信號值進行后續(xù)流程的處理。

5 結束語

本文所設計的碼磚機器人,利用滾筒式支撐主軸的旋轉(zhuǎn),既實現(xiàn)了取磚、碼磚同時進行,又實現(xiàn)了磚塊的姿態(tài)變換,為后續(xù)設備的工作提供了便利,大大提高了制磚企業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)過程的自動化程度,其創(chuàng)新點體現(xiàn)在:

①采用四工位同時工作設計,該機器人的拾取、碼放單個磚坯的工作周期可達到1秒以內(nèi)。在節(jié)約了人力成本的同時,還可使盤轉(zhuǎn)式制磚機的工作效率得到進一步提高,且該機器人完全可以與十六孔制磚機配合使用。

②采用伺服系統(tǒng)控制滾筒式支撐主軸旋轉(zhuǎn),達到準確定位的效果,支撐主軸通過270°的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)了磚坯由擠壓成型時的水平擺放轉(zhuǎn)換為輸送帶上的豎直擺放,保證輸送帶上磚坯的后續(xù)順利轉(zhuǎn)運。

③充分利用氣動元件動作迅速的特點,采用氣動元件控制磚夾的升降;利用氣缸夾持力柔和快速調(diào)整的特點,采用氣動手指夾持磚坯,確保磚坯的可靠夾持并保證磚坯不變形,降低磚塊搬運破損率。

④采用機器視覺技術取代傳統(tǒng)的人工檢測,對磚坯成型質(zhì)量進行分析,剔除質(zhì)量欠佳的磚坯,為后期磚坯搬運的低破損率和磚垛的穩(wěn)固性奠定了良好的基礎。