第十一章柔性系統(tǒng)

第十一章

柔性制造/自動化物流教學(xué)系統(tǒng)方案1．概況以哈工大機器人研究所為技術(shù)依托，致力于自動控制領(lǐng)域及工業(yè)機器人、教學(xué)機器人和機電一體化裝備產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，現(xiàn)已形成直角坐標機器人、串聯(lián)多關(guān)節(jié)機器人、并聯(lián)機器人、基于機器人的柔性制造/自動化物流系統(tǒng)等多種產(chǎn)品，成功應(yīng)用于國內(nèi)數(shù)十家企業(yè)及大專院校。2.系統(tǒng)概況隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品的復(fù)雜程度也隨之增加，而產(chǎn)品的市場壽命日益縮短，更新?lián)Q代加速，中、小批量生產(chǎn)占有越來越重要的地位。面臨這—新的局面，必須大幅度提高制造柔性和生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，從而降低生產(chǎn)成本，以獲得更好的經(jīng)濟效益。柔性制造系統(tǒng)（FMS）正是在這種形勢下應(yīng)運而生的。2.系統(tǒng)概況柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化制造系統(tǒng)。它包括多個柔性制造單元，能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進行調(diào)整，以適宜于多品種、中小批量生產(chǎn)。它通過簡單地改變軟件的方法能夠制造出多種零件中任何一種零件。它主要由三部分組成：（1）柔性裝配系統(tǒng)；（2）運儲系統(tǒng)；（3）一套計算機控制系統(tǒng)為了促進相關(guān)專業(yè)的學(xué)生對機器人、柔性制造系統(tǒng)等先進制造技術(shù)有一個全面的深入了解和體會，我們立足于自己的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合實際教學(xué)的需求，開發(fā)了一套基于機器人的柔性制造/自動化物流教學(xué)系統(tǒng)，并配備了相應(yīng)的實驗指導(dǎo)書。2.系統(tǒng)概況通過該系統(tǒng)，使學(xué)生可通過實驗了解柔性制造/自動化物流系統(tǒng)（工業(yè)自動化）的基本組成和基本原理，為學(xué)生提供一個開放性的，創(chuàng)新性的和可參與性強的實驗平臺，讓學(xué)生全面掌握機電一體化技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)和集成技術(shù)，幫助學(xué)生從系統(tǒng)整體角度去認識系統(tǒng)各組成部分，從而掌握機電控制系統(tǒng)的組成、功能及控制原理?？梢源龠M學(xué)生在機械設(shè)計、電氣自動化、自動控制、機器人技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)等方面的學(xué)習(xí),并對電機驅(qū)動及控制技術(shù)、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用、計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)、高級語言編程等技能得到實際的訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的機電系統(tǒng)的設(shè)計、裝配、調(diào)試能力均能得到綜合提高。2.系統(tǒng)概況3.系統(tǒng)特點（1）包含多種關(guān)鍵技術(shù)及單元，使學(xué)生了解更多的知識；機器人技術(shù)；物流倉儲自動控制系統(tǒng)；立體倉庫；自動輸送線；自動碼垛機；物流倉儲管理和監(jiān)控；PLC控制系統(tǒng)；傳感器技術(shù)；

計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)；計算機控制；網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控技術(shù)；數(shù)據(jù)庫技術(shù)；多軸運動控制器；氣動技術(shù)；步進電機及驅(qū)動；伺服電機及驅(qū)動；VC、VB等高級語言編程。(2)專為教學(xué)設(shè)計，配備專門的實驗指導(dǎo)書，包含多個實驗為了方便教學(xué)實際使用，我們?yōu)橄到y(tǒng)提供了專門實驗指導(dǎo)書，其內(nèi)容涵蓋機械、控制、機器人示教、插補、自動裝配、碼垛等多項實驗，供教師根據(jù)學(xué)校及學(xué)生專業(yè)選開，教師也可以根據(jù)實際情況，在實驗指導(dǎo)書的基礎(chǔ)上增開實驗。3.系統(tǒng)特點（3）交互式圖形化操作界面系統(tǒng)控制軟件采用WINDOWS操作系統(tǒng)，具有交互式和圖形化特點，操作簡單易學(xué)，自動化程度高，使教師和學(xué)生在很短的時間之內(nèi)就可以掌握對系統(tǒng)的操作。3.系統(tǒng)特點（4）完善的生產(chǎn)及物料存儲統(tǒng)計功能根據(jù)現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)的特點及倉儲物流的發(fā)展動向，不但在工作過程和原理上仿真實際生產(chǎn)過程，而且開發(fā)了生產(chǎn)及物料存儲數(shù)據(jù)庫，根據(jù)系統(tǒng)的運行隨時記錄和分析生產(chǎn)和存儲數(shù)據(jù)。3.系統(tǒng)特點（5）開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了增強學(xué)生的參與性，系統(tǒng)采用了開放式結(jié)構(gòu)，提供了完善的控制功能動態(tài)鏈接庫和二次開發(fā)函數(shù)，不用了解底層復(fù)雜的時序和操作過程，只需要在VC或VB中簡單的幾行代碼，學(xué)生即可開發(fā)出自己的運動或控制功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。3.系統(tǒng)特點（6）網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控（選配）系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控模塊，使操作者在操作系統(tǒng)的同時，也可通過電腦屏幕實時觀看系統(tǒng)的實際運行狀況。同時對于有條件的學(xué)校，可將控制計算機與校園網(wǎng)相連解，使更多的學(xué)生和老師通過網(wǎng)絡(luò)觀看現(xiàn)場實驗過程，提高系統(tǒng)利用率，也可實現(xiàn)遠程教學(xué)。3.系統(tǒng)特點本系統(tǒng)包含多種學(xué)科專業(yè)知識，具有開放性、創(chuàng)新性、可操作性等特點，可用于各類中專、大專、本科及研究生的實驗教學(xué)和科研工作。一般適用與以下專業(yè)的學(xué)生和老師：機械設(shè)計制造及其自動化機電一體化機械電子工程機械設(shè)計及理論電氣工程及其自動化自動化電子科學(xué)與技術(shù)測控技術(shù)與儀器計算機科學(xué)與技術(shù)計算機應(yīng)用技術(shù)4.適用范圍5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）系統(tǒng)組成在自動輸送線最前端為一雙層旋轉(zhuǎn)立體倉庫，倉庫的上下層分別為待裝配的兩種工件，一臺六自由度機器人完成兩種工件的自動上料，并在自動輸送線上進行裝配工作，裝配完成后，啟動自動化輸送線，由輸送線將裝配好的工件運往下一工序。在自動輸送線的末端配置一臺碼垛機器人（含電子秤量裝置），當裝配完成的產(chǎn)品輸送到末端時，控制系統(tǒng)向碼垛機器人發(fā)送指令，碼垛機器人得到指令后，將裝配完成的產(chǎn)品從輸送線上取下，同時進行重量檢測，并按照其重量分揀并放置到立體倉庫的相應(yīng)位置，完成一次裝配作業(yè)。系統(tǒng)的控制元件位于控制系統(tǒng)電控柜中。同時在作業(yè)現(xiàn)場上方，有一監(jiān)控攝像頭，完成對現(xiàn)場作業(yè)的圖像采集。5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2）控制系統(tǒng)主要構(gòu)成工業(yè)控制計算機1臺六自由度控制系統(tǒng)1套電子稱重系統(tǒng)1套傳送帶控制系統(tǒng)1套自動碼垛機控制系統(tǒng)1套旋轉(zhuǎn)立體上料庫控制系統(tǒng)1套5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細配置如下：工業(yè)控制計算機配置：奔4級工業(yè)計算機六自由度教學(xué)機器人控制系統(tǒng)：三軸伺服控制卡型號MAC-3001SSI31塊三軸步進控制卡型號MAC－3001STI31塊伺服驅(qū)動器3臺步進電機驅(qū)動器3臺電子稱重分揀系統(tǒng):懸臂梁稱重傳感器1只信號處理采集電路板1塊5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳送帶控制系統(tǒng)：西門子可編程控制器（PLC）1套西門子變頻器1臺自動碼垛控制系統(tǒng)：西門子可編程控制器(與傳送帶控制系統(tǒng)共用)三軸步進電機控制卡型號：MAC-3001STI31塊步進電機驅(qū)動器3臺5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)立體上料庫控制系統(tǒng)：單軸步進電機控制卡型號：MAC-3001STI11塊步進電機驅(qū)動器1臺5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.操作軟件

柔性制造/自動化物流教學(xué)控制系統(tǒng)的控制軟件功能十分強大，主要包括系統(tǒng)的物料庫、傳送帶、碼垛機和機器人的運動測試，系統(tǒng)運動控制和信息實時顯示，立體倉庫狀態(tài)的監(jiān)測，CCD視頻功能的檢測，機器人的示教運動控制及運動學(xué)分析等功能。軟件運行主界面如圖2所示：圖2柔性制造/自動化物流教學(xué)控制系統(tǒng)主界面6.操作軟件系統(tǒng)運動測試包括物料庫、傳送帶、碼垛機和機器人的運動測試，它的主要功能就是對機器人的各個關(guān)節(jié)，對上料庫電機的旋轉(zhuǎn)、對傳輸帶電機和碼垛機的各個電機進行運動測試，檢查整個控制系統(tǒng)是否可以正常運行，在主界面中點擊系統(tǒng)運動測試按鈕，進入系統(tǒng)運動測試界面。如圖3所示。6.操作軟件在主界面中點擊機器人運動控制按鈕，進入機器人運動控制界面。機器人運動控制是整個柔性制造/自動化物流教學(xué)控制系統(tǒng)的核心部分，通過人工示教方式，機器人能夠完成從上料庫取出軸孔放在傳輸帶上，然后機器人再去上料庫取出軸，在傳輸帶上完成裝配工作，然后根據(jù)指令機器人是否去操作下一個工作循環(huán)，機器人的整個運動過程是通過示教-再現(xiàn)的形式實現(xiàn)的，示教時機器人的關(guān)節(jié)信息、坐標信息和運動狀態(tài)是實時顯示的。6.操作軟件機器人的運動學(xué)分析包括機器人運動學(xué)的正解和逆解，正運動學(xué)分析是已知機器人的各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角求機器人位置和姿態(tài)的算法，是機器人運動的基礎(chǔ)，是反映機器人位置和姿態(tài)的信息通道。逆運動學(xué)分析是已知機器人的位置和姿態(tài)求機器人各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的算法，對于機器人的空間運動來說，此算法實時計算機器人的各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，如圖4所示。6.操作軟件在主界面中點擊系統(tǒng)運動控制按鈕，進入系統(tǒng)運動控制界面，如圖5所示。系統(tǒng)運動控制包括系統(tǒng)的每個部分的運動狀態(tài)實時顯示，物料庫的旋轉(zhuǎn)是否到位，機器人的裝配過程是否完成，傳輸帶運動是否到位，碼垛機運送成品是否完成。操作者可以根據(jù)狀態(tài)信息分步對每個部分進行運動控制，按照物流順序，操作者可以分別使物料庫旋轉(zhuǎn)運動到送料位置，然后機器人按照人工示教的程序再現(xiàn)示教裝配過程，裝配完成后，使傳輸帶運動到碼垛機處，然后碼垛機運動將裝配完的成品送入立體倉庫，完成物流系統(tǒng)的柔性裝配。操作者也可以使整個操作過程自動化完成，不需要人的干預(yù)，在自動化運動過程中，系統(tǒng)實時檢測各個工位的運動狀況，然后決定是否給下一個運動發(fā)指令。6.操作軟件在主界面中點擊立體倉庫狀態(tài)按鈕，進入立體倉庫狀態(tài)界面。立體倉庫狀態(tài)是用來實時顯示立體倉庫15個倉位的占用情況，系統(tǒng)實時檢測各個倉位的狀態(tài)，然后系統(tǒng)給