第十一章柔性系統(tǒng)

第十一章

柔性制造/自動(dòng)化物流教學(xué)系統(tǒng)方案1．概況以哈工大機(jī)器人研究所為技術(shù)依托，致力于自動(dòng)控制領(lǐng)域及工業(yè)機(jī)器人、教學(xué)機(jī)器人和機(jī)電一體化裝備產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，現(xiàn)已形成直角坐標(biāo)機(jī)器人、串聯(lián)多關(guān)節(jié)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、基于機(jī)器人的柔性制造/自動(dòng)化物流系統(tǒng)等多種產(chǎn)品，成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)數(shù)十家企業(yè)及大專(zhuān)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(chǎng)壽命日益縮短，更新?lián)Q代加速，中、小批量生產(chǎn)占有越來(lái)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(jì)效益。柔性制造系統(tǒng)（FMS）正是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)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(yùn)儲(chǔ)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。它包括多個(gè)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(jìn)行調(diào)整，以適宜于多品種、中小批量生產(chǎn)。它通過(guò)簡(jiǎn)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(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)；（3）一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為了促進(jìn)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對(duì)機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)等先進(jìn)制造技術(shù)有一個(gè)全面的深入了解和體會(huì)，我們立足于自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合實(shí)際教學(xué)的需求，開(kāi)發(fā)了一套基于機(jī)器人的柔性制造/自動(dòng)化物流教學(xué)系統(tǒng)，并配備了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。2.系統(tǒng)概況通過(guò)該系統(tǒng)，使學(xué)生可通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解柔性制造/自動(dòng)化物流系統(tǒng)（工業(yè)自動(dòng)化）的基本組成和基本原理，為學(xué)生提供一個(gè)開(kāi)放性的，創(chuàng)新性的和可參與性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生全面掌握機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和集成技術(shù)，幫助學(xué)生從系統(tǒng)整體角度去認(rèn)識(shí)系統(tǒng)各組成部分，從而掌握機(jī)電控制系統(tǒng)的組成、功能及控制原理?？梢源龠M(jìn)學(xué)生在機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣自動(dòng)化、自動(dòng)控制、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等方面的學(xué)習(xí),并對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、高級(jí)語(yǔ)言編程等技能得到實(shí)際的訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(diǎn)（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(shí)；機(jī)器人技術(shù)；物流倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng)；立體倉(cāng)庫(kù)；自動(dòng)輸送線；自動(dòng)碼垛機(jī)；物流倉(cāng)儲(chǔ)管理和監(jiān)控；PLC控制系統(tǒng)；傳感器技術(shù)；

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)；計(jì)算機(jī)控制；網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控技術(shù)；數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)；多軸運(yùn)動(dòng)控制器；氣動(dòng)技術(shù)；步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)；伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)；VC、VB等高級(jí)語(yǔ)言編程。(2)專(zhuān)為教學(xué)設(shè)計(jì)，配備專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，包含多個(gè)實(shí)驗(yàn)為了方便教學(xué)實(shí)際使用，我們?yōu)橄到y(tǒng)提供了專(zhuān)門(mén)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，其內(nèi)容涵蓋機(jī)械、控制、機(jī)器人示教、插補(bǔ)、自動(dòng)裝配、碼垛等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，供教師根據(jù)學(xué)校及學(xué)生專(zhuān)業(yè)選開(kāi)，教師也可以根據(jù)實(shí)際情況，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的基礎(chǔ)上增開(kāi)實(shí)驗(yàn)。3.系統(tǒng)特點(diǎn)（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(diǎn)，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，自動(dòng)化程度高，使教師和學(xué)生在很短的時(shí)間之內(nèi)就可以掌握對(duì)系統(tǒng)的操作。3.系統(tǒng)特點(diǎn)（4）完善的生產(chǎn)及物料存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)功能根據(jù)現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)的特點(diǎn)及倉(cāng)儲(chǔ)物流的發(fā)展動(dòng)向，不但在工作過(guò)程和原理上仿真實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，而且開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)及物料存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行隨時(shí)記錄和分析生產(chǎn)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。3.系統(tǒng)特點(diǎn)（5）開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了增強(qiáng)學(xué)生的參與性，系統(tǒng)采用了開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，提供了完善的控制功能動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和二次開(kāi)發(fā)函數(shù)，不用了解底層復(fù)雜的時(shí)序和操作過(guò)程，只需要在VC或VB中簡(jiǎn)單的幾行代碼，學(xué)生即可開(kāi)發(fā)出自己的運(yùn)動(dòng)或控制功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。3.系統(tǒng)特點(diǎn)（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(shí)，也可通過(guò)電腦屏幕實(shí)時(shí)觀看系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況。同時(shí)對(duì)于有條件的學(xué)校，可將控制計(jì)算機(jī)與校園網(wǎng)相連解，使更多的學(xué)生和老師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)觀看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提高系統(tǒng)利用率，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)。3.系統(tǒng)特點(diǎn)本系統(tǒng)包含多種學(xué)科專(zhuān)業(yè)知識(shí)，具有開(kāi)放性、創(chuàng)新性、可操作性等特點(diǎn)，可用于各類(lèi)中專(zhuān)、大專(zhuān)、本科及研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作。一般適用與以下專(zhuān)業(yè)的學(xué)生和老師：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化機(jī)電一體化機(jī)械電子工程機(jī)械設(shè)計(jì)及理論電氣工程及其自動(dòng)化自動(dòng)化電子科學(xué)與技術(shù)測(cè)控技術(shù)與儀器計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)計(jì)算機(jī)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(dòng)輸送線最前端為一雙層旋轉(zhuǎn)立體倉(cāng)庫(kù)，倉(cāng)庫(kù)的上下層分別為待裝配的兩種工件，一臺(tái)六自由度機(jī)器人完成兩種工件的自動(dòng)上料，并在自動(dòng)輸送線上進(jìn)行裝配工作，裝配完成后，啟動(dòng)自動(dòng)化輸送線，由輸送線將裝配好的工件運(yùn)往下一工序。在自動(dòng)輸送線的末端配置一臺(tái)碼垛機(jī)器人（含電子秤量裝置），當(dāng)裝配完成的產(chǎn)品輸送到末端時(shí)，控制系統(tǒng)向碼垛機(jī)器人發(fā)送指令，碼垛機(jī)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(shí)進(jìn)行重量檢測(cè)，并按照其重量分揀并放置到立體倉(cāng)庫(kù)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(shí)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)上方，有一監(jiān)控?cái)z像頭，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)1臺(tái)六自由度控制系統(tǒng)1套電子稱(chēng)重系統(tǒng)1套傳送帶控制系統(tǒng)1套自動(dòng)碼垛機(jī)控制系統(tǒng)1套旋轉(zhuǎn)立體上料庫(kù)控制系統(tǒng)1套5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)配置如下：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配置：奔4級(jí)工業(yè)計(jì)算機(jī)六自由度教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)：三軸伺服控制卡型號(hào)MAC-3001SSI31塊三軸步進(jìn)控制卡型號(hào)MAC－3001STI31塊伺服驅(qū)動(dòng)器3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3臺(tái)電子稱(chēng)重分揀系統(tǒng):懸臂梁稱(chēng)重傳感器1只信號(hào)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(mén)子可編程控制器（PLC）1套西門(mén)子變頻器1臺(tái)自動(dòng)碼垛控制系統(tǒng)：西門(mén)子可編程控制器(與傳送帶控制系統(tǒng)共用)三軸步進(jìn)電機(jī)控制卡型號(hào)：MAC-3001STI31塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3臺(tái)5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)立體上料庫(kù)控制系統(tǒng)：?jiǎn)屋S步進(jìn)電機(jī)控制卡型號(hào)：MAC-3001STI11塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1臺(tái)5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.操作軟件

柔性制造/自動(dòng)化物流教學(xué)控制系統(tǒng)的控制軟件功能十分強(qiáng)大，主要包括系統(tǒng)的物料庫(kù)、傳送帶、碼垛機(jī)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制和信息實(shí)時(shí)顯示，立體倉(cāng)庫(kù)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，CCD視頻功能的檢測(cè)，機(jī)器人的示教運(yùn)動(dòng)控制及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等功能。軟件運(yùn)行主界面如圖2所示：圖2柔性制造/自動(dòng)化物流教學(xué)控制系統(tǒng)主界面6.操作軟件系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)測(cè)試包括物料庫(kù)、傳送帶、碼垛機(jī)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)測(cè)試，它的主要功能就是對(duì)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)，對(duì)上料庫(kù)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)、對(duì)傳輸帶電機(jī)和碼垛機(jī)的各個(gè)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試，檢查整個(gè)控制系統(tǒng)是否可以正常運(yùn)行，在主界面中點(diǎn)擊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)測(cè)試按鈕，進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)測(cè)試界面。如圖3所示。6.操作軟件在主界面中點(diǎn)擊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制按鈕，進(jìn)入機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制界面。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制是整個(gè)柔性制造/自動(dòng)化物流教學(xué)控制系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)人工示教方式，機(jī)器人能夠完成從上料庫(kù)取出軸孔放在傳輸帶上，然后機(jī)器人再去上料庫(kù)取出軸，在傳輸帶上完成裝配工作，然后根據(jù)指令機(jī)器人是否去操作下一個(gè)工作循環(huán)，機(jī)器人的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程是通過(guò)示教-再現(xiàn)的形式實(shí)現(xiàn)的，示教時(shí)機(jī)器人的關(guān)節(jié)信息、坐標(biāo)信息和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是實(shí)時(shí)顯示的。6.操作軟件機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解和逆解，正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是已知機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角求機(jī)器人位置和姿態(tài)的算法，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，是反映機(jī)器人位置和姿態(tài)的信息通道。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是已知機(jī)器人的位置和姿態(tài)求機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的算法，對(duì)于機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，此算法實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，如圖4所示。6.操作軟件在主界面中點(diǎn)擊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制按鈕，進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制界面，如圖5所示。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制包括系統(tǒng)的每個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，物料庫(kù)的旋轉(zhuǎn)是否到位，機(jī)器人的裝配過(guò)程是否完成，傳輸帶運(yùn)動(dòng)是否到位，碼垛機(jī)運(yùn)送成品是否完成。操作者可以根據(jù)狀態(tài)信息分步對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，按照物流順序，操作者可以分別使物料庫(kù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到送料位置，然后機(jī)器人按照人工示教的程序再現(xiàn)示教裝配過(guò)程，裝配完成后，使傳輸帶運(yùn)動(dòng)到碼垛機(jī)處，然后碼垛機(jī)運(yùn)動(dòng)將裝配完的成品送入立體倉(cāng)庫(kù)，完成物流系統(tǒng)的柔性裝配。操作者也可以使整個(gè)操作過(guò)程自動(dòng)化完成，不需要人的干預(yù)，在自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)工位的運(yùn)動(dòng)狀況，然后決定是否給下一個(gè)運(yùn)動(dòng)發(fā)指令。6.操作軟件在主界面中點(diǎn)擊立體倉(cāng)庫(kù)狀態(tài)按鈕，進(jìn)入立體倉(cāng)庫(kù)狀態(tài)界面。立體倉(cāng)庫(kù)狀態(tài)是用來(lái)實(shí)時(shí)顯示立體倉(cāng)庫(kù)15個(gè)倉(cāng)位的占用情況，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)倉(cāng)位的狀態(tài)，然后系統(tǒng)給