砝碼質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究論文
摘要：本文簡(jiǎn)要描述了全自動(dòng)砝碼質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人的研制工作，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)組成、各維度機(jī)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系和運(yùn)動(dòng)耦合進(jìn)行了分析，借助有限元對(duì)重要零部件進(jìn)行了模態(tài)分析等設(shè)計(jì);為保證控制精度和檢測(cè)效率，控制系統(tǒng)采用了PLC、高精度編碼器等，從軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作進(jìn)行精密控制，既保證天平等重要設(shè)備的安全和穩(wěn)定性，也保證精度的情況下提高工作效率。通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：質(zhì)量;電子天平;砝碼;機(jī)器人
標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量檢測(cè)和比對(duì)是一項(xiàng)重復(fù)性勞動(dòng)，不僅對(duì)人員的心理和體力都是極大的考驗(yàn)，人為因素對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)也有較大的影響。隨著現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于砝碼質(zhì)量檢測(cè)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率和測(cè)量的精度。本項(xiàng)目在分析相關(guān)案例的基礎(chǔ)上，使用已有的高精度電子天平，搭建砝碼質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人。該機(jī)器人系統(tǒng)通過上位機(jī)的控制程序?qū)崿F(xiàn)電子天平側(cè)門的開關(guān)控制、砝碼的自動(dòng)取放等動(dòng)作及相關(guān)動(dòng)作節(jié)拍的相互匹配，提高質(zhì)量檢測(cè)工作效率。
1系統(tǒng)功能
依據(jù)JJG99—2006砝碼檢定規(guī)程等相關(guān)規(guī)程規(guī)范，對(duì)系統(tǒng)功能做如下定義［1］:1)標(biāo)準(zhǔn)砝碼必須滿足標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)外形。2)單個(gè)砝碼檢測(cè)流程是單個(gè)砝碼的取放動(dòng)作，質(zhì)量比對(duì)等多個(gè)砝碼的質(zhì)量檢測(cè)是重復(fù)單個(gè)砝碼的質(zhì)量檢測(cè)動(dòng)作。3)砝碼沒有發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。4)數(shù)據(jù)的記錄和處理依據(jù)相關(guān)檢定校準(zhǔn)規(guī)范。根據(jù)上述功能定義進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)，該機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等組成。機(jī)械系統(tǒng)由基座、直線三坐標(biāo)手臂、電動(dòng)手抓等組成，控制系統(tǒng)由上位機(jī)、精密運(yùn)動(dòng)模組、PLC控制器等組成，軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、人機(jī)畫面等組成。除上位機(jī)外，所有零部件都布置在基座中，如圖1所示。系統(tǒng)坐標(biāo)系定義如圖1所示，基座是整個(gè)系統(tǒng)基礎(chǔ)部件，所有零部件都固定或附屬于基座上，所有的零部件的機(jī)構(gòu)動(dòng)作和控制系統(tǒng)在基座上完成，基座的XY平面與地面水平面平行，Z軸沿豎直方向，向上為正。根據(jù)系統(tǒng)定義，砝碼在檢測(cè)過程中，不考慮姿態(tài)即轉(zhuǎn)角變化，故系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模塊由直線(一維)運(yùn)動(dòng)模組和電抓組成，機(jī)械手臂的三維運(yùn)動(dòng)定義為一維運(yùn)動(dòng)模塊的空間組合，拓?fù)潢P(guān)系為:1)基礎(chǔ)模組固定在基座上。2)Y軸運(yùn)動(dòng)模塊相對(duì)基礎(chǔ)模組，沿Y軸作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。3)X軸運(yùn)動(dòng)模塊相對(duì)Y軸運(yùn)動(dòng)模塊，沿X軸作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。4)Z軸運(yùn)動(dòng)模塊相對(duì)X軸運(yùn)動(dòng)模塊，沿Z軸作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。5)電抓如圖2所示，固定Z軸運(yùn)動(dòng)模塊上，隨Z軸平動(dòng)，同時(shí)可以獨(dú)立完成一維的夾緊/松開動(dòng)作。6)XYZ軸運(yùn)動(dòng)模塊及電抓的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相互獨(dú)立，互不干涉和影響。考慮到夾取動(dòng)作不能對(duì)砝碼表面造成刮傷等破壞，采用具備一定硬度和韌性的非金屬材料，采用六面體面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共80974個(gè)節(jié)點(diǎn)，17528個(gè)單元。在手指根部定義固定約束，通過數(shù)值仿真計(jì)算模態(tài)，部分低階模態(tài)振型如圖3和圖4所示［2－3］。繞X軸擺動(dòng)，二階模態(tài)是指尖繞Z軸的擺動(dòng)。因此，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中注意合理協(xié)調(diào)各運(yùn)動(dòng)模塊的動(dòng)作參數(shù)，減小手指指尖的振動(dòng)。
2控制系統(tǒng)
�。�4］控制系統(tǒng)的框架如圖5所示，相關(guān)數(shù)據(jù)為雙向傳送�？刂葡到y(tǒng)由系統(tǒng)程序和硬件模塊組成。硬件模塊由上位機(jī)、電子天平、PLC、電缸模組和伺服電機(jī)等組成。電缸模組是由同步帶或絲杠、導(dǎo)軌等零部件組成，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一維的直線運(yùn)動(dòng)。PLC采用西門子工業(yè)級(jí)可編程邏輯控制器，控制系統(tǒng)控制位移的原理是:將位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)偏轉(zhuǎn)一定角度，并返回一個(gè)脈沖，控制系統(tǒng)通過比較發(fā)出和收到的脈沖信號(hào)達(dá)到精密控制位移的目的�？紤]到控制參量和邏輯順序較復(fù)雜，采用雙PLC控制結(jié)構(gòu)，其中PLC1負(fù)責(zé)X軸、Y軸和Z軸的運(yùn)動(dòng)模塊的工作，PLC2負(fù)責(zé)電抓的工作。
3軟件系統(tǒng)
如前所述，系統(tǒng)程序主要由用戶程序模塊、OPC服務(wù)器和PLC程序模塊組成，系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖6。用戶程序模塊由用戶界面程序、WEB服務(wù)器和MYSQL數(shù)據(jù)庫等組成。用戶界面程序完成:系統(tǒng)初檢、錄入被檢設(shè)備信息、讀取電子天平示值、定義檢測(cè)參量、啟動(dòng)檢測(cè)等功能，是Java編譯的WEB應(yīng)用程序，通過Jboss構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的`數(shù)據(jù)交互。Java編譯環(huán)境基于MyEclipse，編譯后主界面如圖7所示。［5］用戶界面程序與電子天平通信采用標(biāo)準(zhǔn)ＲS232串口，針口2和針口3用于數(shù)據(jù)的讀寫，天平示值輸出采用16進(jìn)制，22個(gè)字符長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)格式;用戶界面程序?qū)﹄娮犹炱娇刂浦噶畈捎?6個(gè)字符組成的ESC語句。用戶程序模塊通過OPC服務(wù)器與PLC程序模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，用戶程序模塊和OPC服務(wù)器安裝在主控計(jì)算機(jī)上，PLC程序模塊采用博途(Portal)組態(tài)，PLC控制器與主控計(jì)算機(jī)通訊接口使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口，PLC之間、PLC與機(jī)械手臂和電抓之間通過西門子Profinet專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通訊協(xié)議為S7。
4系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)及數(shù)據(jù)
經(jīng)過各程序模塊和功能模塊的聯(lián)機(jī)調(diào)試，砝碼質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人如圖8所示，實(shí)現(xiàn)以下功能:1)砝碼質(zhì)量檢測(cè)的自動(dòng)化;2)電子天平數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)、處理和歸檔;3)機(jī)器人的工作狀態(tài)及歷史數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查詢。目前，系統(tǒng)還在觀察使用，包括運(yùn)動(dòng)模塊的節(jié)奏匹配和漏洞測(cè)試等，圖9是對(duì)一顆標(biāo)稱質(zhì)量為200g的砝碼作的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)性能還具備升級(jí)空間。
5結(jié)束語
本文介紹了砝碼質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人的研制，砝碼質(zhì)量檢測(cè)的取放動(dòng)作簡(jiǎn)化為一維運(yùn)動(dòng)模塊的迭加，搭建了三維運(yùn)動(dòng)手臂，分析了手指的有限元模態(tài)，使用PLC等實(shí)現(xiàn)了手臂運(yùn)動(dòng)的控制，使用Java和數(shù)據(jù)庫搭建軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與電子天平、PLC的數(shù)據(jù)通訊。由于該機(jī)器人系統(tǒng)還處于觀察使用期間，系統(tǒng)功能和控制還存在優(yōu)化和提升空間，可以通過運(yùn)動(dòng)模塊的磨合、控制程序的節(jié)奏優(yōu)化等方面開展深入研究。
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