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砝碼質量檢測機器人設計實驗研究論文
摘要：本文簡要描述了全自動砝碼質量檢測機器人的研制工作，對系統架構組成、各維度機構的拓撲關系和運動耦合進行了分析，借助有限元對重要零部件進行了模態分析等設計;為保證控制精度和檢測效率，控制系統采用了PLC、高精度編碼器等，從軟件系統和硬件系統機構動作進行精密控制，既保證天平等重要設備的安全和穩定性，也保證精度的情況下提高工作效率。通過實驗檢測數據顯示，該系統滿足設計要求。
關鍵詞：質量;電子天平;砝碼;機器人
標準砝碼的質量檢測和比對是一項重復性勞動，不僅對人員的心理和體力都是極大的考驗，人為因素對檢測數據也有較大的影響。隨著現代工業機器人的廣泛應用，將工業機器人應用于砝碼質量檢測，降低勞動強度，提高工作效率和測量的精度。本項目在分析相關案例的基礎上，使用已有的高精度電子天平，搭建砝碼質量檢測機器人。該機器人系統通過上位機的控制程序實現電子天平側門的開關控制、砝碼的自動取放等動作及相關動作節拍的相互匹配，提高質量檢測工作效率。
1系統功能
依據JJG99—2006砝碼檢定規程等相關規程規范，對系統功能做如下定義［1］:1)標準砝碼必須滿足標準、統一的結構外形。2)單個砝碼檢測流程是單個砝碼的取放動作，質量比對等多個砝碼的質量檢測是重復單個砝碼的質量檢測動作。3)砝碼沒有發生相對轉動。4)數據的記錄和處理依據相關檢定校準規范。根據上述功能定義進行結構和功能設計，該機器人由機械系統、控制系統和軟件系統等組成。機械系統由基座、直線三坐標手臂、電動手抓等組成，控制系統由上位機、精密運動模組、PLC控制器等組成，軟件系統由數據庫、人機畫面等組成。除上位機外，所有零部件都布置在基座中，如圖1所示。系統坐標系定義如圖1所示，基座是整個系統基礎部件，所有零部件都固定或附屬于基座上，所有的零部件的機構動作和控制系統在基座上完成，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。根據系統定義，砝碼在檢測過程中，不考慮姿態即轉角變化，故系統的運動模塊由直線(一維)運動模組和電抓組成，機械手臂的三維運動定義為一維運動模塊的空間組合，拓撲關系為:1)基礎模組固定在基座上。2)Y軸運動模塊相對基礎模組，沿Y軸作往復直線運動。3)X軸運動模塊相對Y軸運動模塊，沿X軸作往復直線運動。4)Z軸運動模塊相對X軸運動模塊，沿Z軸作往復直線運動。5)電抓如圖2所示，固定Z軸運動模塊上，隨Z軸平動，同時可以獨立完成一維的夾緊/松開動作。6)XYZ軸運動模塊及電抓的運動狀態相互獨立，互不干涉和影響。考慮到夾取動作不能對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劃分網格，共80974個節點，17528個單元。在手指根部定義固定約束，通過數值仿真計算模態，部分低階模態振型如圖3和圖4所示［2－3］。繞X軸擺動，二階模態是指尖繞Z軸的擺動。因此，在控制系統的設計中注意合理協調各運動模塊的動作參數，減小手指指尖的振動。
2控制系統
［4］控制系統的框架如圖5所示，相關數據為雙向傳送。控制系統由系統程序和硬件模塊組成。硬件模塊由上位機、電子天平、PLC、電缸模組和伺服電機等組成。電缸模組是由同步帶或絲杠、導軌等零部件組成，通過伺服電機驅動，實現一維的直線運動。PLC采用西門子工業級可編程邏輯控制器，控制系統控制位移的原理是:將位置坐標轉換為脈沖信號，每個脈沖信號對應伺服電機偏轉一定角度，并返回一個脈沖，控制系統通過比較發出和收到的脈沖信號達到精密控制位移的目的。考慮到控制參量和邏輯順序較復雜，采用雙PLC控制結構，其中PLC1負責X軸、Y軸和Z軸的運動模塊的工作，PLC2負責電抓的工作。
3軟件系統
如前所述，系統程序主要由用戶程序模塊、OPC服務器和PLC程序模塊組成，系統程序結構如圖6。用戶程序模塊由用戶界面程序、WEB服務器和MYSQL數據庫等組成。用戶界面程序完成:系統初檢、錄入被檢設備信息、讀取電子天平示值、定義檢測參量、啟動檢測等功能，是Java編譯的WEB應用程序，通過Jboss構建應用服務器實現與數據庫的數據交互。Java編譯環境基于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準ＲS232串口，針口2和針口3用于數據的讀寫，天平示值輸出采用16進制，22個字符長度的數據格式;用戶界面程序對電子天平控制指令采用26個字符組成的ESC語句。用戶程序模塊通過OPC服務器與PLC程序模塊實現數據交互，用戶程序模塊和OPC服務器安裝在主控計算機上，PLC程序模塊采用博途(Portal)組態，PLC控制器與主控計算機通訊接口使用標準以太網口，PLC之間、PLC與機械手臂和電抓之間通過西門子Profinet專用網絡進行數據交換，通訊協議為S7。
4系統技術特點及數據
經過各程序模塊和功能模塊的聯機調試，砝碼質量檢測機器人如圖8所示，實現以下功能:1)砝碼質量檢測的自動化;2)電子天平數據的實時自動存儲、處理和歸檔;3)機器人的工作狀態及歷史數據可通過網絡實時查詢。目前，系統還在觀察使用，包括運動模塊的節奏匹配和漏洞測試等，圖9是對一顆標稱質量為200g的砝碼作的重復性實驗，數據顯示系統性能還具備升級空間。
5結束語
本文介紹了砝碼質量檢測機器人的研制，砝碼質量檢測的取放動作簡化為一維運動模塊的迭加，搭建了三維運動手臂，分析了手指的有限元模態，使用PLC等實現了手臂運動的控制，使用Java和數據庫搭建軟件系統實現計算機與電子天平、PLC的數據通訊。由于該機器人系統還處于觀察使用期間，系統功能和控制還存在優化和提升空間，可以通過運動模塊的磨合、控制程序的節奏優化等方面開展深入研究。
參考文獻
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［2］西門子STEP7V11SP2功能手冊［M］，2011
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［4］周炬，蘇金英.ANSYSWorkbench有限元分析實例詳解(靜力學)［M］．北京:人民郵電出版社，2017
［5］杰米，喬森.JBoss實戰:服務器配置指南［M］．北京:清華大學出版社，2011
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