1、1安徽工商职业学院应用工程学院毕业设计题 目 ： 基于机器人货物分拣系统设计系 别 ： 应用工程学院专 业 ： 机电一体化班 级 ： 15 机电 2 班姓 名 ： 胡 泉学 号 ： 132578指导教师 ： 张 传 俊日 期 ： 2目录摘要.4第 1 章 引言.41.1 工业机器人的历史、现状及应用.41.2 我国的工业机器人.51.3 机器人发展趋势.61.4 机器人的分类.7第 2 章 基于机器人货物分拣系统设计.72.1 总体系统布局.72.2 生产线系统.72.3 相机的系统.82.31 相机结构.82.32 光源的选择.92.33 相机的安装.92.4 机器人系统.92.41 机器人
2、的选择.92.42 机械系统组成.102.43 外部执行机构.112.44 气路连接.112.5 各设备间的通信.112.51 工业机器人的通讯.122.52 相机的通讯.123第 3 章 设备的控制系统程序编写.123.1 编程设备的选择及编程软件.123.2 TIA Portal 软件的使用.133.21 创建项目，插入并组态 PLC.133.22 创建 HMI 画面.143.3 系统程序的编写.153.31 主程序编写与通信的编写.153.32 托盘传送带的程序编辑.163.33 工件盒生产线的程序编辑.183.4 相机程序的编写.203.41 X_SIGHT 软件程序的编写.203.4
3、2 相机总控软件上程序编写.223.5 机器人程序编辑.233.51 示教器程序编写.233.52 机器人系统程序的编写.27第 4 章 触摸屏设计.29第 5 章 总结.315.1 设计经验.315.2 误差分析.315.3 总结评价.314摘要当代科学技术发展的特点之一就是机械技术，电子技术和信息技术的结合，机器人就是这种结合的产物之一。现代机器人都是由机械发展而来。与传统的机器的区别在于，机器人有计算机控制系统，因而有一定的智能，人类可以编制动作程序，使它们完成各种不同的动作。随着计算机技术和智能技术的发展，极大地促进了机器人研究水平的提高。现在机器人已成为一个庞大的家族，科学家们为了满
4、足不同用途和不同环境下作业的需要，把机器人设计成不同的结构和外形，以便让他们在特殊条件下出色地完成任务。机器人成了人类最忠实可靠的朋友，在生产建设和科研工作中发挥着越来越大的作用。 搬运机器人不但能够代替人的某些功能，有时还能超过人的体力能力。可以 24 小时甚至更长时间连续重复运转，还可以承受各种恶劣环境。 当机器人一点与其他传感器结合到一起后，它也不再是简简单单的机器设备了，比如与视觉搭配起来过后它就能实现和人一样的分辨物体、 、 、 、 、 、1.引言为了避免危险恶劣的工作环境导致的工伤事故和职业病，保护工人的身心安全，对一些特殊工种，工作量大、环境恶劣、危险性高、人类无法涉足的工作领域
5、都可由工业机器人代替。在制造业中，工业机器人得到了广泛的应用。例如，在毛坯制造（冲压、压铸、锻造等） 、机械加工、焊接、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已经逐步取代人工作业。随着工业机器人向更深更广反向的发展以及人工智能化水平的提高，机器人的应用范围还在不断扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业。2015 年，国务院印发了中国制造 2025 。 中国制造 2025被称为中国版的工业 4.0.它借助于大数据、云计算、移动互联、智能物流，明确了未来十年制造业的发展方向，实现我国制造业由大到强的转型目标。1.1 工业机器人的历史、现状及应用机器人技术是综合了计算器、控制论、机构学、信息和
6、传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。它一般有机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种综合了人和机器特长、能在三维空间完成 各种作业的机电一体化装置。它既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，可以用来完成人类无法完成的任务。机器人首先是从美国开始研制的，1958 年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它5的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人
7、大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制，它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起1。研究人员为了提高机器人系统的性能
8、和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。 美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段： 1）1963-1967 年为试验定型阶段。1963-1966 年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967 年，该公司生产的工业机器人定型为 1900 型； 2）1968-1970 年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人；1969 年该公司又自行研制出 SAM 新工业机器人，并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448 台
9、冲床都用工业机器人传递工件；3 ）1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972 年，工业机器人处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约 200 台工业机器人，工作时间共达 60 万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制 50 台机器人的系统2。又如，万能自动公司制成了由 25 台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。1.2 我国的工业机器人我国工业机器人是从二十世纪八十年代开始
10、起步，经过二十多年的努力，已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、电焊、装配、搬运、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关的产品的年销售额已突破 10 亿元。目前国内市场年需求量在 3000 台左右，年销售额6在 20 亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量尽万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人(行业规模比较大的前三家工业机器人企业)行业集中度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等 20 多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为 100 台左右
11、，年出口额为 0.2 亿元以上。目前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬用、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。据不完全统计，近几年国内厂家所生产的哦工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。由此可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。 搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，
12、遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在
13、不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.3 机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： 1)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； 2)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合； 3)研制各类传
14、感器及检测元器件，7如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。 1.4 机器人的分类按照机器人的运动形态的不同，可以分为直角坐标型工业机器人、圆柱坐标型工业机器人、球星坐标型工业机器人、多关节型工业机器人、平面关节型工业机器人和并联型工业机器人。按照驱动方式的不同，可分为液压型工业机器人、电动型工业机器人、气压型工业机器人。2.基于机器人货物分拣系统设计设计思路：要让机器人具有识别功能就必须将它与一些具有视觉的传感器结合起来，才能实现
15、。所以我们采用了相机对物体就行拍照，并将拍照的数据发送给机器人进行处理。而为了实现这一整套功能需要安装两条传送带，一条传送带将物体送往相机处进行识别，并送给机器人，另一条用于将识别过后的物体进行码放送走。在输送物体的传送带上至少安装两个传感器，用于检测物体位置和驱动相机执行拍照和机器人进行分类抓取。设计中相关设备：本设计是基于机器人货物分拣系统设计是一种把机器视觉作为基础技术、机器人分拣系统包含了机器人、视觉单元以及触摸屏、PLC 分等控制模块，其工作原理与操作过程为当作业目标陆续进入分拣作业区域时，其相机就会实时地采集作业目标图像，接着机器人软件会根据作业对象的图像开始一系列的分析计算，更改
16、作业目标的坐标位置、分辨识读目标对象的分类信息以及维护分拣对象的秩序稳定，达到对机器人的分拣动作进行精确控制的目标。2.1 总体系统布局8总体布局需要考虑到机器人实际运动范围，以及地面的平整度，整体的空间大小。托盘生产线和工件盒生产线放置是否水平，整体走线是否美观，人生安全保障等。2.2 生产线系统生产线包括托盘生产线和工件盒生产线两部分，采用 PLC 系统控制。实图如下，托盘生产线采用链式传送，通过 plc 控制变频器输出来达到稳定传送状态。托盘生产线外侧安装有空托盘放置点，将机器人吸取的空托盘放在此处。在托盘生产线左侧两个支架上安装有一对激光感应器，用来接收和发送信息给 AGV 小车。托盘
17、生产线中间安有三个光电传感器，第一个传感器是托盘传送带上托盘输入检测光电开关，第二个传感器是图像识别工位托盘检测光电开关，第三个是机器人搬运等待工位托盘检测光电开关。在托盘生产线上还装有两个电磁阀，第一个用于图像识别工位气挡电磁阀，第二个用于机器人搬运等待工位气挡电磁阀。托盘生产线上最重要的安装就要数摄像机了，它安装在生产线内侧中间部位。工件盒生产线采用步进电机驱动器控制，履带式传送方法，通过 plc 脉冲输出来控制生产线的运行速度。在工件盒生产线下方也有个光电传感器用来判断生产线是否复位。生产线上有几个卡槽用于固定工件盒的位置。92.3 相机的系统2.31 相机结构作为机器人分拣中最重要的元
18、器件，视觉是必不可少的。本系统选用信捷公司的 X-sight SV4-30ml 智能视觉传感器。该系统包括镜头、智能相机和光源控制器三部分，系统框图如图 4-1 所示。系统中智能相机和 PC 机之间使用 RJ45 网口连接，智能相机的默认 IP 地址为192.168.8.3，计算机的 IP 地址需要与智能相机 IP 地址在同一个网段内。PC 机主要用于智能相机图像的处理、编程、程序下载、监控等；相机的控制可通过 SIC-242 光源控制器与 PLC 连接来控制，SIC-242 型光源控制器通过双绞线与 PLC 连接通信。2.32 光源的选择10视觉系统的光源在设计过程中考虑到系统的安全性，采用
19、工作电压 24V、 66 的背光源，通过背光源电路串联分压电阻来降压。2.33 相机的安装相机的安装要考虑到相机的分辨率，拍照镜头最大的区域。安装完后还要对镜头进行焦距调整以及曝光度的调节，已达到所拍物体的准确性。2.4 机器人系统2.41 机器人的选择为了操作准确稳定性高，在这里我们选择多关节型工业机器人 HR20-1700-C10 型工业机器人。HR20-1700-C10 型工业机器人指机器人末端最大负载为 20kg，最大臂展为 1700型，控制系统为 C10 平台的 HUIBO 机器人。机器人性能参数如下表。机器人类型 HR20_1700_C10结构 关节型自由度 6驱动方式 AC 伺服驱动J1 3.14rad（180）J2 +1.13rad/-2.53rad（+65/-65）J3 +3.05rad/-1.13rad（+175 /-65）J4 3.14rad（180）J5 2.14rad（135）最大动作范围J6 6.28rad（360）J1 2.96rad/s（170/s）J2 2.88rad/s（165/s）J3 2.96rad/s（170/s）最大运动速度J4 6.28rad/s（360/s）J5 6.28rad/s（360/s）J6 10.5rad/s（600/s）
