基于发那科机器人的堆垛系统控制

　　随着时代的发展，大学生所学知识的深度及广度都有所增加，关于自身学科的实验就成为了一种了解并提升自身所学知识的一种重要途径。目前，绝大多数的大学都有自身的实验室。虽然拥有实验室，但是可以进行的实验并不多，并不是因为实验器材不能够完成实验，而是缺少实验的类型，这无疑是对资源的一种极大的浪费。实验室实验类型的多元化，不仅仅能够增加实验室的利用率，更重要的是学生可以通过更加多元的实验开拓自身的眼界，提高自身的专业水平。因此，开发更多的实验显得尤为重要。

　　随着国家科学技术的不停成长，机器人生产取代简单反复的人工生产依然是一种必然。机器人堆垛在工业生产中有着重要的地位，所以对于机器人堆垛系统的控制显得更加的重要。基于发那科机器人堆垛系统的控制，以陶德楼310机器人控制系统为背景，在原有的实验项目的基础上进行能力性实验的拓展，增加了堆垛功能，很大程度上提高了运输效率。实验在原有实验的基础上运用了更多的的专业知识，使得学生在完成实验时能够运用到更多的知识并加深对于知识的理解。

　　鉴于以上分析，设计基于发那科机器人堆垛系统的控制具有重大意义。

　　其预期应用价值在于在实验室教学方面，丰富了堆垛实验的类型，为学生提供了更多更广泛接触专业知识的机会，加强了学生对于机器人堆垛系统的控制的理解，拓展了自身的视野，为以后专业课的学习打下更好的基础。堆垛系统在工业生产方面提供了更有效率的堆垛方式，提升了企业的生产效率，节约了成本。

　　机器人被发明出来的原因是因为人类想要发明一种机器在科研或工业生产中用来代替人类的工作，虽然如今机器人已然得到了大范围的应用，但是，机器人定义的界说并没有同一，在不一样的国家，在不一样的范围，科学家们给出的对于机器人的界说也不完全的相同，虽然定义的基本原则在很大部分是一致的，但在一些地方还是有很多的不同。直到上个世纪后期，“机器人”才成为了专业的术语。随着第一、第二次的工业革命的推进，越来越多的机械装置被人们发明出来并加以应用，与此同时一起出现的就是一些名为“机器人玩具”之类的一些玩具。这些“小玩意”的驱动原理与钟表近似，利用齿轮与杠杆之类的传动装置进行传动。上个世纪二十年代，捷克的文学家K.凯比克在一个科幻片的台本中第一次的说出了ROBOT这个词，此刻已被人们作为机器人的专用名词。

　　1国内工业机器人的发展现状

　　我们中国的工业机器人起始研发于20世纪80年代中期．本国的支持下，通过两次国家攻坚计划．已然基本落实了尝试、引入到自立研发的转化。大力推进了本国的制造行业、地理勘测行业等其他行业的成长。但随着本国大门的一步步的打开．本国境内的工业机器人工业面对着更大的压力。虽然本国机器人的用量每年都在增长，但如今出产的机器人还很难达到需要到达的质量．很多机器人的很重要的原件还须要依靠国外的进口。所以目前来说。本国还处在一个机器人大量使用的国家。

　　当前，我们国家有200多家参与开发工业机器人的企业，有五十家以上的企业专业从事于机器人产业的开发。在广大的有关学者的意见与计划下，第七个五年计划时期由机电部主持，中央各部委、中科院及地方科研院所和大学参加，国家投入了大量的资金用于工业机器人的基础技术、基础部件、工业机器人的完整机型及机器人的应用工程的开发研究。

　　在上个世纪五十年代，X人George Devol设计出了首台电子可编程的工业机器人，并在1961年发表了这一项专利，这一项专利在1962年就被X通用汽车公司采纳并且投入了使用，这代表着第一代的工业机器人就此出现。从此以后,在人们生活的现实中真正的出现了机器人。日本人采用的这项技术并加以发展，工业机器人在日本得到了快速的成长。到现在，日本在工业机器人的技术在世界仍然属于领先的地位。在上个世纪八十年代，随着世界的科技水平不断地发展，工业机器人也随之不断成长，在这个时候工业机器人的发展同时推进的整个世界的工业水平快速的发展，对以后工业的发展起到了决定性的作用。

　　迄今为止，随着世界工业科技的发展，工业机器人在装配的数量以及科技含量比起以前都有了极大的提升，这种提升在X、日本为代表的等工业科技发达的国家显得尤为明显，他们生产的设备已经成为了一种技术标准，并在世界范围内广泛使用。目前在世界上拥有名气且影响力大的公司分为两个派系日系以及欧系，日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、川崎等公司的产品；欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司工业机器人己成为柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(OMS)、工厂自动化(FA)的自动工具，据有关学者推测，工业机器人将会是在汽车、计算机后出现的大型的、具有高技术含量的产业。

　　在已经过去的前十年中，工业机器人的科技程度有了极大得提升，最先出现的用于各种工业的机器人技术已经逐步走向成熟，现在，有多个国家的研发人员正在专门研发具有完全的自主能力且拥有人类一般可以进行逻辑思考的智能机器人。目前，机器人的价格降低到只有十年前的20%，而且到现在一直下降。很多欧洲与X的劳动力的成本上升到原来的140%。工业机器人的平均使用年限在十岁左右，有一些甚至能到十五年，并且这些工业机器人还可以进行改进，发挥出更大的作用。工业机器人对企业的发展，劳动力的解放以及增加社会生产力方面起了极大的推动作用。随着科技发展，工业机器人的成本会进一步的下降，而其的科技含量以及可以完成的生产工作会越来越多。随着工业机器人水平的不断提升，工业机器人不仅仅在传统的制造行业大显身手，慢慢的在其他制造业也有他们大显神通。在很多的非制造业，例如农业、矿业等行业也出现了他们的身影。工业机器人在人类的生产生活中起到愈来愈重要的作用，因为其的作用，现在工业机器人技术的发展已经成为了世界上各国纷纷抢占的高点。

　　就PLC的硬件来进行分类来看，PLC可以分为整体固定I/O型，基本单元加扩展型，模块式，集成式，分布式5种基本结构形式。

　　PLC的组成：

　　中央处理单元(CPU)

　　CPU是可编程控制器的控制中心，作用相当于可编程控制器的大脑，一套可编程控制器中至少有一个。它能够在获得系统权限的情况下接受并存储从编程器输入的用户的数据；它还能够检测电源等其他部件的情况，并能确诊用户数据中的程序错误。当可编程控制器开始工作时，在一开始它会以扫描的方式收入其他器件发给它的信息，然后将其分别存入接口映像区，然后它会根据用户所编写的程序指令，发出命令，经过运算后将所得结果即将要进行的逻辑数据送入I/O映像区亦是输出寄存器内。将用户所编写的程序运行读写且执行完毕后，将前面储存的信息输出到相应的位置。

　　CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

　　存储器

　　系统程序存储器是存放系统软件的存储器；用户程序存储器是存放PLC用户程序应用;数据存储器用来存储PLC程序执行时的中间状态与信息，它相当于PC的内存。

　　输入输出接口（I/O模块）

　　PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

　　通信接口

　　通信接口的主要作用是实现PLC与外部设备之间的数据交换（通信）。通信接口的形式多样，最基本的有UBS,RS-232,RS-422/RS-485等的标准串行接口。可以通过多芯电缆，双绞线，同轴电缆，光缆等进行连接。

　　电源

　　PLC的电源为PLC电路提供工作电源，在整个系统中起着十分重要的作用。一个良好的、可靠的电源系统是PLC的最基本保障。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

　　特点

　　（一）可靠性高，抗干扰能力强

　　PLC运用了程序软件来替代在工厂电路之中广泛用得上的器件，到最后只留下了一小部分用于当做输入与输出的硬件设备，用线的数量可以达到原有数量的1/10~1/100，这就使得在接点出现的故障出现了极大的减少。

　　可以依赖是电气控制设备的重要属性。可编程控制器使用了很多现代科技，在被生产的时候经历了非常严格的控制，可编程控制器的内部采用了先进的技术，具有很高的抗干扰性，所以PLC是非常可靠的。还有使用冗余中央控制单元的可编程控制器的安全使用时间更加的长。就可编程控制器的外部链接线路来说，与能够完成同样工作的继电器的接线线路来说，电气接线和开关接得到了显著的减少，所以说，使用可编程控制器使得整个系统的故障率有着一个非常明显下降。在安全方面，可编程控制器自带检测故障的功能，当故障出现时，PLC可以迅速的提示使用者已发生故障。在软件编程方面，使用人能够写入关于诊断链接可编程控制器的其他硬件的程序在应用软件，使得在整个系统总的其他的设备或电路也能够在发生故障时让使用者及时得知。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

　　（二）硬件配套齐全，功能完善，适用性强

　　可编程控制器经过长时间的成长，已然有了三种系列的产物，分别是大型、中型与小型，而且现在的可编程控制器基本已经达到了三化，即标准化、系列化以及模块化，并且随着可编程控制器的普及，在现在的市场上对于可编程控制器有着很多的硬件配套设施让顾客选择，顾客可以根据自己的需求对自己所需要组成的系统进行组合，形成拥有不一样的功能、大小的规模也不一样的系统。

　　可编程控制器的功能强大，可以直接的使对于供电要求一般的电磁阀等器件开始运作，并且适用范围广，可以在绝大多数的工厂内使用。现代的可编程控制器除了传统的逻辑功能之外，还有了很强大的数据计算的功能，可以应用于除了传统控制领域的其他领域。

　　（三）易学易用，深受工程技术人员欢迎

　　可编程控制器是用于工业上控制的工业计算机，而且它被广泛的应用于工厂、矿场等企业。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

　　（四）容易改造

　　系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

　　PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

　　（五）体积小，重量轻，能耗低

　　以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制器。

　　从国外对外公布的数据来看，可编程控制器从诞生，经过数十年的发展，可编程控制器在大部分的发达国家已经是重要的产业。

　　从外国发布的数据来说，经过了多年的不断成长，PLC成为了很多发达国家中非常要紧的产业。关于世界上PLC的总的销售额度，在1987年到1988年，从25亿美元到31亿美元，增幅近五分之一。在一些工业发达的国度，因为PLC的操作简单，控制性强，工业中对于好的PLC更是趋之若鹜，在发达国家，新的可编程控制器生产厂家遍地开花，生产的品种更新换代的速度快，因此可编程控制器的产量得到了极大地提升，因此价格大幅下降。

　　在现有的实验平台上，应用机器人、相机和PLC技术，确立系统的控制工艺，完成物块的堆垛控制。

　　物块通过给料装置进入传送带，经过传感器时PLC输出响应，工业相机先对拍摄环境进行补光，随即拍照。随后机械手臂吸盘吸住物块，将工业相机输入的照片与资料库中的堆垛方式进行比较后进行姿态调整，按照坐标点对点的将物料放入物料运输盘的相应位置。所有物料装载完毕后，通过伺服电机转换机械手，将物料运输盘送入堆垛仓库。

　　2.2系统的结构与功能

　　系统主要由以下几部分组成：机器人实训工作台、FANUC工业机器人及其底座、机器人末端执行器（三抓手）、圆形工件上料及输送检测机构、方形工件上料及输送检测机构、装配及码垛平台、走轨迹平台、立体仓库、视觉分拣平台、模块化集线盒、视觉及光源、电控实训工作台、插接线板、储物柜、电气控制柜、控制板。

　　堆垛系统在青岛滨海学院实验室现有的实验基础下，额外的增加了实验项目。即将物块按照特定的堆垛方式堆垛到运输盘上，最后整体运输到仓库的过程。增加的项目拓展了原有系统的实验项目，并且可以实现物块的姿态调整。

　　机器人机械系统是指机械本体组成，机械本体由底座部分、大臂、小臂部分、手腕部件和本体管线包部分组成，共有6个马达可以驱动6个关节的运动实现不同的运动形式。机器人性能参数：

　　LR Mate 200iD是一款大小和人的手臂相近的迷你机器人。因为他的手臂很“苗条”，所以即使被安装在狭小的空间进行使用，也可以把机器人手臂与周围设备发生碰撞的可能性控制在最低限度。同时此型号机器人具有同机械机器人中最轻的机构部分，能够容易地把它安装在加工机械内部或者进行吊顶安装。因为传感器电缆、附加轴电缆、电磁阀、空气导管和用来控制工具的I/O电缆都内置于手臂中，所以导管和电缆不会缠在手臂上。

　　机器人电控系统：机器人控制装置由电源装置、用户接口电路、动作控制电路、存储电路、I/O电路等构成。

　　机器人控制装置的操作面板上有多个开关、连接器等。用户在进行控制装置的操作时，使用示教操作盘和操作面板。存储电路可将用户设定的程序和数据事先存储在主CPU印刷电路板上的C-MOS RAM中。I/O电路，通过I/O模块（I/O印刷电路板）接收/发送信号来求取与外围设备之间的接口。遥控I/O信号进行与遥控装置之间的通信。

　　3.3 PLC I/O接线的外部设计

　　输入点名称输入点：简单说明输出点名称输出点：简单说明

　　X00系统启动（系统启动按钮S1）Y00输送电机-M1（继电器KA1）

　　X01系统停止（系统停止按钮S2）Y01输送电机-M2（继电器KA2）

　　X02模式切换（模式切换按钮S3）Y02

　　X03紧急停止（急停按钮S4）Y03推圆料电磁阀-YA1

　　X04装配区物料检测（传感器-B1）Y04推方料电磁阀-YA2

　　X05装配区定位气缸后位检测（传感器-B2）Y05装配定位电磁阀-YA3

　　X06装配区定位气缸前位检测（传感器-B3）Y06运行指示灯-H2

　　X07方料定位检测（传感器-B4）Y07报警指示灯-H3

　　X10方仓物料检测（传感器-B5）Y10机器人启动（继电器KA1）

　　X11圆仓物料检测（传感器-B6）Y11机器人暂停（继电器KA2）

　　X12推方料气缸后位检测（传感器-B7）Y12机器人复位（继电器KA3）

　　X13推方料气缸前位检测（传感器-B8）Y13

　　X14推圆料气缸后位检测（传感器-B9）Y14

　　X15推圆料气缸前位检测（传感器-B10）Y15循环停止

　　X16圆料定位检测（传感器-B11）Y16机器人程序刷新（继电器KA17）

　　X0F预留Y17机器人程序执行（继电器KA6）

　　X17一库物料检测（传感器-B12）Y20方料定位完成信号（继电器KA13）

　　X20二库物料检测（传感器-B13）Y21圆料定位完成信号（继电器KA14）

　　X21三库物料检测（传感器-B14）Y22装配定位完成信号（继电器KA15）

　　X22四库物料检测（传感器-B15）Y23装配区允许放毛坯信号（继电器KA16）

　　X23五库物料检测（传感器-B16）Y24入库编码一

　　X24六库物料检测（传感器-B17）Y25入库编码二

　　X25七库物料检测（传感器-B18）Y26入库编码三

　　X26八库物料检测（传感器-B19）Y27入库编码四

　　X27九库物料检测（传感器-B20）Y30预留

　　X30十库物料检测（传感器-B21）Y31预留

　　X31十一库物料检测（传感器-B22）Y32预留

　　X32十二库物料检测（传感器-B23）Y33预留

　　X33机器人报警（继电器-KA22）Y34输出入库编码1（继电器KA7）

　　X34机器人抓取方料完成（继电器-KA19）Y35输出入库编码2（继电器KA8）

　　X35机器人抓取圆料完成（继电器-KA20）Y36输出入库编码3（继电器KA9）

　　X36执行加工定位（继电器-KA21）Y37输出入库编码4（继电器KA10）

　　PLC控制电路说明：

　　-S1启动按钮，按下时系统进入工作状态；

　　-S2停止按钮，按下时系统停止运行；

　　-S3接通时为自动运行，断开时为手动运行，通过触摸屏手动控制每一个元器件工作；

　　-S4紧急停止按钮，按下时所有元器件停止输出，机器人紧急停止；

　　B1装配区漫反射传感器；

　　B2装配区定位气缸缩回检测磁性传感器；

　　B3装配区定位气缸推出检测磁性传感器；

　　B4方形工件输送机构定位检测漫反射传感器；

　　B5方形工件料仓检测对射型光电传感器；

　　B6圆形工件料仓检测对射型光电传感器；

　　B7方形工件送料机构缩回检测磁性传感器；

　　B8方形工件送料机构推出检测磁性传感器；

　　B9圆形工件送料机构缩回检测磁性传感器；

　　B10圆形工件送料机构推出检测磁性传感器；

　　B11圆形工件输送机构定位检测漫反射传感器；

　　B12、B13、B14、B15、B16、B17、B18、B19、B20、B21、B22、B23分别为1—12号

　　立体仓库检测传感器；

　　-KA22机器人报警输入；

　　-KA19机器人抓取方形工件完成输入；

　　-KA20机器人抓取圆形工件完成输入；

　　-KA21执行装配定位命令输入；

　　-KA17接通上升沿强制结束当前运行程序，断开时对PNS程序选择使能；

　　-KA2接通时输送机M1运行，断开时M1停止；

　　-KA3接通时输送机M2运行，断开时M2停止；

　　-KA1上升沿触发机器人启动信号；

　　-KA11外部程序选择1（PNS0001）；

　　-KA4上升沿触发机器人复位信号；

　　-KA5接通时机器人暂停；

　　-KA6上升沿时开始执行当前外部信号选择的程序；

　　-KA12外部程序选择2（PNS0002）；

　　-KA13接通时输出方形工件定位完成信号；

　　-KA14接通时输出圆形工件定位完成信号；

　　-KA15接通时输出装配区工件已定位完成信号；

　　-KA16接通时输出允许机器人进行装配信号；

　　-KA7、-KA8、-KA9、-KA10通过二进制编码对机器人发送入库库号，入库等待，仓库料

　　满等信号；

　　-H2系统运行指示灯；

　　-H3系统报警指示灯；

　　-YA4圆形工件供料气缸电磁阀；

　　-YA5方形工件供料气缸电磁阀；

　　-YA6装配区定位气缸电磁阀。

　　3.4工业相机

　　3.4.1工业相机In-Sight 7000连接口

　　连接口功能

　　ENET连接口将视觉系统连接到网络。ENET连接口为外部网络设备提供以太网连接

　　LIGHT连接口将视觉系统连接到外部光源设备

　　PWR连接口连接电源和I/O分接电缆。该电缆提供与外部电源、采集触发器输入、通用输入、高速输出、和RS232串行通信之间的连接。

　　3.3.2工业相机的连接

　　1.确认使用的24VDC电源已拔下且未获得电能。

　　2.(可选)I/O或串行导线与相应的设备连接。(例如，PLC或串行设备)。

　　3.将电源和I/O分接电缆的+24VDC(红色导线)以及24V Common(黑色导线)与电源供应器上的相应接线端连接。

　　4.将电源和I/O分接电缆的M12连接口与视觉系统上的PWR连接口连接。

　　5.恢复对24VDC电源供电并根据需要打开电源。

　　3.5机器人I/O接口配置

　　机器人I/O接口配置表

　　输入点简要说明输出点简要说明用户输入简要说明

　　DI101入库编码1（-KA7）DO101方料抓取完成（-KA19）START机器人启动

　　DI102入库编码2（-KA8）DO102圆料抓取完成（-KA20）HOLD机器人暂停

　　DI103入库编码3（-KA9）DO103执行装配定位（-KA21）RESET报警复位

　　DI104入库编码4（-KA10）DO104吸盘吸取（-YA2）PNS1程序选择一

　　DI105方料定位完成（-KA13）DO105吸盘反吹（-YA3）PNS2程序选择二

　　DI106圆料定位完成（-KA14）RO1机械夹控制电磁阀（-YA1）C-STOP循环停止

　　DI107装配定位完成（-KA15）FAULT机器人报警（-KA22）P-START程序执行

　　DI108装配允许放料（-KA13）RI1机械夹关传感器（-B25）PNS-T程序刷新

　　DI109真空吸盘负压传感器RI2机械夹开传感器（-B26）IMSTOP紧急停止

　　START机器人启动；

　　PNS1程序选择外部信号1；

　　RESET机器人报警复位；

　　HOLD机器人暂停；

　　P-START(PROD STRT)启动外部信号选择的程序；

　　PNS2程序选择外部信号2；

　　C-STOP(CSTOPI)强制结束当前运行程序；

　　PNS-T(PNSTROBE)程序选择外部信号过滤，外部信号只在PNSTROBE上升沿有效；

　　DI101—DI104通过四位二进制编码向R-30IB MATE输入入库命令；

　　DI105方形工件定位完成信号；DI106圆形工件定位完成信号；

　　DI107装配区工件定位完成信号；

　　DI108装配区允许放料信号；

　　DI109真空吸盘压力检测传感器输入；

　　RI1末端执行器夹紧状态磁性传感器；

　　RI2末端执行器松开状态磁性传感器；

　　IMSTOP外部紧急停止信号输入；

　　RO1机器人末端执行器驱动电磁阀；

　　DO104真空吸盘吸紧驱动电磁阀；

　　DO105真空吸盘反吹驱动电磁阀；

　　R-30IB MATE的I/O（输入输出信号）是机器人与末端执行器，外部装置等系统进行通信的点信号，R-30IB MATE的I/O分为通用IO与专用IO。

　　通用I/O（DI/O、GI/O等）和专用I/O（UI/O、RI/O）称作逻辑信号。在机器人的程序中，只能对分配好的逻辑信号进行信号处理使用。而实际的IO信号线称作物理信号。所以我们要先利用机架和插槽来指定I/O模块，并利用该I/O模块内的信号编号（物理编号）来指定各信号——通俗的讲就是我们程序中用的I/O信号是通过把物理信号分配、匹配而成的相应的逻辑信号。

　　5设备通讯的实践

　　5.1 PLC的通讯介绍

　　5.2工业相机的数据处理以及坐标轴的转换

　　由于机器人接受寄存器只能分配为位的寄存器，所以接受数据为16位无符号整形。对于相机返回的浮点型数据需拆分发送。步骤如下：

　　1、对相机数据比较后制作一个符号位；

　　2、当前数据乘以100，然后取绝对值；

　　3、缓冲区把符号位，处理后的数据分别发送（接受）；

　　4、机器人端对数据重新组合运算后使用。

　　因相机测量后返回坐标值为相机的像素值，机器人必须换算后才能应用。

　　提供了坐标转换工具。我们坐标转换工具的九点较正法制作一个新的图像。在需要引导机器人的作业里调用该图像可直接输出与机器人坐标系同步的坐标值，可对机器人直接引导。具体的指令代码将会以附件的形式发送。