基于EPSON机器人的工业自动化解决方案设计.docx
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基于EPSON机器人的工业自动化解决方案设计
摘要
随着社会的发展,人口红利已经逐年减弱,工厂流水线招人也变得越来越难。
而随着工业转型升级需求释放、生产力成本上升等问题的凸显,再加上科技进步后的工业机器人性价比日益提高,很多公司已经向工业自动化方向发展,目前工业机器人在不少领域已隐隐形成替代人工的趋势,而在工程机械行业这一趋势同样适用,生产自动化已经成为现今工程机械企业转型升级的必经之路。
本文设计了一个以EPSON机器人为核心的贺卡明星片点胶贴合方案,代替人工实现了工业上的全自动化生产。
方案采用EPSON机械手代替工厂人工进行产品上下料抓取搬运,视觉系统采用创科视觉系统平台-CKVisionV5.0进行视觉定位,该系统设备由机器视觉图像处理、人机界面部分组成。
系统通过摄像头拍照对照片进行处理,实现产品漏装功能检测和产品反装检测,检测完成后自动给出报警信号,自动分析统计检测贺卡数量,然后将数据反馈给EPSON机器人控制器RC90。
配合机器视觉的定位,EPSON机器人(机械手)将该产品准确贴合至贺卡明信片上,机器人根据所接收的信号进行周而复始的运动,代替工厂人工作业,有效的降低公司人工劳力成本,大大提高生产效率。
关键词:
EPSON机器人;工业自动化;机器视觉;贺卡点胶;贴合
Abstract
Withthedevelopmentofthesocietyanddemographicdividendhasdecreasedyearbyyear,andwiththetransformationandupgradingofindustrialdemandrelease,highlightingtheproblemsoftherisingcostofproductivity,coupledwiththeprogressofscienceandtechnologyindustrialrobotspriceapproachingaturningpoint,afteracceptance,industrialrobotsinmanyfieldshasafaintformtoreplaceartificialtrend,thistrendalsoapplyintheconstructionmachineryindustry,productionautomationhasbecomeacurrentpathoftransformationandupgradingengineeringmachineryenterprises.
ThispaperdesignedaEPSONrobotasthecoreofthestarcardpointgluejointscheme,replaceartificialindustrialautomaticproductionisrealized.USEStheEPSONmanipulatorup-downmaterialfetchingtheproductscarrying,usingvisualpositioningSystem;System,theSystemtheIntroductionbymachinevisionimageprocessingequipment,man-machineinterfaceparts.Throughcameratakepicturesphotosshow,thesystemtoachieveproductpackingfunctiontestandproducttesting,testingafterthecompletionoftheautomaticalarmsignal,theautomaticanalysisofstatisticaltestcardnumber.Cooperatewithmachinevision,industrialrobotswillbethepasteproductsaccuratefittothegreetingcard,robotaccordingtothereceivedsignalisthecycleofmovement,effectivelyreducethemanualLabourcost,improveproductionefficiency.
Keywords:
EPSONrobot;;Industrialautomation;Machinevision;Greetingcarddispensing;
第1章绪论
1.1机器人行业发展及应用前景
随着科技的不断进步,工业机器人的发展过程可分为三代,第一代,为示教再现型机器人,它主要由机器手控制器和示教盒组成,可按预先引导动作记录下信息重复再现执行,当前工业中应用最多,也是本课题采用的机器人。
第二代为感觉型机器人,如有力觉触觉和视觉等,它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力,目前已进入应用阶段。
第三代为智能型机器人它具有感知和理解外部环境的能力,在工作环境改变的情况下,也能够成功地完成任务,它尚处于实验研究阶段。
随着工业机器人发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高,工业机器人已在众多领域得到了应用。
从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。
如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。
在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域工业机器人的应用也越来越多。
汽车制造是一个技术和资金高度密集的产业,也是工业机器人应用最广泛的行业,几乎占到整个工业机器人的一半以上。
在我国,工业机器人最初也是应用于汽车和工程机械行业中。
在汽车生产中工业机器人是一种主要的制动化设备,在整车及零部件生产的弧焊、点焊、喷涂、搬运、涂胶、冲压等工艺中大量使用。
据预测我国正在进入汽车拥有率上升时期,在未来几年里,汽车仍将每年15%左右的速度增长。
所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势,年增幅达到50%左右,工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。
工业机器人除了在汽车行业的广泛应用,在电子,食品加工,非金属加工,日用消费品和木材家具加工等行业对工业机器人的需求也快速增长。
在亚洲,2005年安装工业机器人72,600台,与2004年相比,增长了40%,而应用在电子行业的就占了31%左右。
在欧洲地区,据统计2005年与2004年相比工业机器人在食品加工行业的应用增长了17%左右,在非金属加工行业的应用增长了20%左右,在日用品消费行业增长了32%,在木材家具加工行业增长了18%左右。
工业机器人在石油方面也有广泛的应用,如海上石油钻井、采油平台、管道的检测、炼油厂、大型油罐和储罐的焊接等均可使用机器人来完成。
在未来几年,传感技术,激光技术,工程网络技术将会被广泛应用在工业机器人工作领域,这些技术会使工业机器人的应用更为高效,高质,运行成本低。
据预测,今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。
1.2工业机器人国内外发展情况
美国是机器人的诞生地,早在1961年,美国的ConsolidedControlCorp和AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。
经过40多年的发展,美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。
其技术全面、先进,适应性也很强。
日本在1967年从美国引进第一台机器人,1976年以后,随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加,日本当时劳动力显著不足,工业机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎,使其日本工业机器人得到快速发展,现在无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一,素有“机器人王国”之称。
德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五六年,但战争所导致的劳动力短缺,国民的技术水平较高等社会环境,却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。
此外,在德国规定,对于一些危险、有毒、有害的工作岗位,必须以机器人来代替普通人的劳动。
这为机器人的应用开拓了广泛的市场,并推动了工业机器人技术的发展。
目前,德国工业机器人的总数占世界第二位,仅次于日本。
近些年,法国,英国,意大利等国家由于自身国内机器人市场的大量需求,发展速度非常迅速。
我国工业机器人起步于20世纪70年代初期,经过30多年发展,大致经历了3个阶段:
70年代萌芽期,80年代的开发期和90年代的应用化期。
随着20世纪70年代世界科技快速发展,工业机器人的应用在世界掀起了一个高潮,在这种背景下,我国于1972年开始研制自己的工业机器人。
进入20世纪80年代后,随着改革开放的不断深入,在高技术浪潮的冲击下,我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持,"七五"期间,国家投入资金,对工定机器人及零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发,研制出了喷漆,点焊,弧焊和搬运机器人。
但是与发达国家相比,我国工业机器人还有很大差距。
我国目前工业机器人公司主要有中国新松机器自动化股份有限公司和首钢莫托曼机器人有限公司。
目前,国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。
日系中主要有安川、EPSON、三菱、东芝、YAMAHA等产品。
欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB公司。
1.3方案的实现方法
方案采用EPSON机械手进行产品上下料抓取搬运,采用SystemIntroduction系统进行视觉定位。
产品下料流出产品,通过传送带输送,进入固定CCD区域时,传送带停顿CCD并进行拍摄和图像处理定位产品;当产品进入工业机器人区域时,并根据反馈的信号进行产品识别的区域点胶;然后产品进入下一个固定CCD区域时,传送带停顿CCD视觉进行再次定位产品;与此同时第二台工业机器人对要粘贴的产品物料进行抓取搬运,运动到固定向上CCD相机上方拍照,补正吸取时的位置误差,判断无误后,进行产品的定位粘帖;工业机器人将该粘帖产品准确贴合至贺卡明信片上,实现了机器代替人工的工业自动化生产。
工业机器人根据所接收的信号进行周而复始的运动,有效的降低人工劳力成本,提高效率。
该方案目前已经在佳润隆印刷有限公司实现了自动化流水线生产。
1.4本文组织结构
第一章绪论对机器人行业发展及前景、国内外研究状况、方案实现方法和论文结构进行了简单阐述。
第二章对方案采用的主体EPSON器人,EPSONRC+5.0软件开发环境设计进行介绍,特别介绍了SPEL+多任务编程语言。
第三章介绍整体方案设计的思路和步骤,包括机构的设计和视觉系统的应用。
另外介绍了EPSON机器人电气线路安全I/O的线路连接。
第四章主要总结本文的研究工作,并提出了下一步的研究方向和对未来的展望。
第2章EPSON机器人介绍
2.1EPSON机器人
1.2.1工业机器人分类及特点
工业机器人(industrialrobot,简称RI)是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多个学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备;是广泛适用的能自主动作,且多轴联动的机械设备;自从1962年美国研制出世界第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已经成为柔性制造系统(FMS),自动化工厂(FA),计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。
工业机器人的种类分为单轴机器人,直角坐标系机器人,4轴(SCARA、水平多关节),机器人6轴(垂直多关节)机器人。
单轴机器人特点:
采用精密滚珠丝杠和同步带作为传动件结构简单、精密、坚固运行平稳、定位精确、噪音小,安装使用与维护简便;直角坐标机器人特点:
结构简单,一般有多自由度运动,每个运动自由度之间的空间夹角为直角高可靠性、高速度、高精度,但体积比较庞大。
4轴机器人特点:
有4个轴(4个自由度)X、Y、Z、U,这类机器人的结构轻便、响应快,最适用于平面定位、垂直方向进行装配的作业;6轴机器人特点:
有6个关节(六个自由度)X、Y、Z、U、V、W,适合于几乎任何轨迹或角度的工作可以自由编程,完成全自动化的工作,提高生产效率。
工业机器人目前应用领域:
装货、卸货、喷漆、表面处理、测试、测量、弧焊、点焊、包装、装配、切屑机床、固定、特种装配操作、锻造、铸造等。
1981年,爱普生工业机器人诞生。
当时,爱普生工厂自动化业务部开始在世界范围内与其它制造商分享其在高精密小型零部件组装领域的专业知识。
创立爱普生工业机器人的最初目的是满足内部自动化需求,却迅速获得了全球许多最高水准的制造工厂的认可。
在过去26年里,爱普生工业机器人一直是小型部件组装作业领域的领导者,其中包括基于PC的控件、紧凑型SCARA机器人等。
EPSON机器人的最大特点:
精密机器人(单轴/4轴/6轴)
(1)高速度
(2)高稳定性
(3)高精度
(4)便捷的选配件(视觉系统/传送带跟踪)
(5)视觉系统配合机器人实现互动
(6)传送带跟踪选件
1.2.2EPSON机器人基础知识
1、机械手坐标系:
XY方向坐标(前后左右)Z方向坐标(上下)U方向坐标(旋转)
2.机械手的手臂姿势
在使用机械手作业时,有必要使其用示教时的手臂姿势在指定的点上动作。
否则,根据手臂姿势的不同,会产生轻微的位置偏移,或朝着意想不到的路径动作的结果,有干涉周边设备的危险。
为了避免这种情况,在点数据中必须事先指定使其在此点上动作时的手臂姿势(如下图)。
此信息也也可以从程序中变更(\L或者\R)。
2.1SCARA机械手的手臂姿势图:
3.硬件概要
系统构成:
2.2EPSONRC+5.0软件开发环境
2.2.1EPSONRC+5.0软件
一,EPSONRC+用户界面:
二,示教
1.微动Jog&Teach页面
打开Jog&Teach页面:
Tools→RobotManager→Jog&Teach或单击工具栏图标后,选择Jog&Teach页面。
如下图示
Mode说明:
World:
在当前的局部坐标系、工具坐标系、机械手属性、ECP坐标系上,向X、Y、Z轴的方向微动动作。
如果是SCARA型机械手,也可以向U方向微动。
如果是垂直6轴型机械手,则可以向U方向(倾斜)、V方向(仰卧)、W方向(偏转)微动。
Tool:
向工具定义的坐标系的方向微动移动。
Local:
向定义的局部坐标系的方向微动移动。
Joint:
各机械手的关节单独微动移动。
不是直角坐标型的机械手使用Joint模式时,显示单独的微动按钮。
ECP:
在用当前的外部控制点定义的坐标系上,微动动作。
2,示教点步骤
(1)在Points页面PointsFiles下拉菜单中选择需要教点的点文件
(2)在Jog&Teach页面右下角位臵选择需要示教的点编号
(3)微动将机械手移动的需要示教点的位置。
如果是SCARA机械手,MotorOn情况下,可以在ControlPanel页面FreeAll释放所要轴后,手动将机械手移动需要示教点的位置后,LockALL锁定所有轴。
(4)点击Teach按钮,系统自动记录下示教点在当前坐标系的具体数值。
如果需要示教的点为新增点,将弹出以下对话框,用户可根据需要对该点编辑标签及说明
(5)在RobotManager|Points页面点击Save按钮,完成示教点。
步骤(4)
2.2.2多任务SPEL+语言
1.概述
SPEL+是在R170/180控制器上运行的与BASIC相近的程序语言。
能够较容易地设置复杂的多任务工作流程,动作控制和I/O控制。
程序以ASCII文本形式创建,被编辑在可以执行的对象文件中。
它的主要特点有以下几点:
(1)托盘码放;
(2)具有不同有效载荷的高重复定位精度和手臂偏心设定;(3)多任务功能;(4)三维高速、高精度轨迹控制;(5)设定定位完成时间,最大化效率;(6)超精密短程移动的3DJUMP命令和可变拱形动作;(7)高速和效率的并行处理;(8)掣肘点回避功能;(9)远程控制扩展I/O;
2.程序结构
一个SPEL+程序包括有函数,变量和宏指令,每一个程序以.PRG的扩展名保持到对应的项目里(Project)。
一个项目至少包含有一个程序和一个main函数。
函数以Function开始,Fend结束,函数名可以使用最多32个字符的半角英文数字和下划线,不区分大小写,但是不可以使用以数字和下划线开始的名称或SPEL+关键字。
3.变量
SPEL+中有3种不同的变量。
•Local:
局部变量(用在同一Function内使用的变量)
•Module:
模块变量(在同一程序内使用的变量)
•Global:
全局变量(在同一项目内使用的变量)
4.变量的数据类型
变量有多种数据类型,使用前先说明类型,格式为:
数据类型变量名。
例如:
Integeri,定义变量i为整型数据。
另外,代入的数据和变量的类型必须一致。
在下表中列出SPEL+语言中使用的数据类型。
数据类型
尺寸
范围
Boolean
1字节
TRUE或FALSE
Byte
1字节
-128~+127
Double
8字节
-1.79E+308~1.79E+308
Integer
2字节
-32768~+32767
Long
4字节
-2147483648~+2147483647
Real
4字节
-3.40E+38~3.40E+38
String
255字节
字符全部ASC
5.动作指令分类
5.1动作指令分类
使机械手动作的指令叫作动作指令。
可分为:
PTP动作指令,CP动作指令,Curves动作指令,Joint动作指令。
类型
指令
说明
PTP
Go、Jump、BGo、TGo
是经过机械手结构上最容易活动的路径到达目标位臵的动作命令
CP
Move、Arc、Arc3、Jump3/Jump3CP、Bmove、TMove、CVMove
指定机械手到达目标位臵运动轨迹的指令
NOTE:
*CP模式,即ContinuousPath连续路径模式。
*指定PTP动作指令和Joint动作指令的速度和加/减速度时,使用SPEED指令和ACCEL指令。
指定CP模式动作指令时,使用SPEEDS指令和ACCELS指令。
5.2PTP指令
包括指令:
Go、Jump、BGo、TGo
PTP(PoseToPose)动作,是与其动作轨迹无关,以机械手的工具顶端为目标位臵使其动作的动作方法。
PTP动作,使用各关节上配置的电动机,使机械手通过最短的路径到达目标位置。
优点:
运动速度快,缺点:
运动轨迹无法预测。
指定PTP动作速度和加/减速,使用SPEED指令和ACCEL指令。
5.3.Go指令
功能:
全轴同时的PTP动作,动作的轨迹是各关节分别对从当前的点到目标坐标进行插补。
格式:
Go目标坐标
示例:
1.GoP1´机械手动作到P1点
2.GoXY(50,400,0,0)´机械手动作到X=50,Y=400,Z=0,U=0
3.GoP1+X(50)´机械手动作到P1点X坐标值偏移量为+50的位置
4.GoP1:
X(50)´机械手动作到P1点对应X坐标值为50的位置
5.3.Jump指令
功能:
通过“门形动作”使手臂手臂从当前位臵移动至目标坐标。
格式:
Jump目标坐标
示例:
1.JumpP1´机械手以“门形动作”动作到P1点
2.JumpP1LimZ-10´以限定第三轴目标坐标Z=-10的门形动作移动到P1点,(如图1示)
3.JumpP1:
Z(-10)LimZ-10´以限定第三轴目标坐标Z=-10的门形动作移动到P1点位臵Z坐标值为-10的位置
5.4.CP指令
包括指令:
Move、Arc、Arc3、Jump3/Jump3CP、BMove、TMove、CVMove
CP(ContinuousPath)指令可以指定机械手到达目标位臵的运动轨迹。
优点:
轨迹可以控制,匀速动作。
缺点:
速度慢。
指定Linear动作速度和加/减速度,使用SPEEDS指令和ACCELS指令。
5.5.Move指令
功能:
以直线轨迹将机械手从当前位置移动到指定目标位置。
全关节同时启动,同时停止。
格式:
Move目标坐标
示例:
MoveP1´机械手以直线轨迹动作到P1点
5.6.Arc和Arc3指令
功能:
Arc在XY平面上以圆弧插补动作。
Arc3在3D空间里以圆弧插补动作。
格式:
Arc经过坐标,目标坐标
说明:
将机械手从当前位臵到目标坐标,通过经过坐标用圆弧插补动作活动时使用。
从所给的3点(当前坐标、经过坐标、目标坐标)自动演算圆弧插补轨道,并沿着此轨道移动机械手直至目标坐标为止。
示例:
ArcP2,P3
5.7.Pallet指令
格式:
Pallet[Outside,][Pallet编号,Pi,Pj,Pk[,Pm],列数,行数]
参数:
Outside创建在指定的行及列的范围外可以访问的Pallet。
Pallet编号用0到15的整数指定Pallet编号。
Pi,Pj,Pk指定使用在Pallet定义(标准的3点定义)中的点变量。
说明:
在机械手上至少必须示教Pi,Pj,Pk这3点,并指定Pi与Pj的分割数及Pi与Pk的分割数,才能定义pallet。
Pallet如果是高精度的四方形,则只要指定角上4点中的3个点就足够了,但是,还是建议指定全角4点的位臵后进行pallet定义。
定义pallet时,首先要示教角的3或4个点,4点定义时:
以下表示P1、P2、P3及P4。
P1-P2间有3点,P1-P3间有4点,总计使用12点用以下格式定义。
表示Pallet的分割的各点自动地分配分割编号。
示教P1、P2、P3时,尽量使三点的姿势一致。
5.8.!
...!
并列处理
动作中并列进行I/O等的输入输出处理。
使用示例:
将并列处理连同Jump命令同时使用。
第3关节上升移动结束,第1、第2、第4关节开始动作的阶段打开输出位1。
输出位1在Jump动作完成50%的阶段再次关闭。
Functiontest
JumpP1!
D0;On1;D50;Off1!
Fend
第3章整体方案设计
3.1机构设计
3.1.1系统构架
1,应用产品
贺卡、明信片——点胶和粘贴产品,下图展示部分产品
2,点胶、粘贴机构示意图系统机构图
3,系统效果图
流程说明:
(1)产品下料流出产品,通过传送带输送;
(2)产品进入固定CCD区域时,传送带停顿CCD并进行拍摄和图像处理定位产品;
(3)产品进入工业机器人区域时,并根据反馈的信号进行产品识别的区域点胶;
(4)产品进入下一个固定CCD区域时,传送带停顿CCD视觉进行再次定位产品;
(5)产品进入工业机器人区域时,与此同时第
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