2016年江苏省高等职业院校技能大赛《工业机器人技术应用-实训平台》系统说明书

1、 1234591 / 46 一、系统及其功能工业机器人技术应用实训平台由工业机器人、AGV机器人、托盘生产线、工件盒生产线、视觉系统和立体仓库等六部分组成，如图1-1所示，系统实物图见附录1。系统的主要工作目标是将已经从立体仓库上取出的工件，通过AGV机器人搬运到托盘生产线上，并通过托盘生产线上的视觉系统对工件进行识别，然后由工业机器人进行工件盒的抓取及分类装箱。图1-2是需要分拣的工件。2 / 46如图1-3所示，每个托盘上可放置03个工件盒，在托盘有效区域内（托盘两侧设计有档条，两条档条中间为工件放置有效区）；如图1-4所示，托盘进入工件检测位置，智能相机可对托盘中的工件种类和坐标进行提取

2、和数据处理，以便将数据提供给工业机器人进行抓取和产品识别。3 / 46图1-5为工件盒的外观，每个工件盒8格，每格可放12层，最多个工件；如图1-6所示，工件盒生产线最多放3个工件盒；系统运行时，工业机器人抓取工件盒的分类放置动作示意图见1-7。4 / 46二、工业机器人系统2.1 HR20-1700-C10型工业机器人1.机械性能本系统选用HR20-1700-C10型工业机器人，其型号规格说明、机械系统组成机械性能参数及日常维护、故障处理等参见附录2（HR20-1700-C10机器人机械使用维护手册）。2电控系统工业机器人电控系统包含有：伺服系统、控制系统、主控制部分、变压器、示教系统与动力

3、通信电缆等。电控柜面板按钮功能、柜内元件功能、故障诊断和处理及检修等内容参见附录3（HR20-1700-C10机器人电气维护手册）。3.示教与编程工业机器人示教器的使用及编程示教指令的用法等学习内容参见附录4（HR20-1700-C10机器人编程手册）。5 / 462.2外部工装工业机器人的外部工装是用来进行操作及作业的装置，是机器人最重要的执行机构，可分为搬运用、加工用、测量用等用途。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。1.气动手爪吸附式末端执行机构又称吸盘，有气吸式和磁吸式两种，分别利用吸盘内负压产生吸力或磁力来吸住并移动工件。本系统工业机器人为了配合自动生产线工作，采

4、用吸盘内负压产生吸力来移动工件及收集空托盘，如图2-1所示。为了保证抓取到物体之后工业机器人在动作的过程中不会掉落下来，系统中设计了单吸盘和双吸盘的工装夹具，单吸盘用于移动工件，双吸盘用于将空托盘放置到托盘收集处。工业机器人抓取工件时的动作状态如图2-2所示，双吸盘抓取托盘的动作状态如图2-3。6 / 462.手爪气路手爪吸盘气路原理如图 2-4所示。电磁阀的工作原理就是在阀芯上装了一个电磁铁，当电磁铁线圈得电时，阀芯被吸起、阀被打开，当失电时阀会在弹簧的作用下自动关闭。节流阀可以直接通过上方的旋钮来调节气流的通过量。7 / 46手爪吸盘电路连接图见附表5，相关地址分配见表2-1所示。输入24

5、（模块4 DO0）25（模块4 DO1）24（模块4 DI0）25（模块4 DI1）电磁阀YV1电磁阀YV23.手爪的安装压力表1压力表2如图 2-1所示，手爪的安装可分为以下几个部分：1.吸盘与吸盘支架的安装；2气管接头与吸盘支架的安装;3吸盘支架与连接杆的安装；4连接杆与法兰的安装；5吸盘手爪法兰与机械手本体固连（连接法兰圆端面与机械手本体 J6关节输出轴端面）；6气管与气管接头的连接。安装后的效果如图 2-5所示。8 / 462.3工业机器人的通信在工件自动分拣系统中控制器采用的是施耐德 M241可编程控制器或S7-1200PLC，两种PLC都支持ModbusTCP/IP协议，工业机器人

6、与PLC通讯连接结构如图2-6所示。图2-6通讯连接2.4示教器的使用步骤1如图2-7所示，使用示教器编程时要把控制柜的权限（远程控制）关闭，同时伺服打开。9 / 462示教器上旋钮要旋转到手动挡位置，如图2-8所示。3登陆，选择 administrator，密码为 pass，示教盒控制打开，操作如图2-9所示。10 / 464新建程序，如图2-10所示。需要注意的是，若要编完程序后进行远程控制，即PLC控制，那么在新建程序时程序名必须为project，主函数名必须为main，其他子函数可自由命名。11 / 465新建变量，如图2-11所示。变量新建需要先加载一下，变量可以边写边建，也可一次性

7、建完。6编完程序与联调时，控制柜使能旋转到开，权限旋转到开，如图2-12所示，示教盒开关旋转到位置，如图2-13所示。12 / 462.5安全护栏考虑现场操作人员安全问题，在工业机器人工作区域周边安装了安全护栏，结构如图2-14所示，安全护栏传感器在主控柜中接线端子位置如图2-15所示。13 / 46三、AGV机器人3.1 AGV结构AGV机器人结构如图 3-1所示，由车身、控制系统、HMI、托盘输送辊道等部分组成。AGV机器人系统的外形尺寸为：长 820mm，宽 480mm，高 ，总质量约70kg，载重为 200N，采用磁导式循线方式，行走电机采用两台带电磁抱闸装置的步进电机，实现差速控制，

8、最高速度为0.72m/s，定位精度为5mm，AGV前后均有碰撞保护装置，实现碰撞后立即断电停车。AGV上部为平带输送装置，采用步进电机驱动，实现与生产线及码垛机对接以运送货物，皮带离地面高度为774mm。AGV安装有用于操作及显示使用的7吋触摸屏以及一个三色塔灯（AGV工作警示灯），其控制采用 PLC控制系统，可与托盘生产线及码垛机器人进行实时通讯，保证相互之间信息交流及数据对接。14 / 46图3-1中各种元器件及设备作用如表3-1所示。15 / 463.2磁导条安装AGV运行时，依据位于磁条上方的磁导航传感器输出信号，依靠输出的这几安装情况如图3-2所示。SSSSSS组合地标磁条贴在导航磁

9、条旁边，由多块S极磁条按顺序组合而成，代表减速、停车等不同指令。3.3 AGV操作步骤1如图3-3、3-4所示，将电池放入电池槽中，并连接电源插头与电池接头。图 2.关上电源盖，将小车移至磁条中间。3.给小车上电，如图3-4 所示，打开总电源开关，电源指示灯亮。16 / 46;图 3-4开机4.改变AGV机器人运行方向。如图3-4所示，在通过旋钮手动运行AGV时，旋转一下再旋回到原始位置（产生一个上升沿即可）；也可通过触摸屏操作界面改变AGV运行方向，如图3-5所示。图 3-5 AGV操作界面5.当 AGV上部输送辊道上托盘数为 3时，AGV延时启动向托盘生产线方向运行，当卸载完成后向托盘生产

10、线发送完成信号，并在接收到托盘生产线的应答信号后自动返回，如此自动往复运动。6.注意事项1）在 AGV机器人初次启动时，AGV的巡线传感器应摆放在磁条上，且方向17 / 46与磁条的方向大体一致。2）出现紧急情况时按下 AGV车身上的急停按钮，或者按下车体两端的防撞器，AGV会立即停止。3）在正常工作时，AGV的通讯传感器要与立库及托盘生产线的对接信号传感器在同一条直线上，保证信号可靠对接，如图3-6、3-7所示。3.4电磁的保养与维护1电池充电电池正常运行约持续5小时左右，当需要充电时，AGV上配有冲电孔，将AGV配带的充电器插上即可。2电池保养18 / 461）将电池放置于干燥地点，且正面

11、朝上，不可倾斜。2）小车在不用时请及时关断电源。3）不可在亏电时长时间放置。4 ）不要在夜间充电，尽量在有人看管情况下充电，以免发生意外。5）平均充电时间在8小时左右。6）充电时请用配套的专用充电器。四、视觉系统4.1系统结构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地址需要与智能相机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-242PLC连接来控制，

12、SIC-242型光源控制器通过双绞线与PLC连接通信，如图4-2所示。19 / 46动调节开关，预留7路站号选择。4.2光源视觉系统的光源在设计过程中考虑到系统的安全性，采用工作电压24V、 620 / 466的背光源，通过背光源电路串联分压电阻来降压。背光源实物如图4-4所示。4.3智能相机的安装现场中智能相机的安装如图4-5所示，安装参考尺寸如图4-6所示，可根据需要调整相机安装高度。21 / 464.4数字图像采集本系统相机进行图像采集的工作流程如下：1）传送带将托盘传送到智能相机的拍照位置处，检测产品位置的光电传感器对托盘位置进行检测，当托盘到位后发出信号到PLC控制器，PLC通过光源

13、控制器的X0发出拍照指令；2）当光源控制器得到拍照指令后启动相机拍摄产品图像。3）智能相机拍照完成后向光源控制器的Y0端输出拍照完成信号。相机程序需要利用 X-Sight studio图像处理软件对光源控制器进行预先的编程，将采集到的图像装换成系统所需的数字量信息，使用 X-sight studio软22 / 46件使用方法参见附录6（X-Sight使用手册）。托盘上工件的数据采集要点如下：1智能相机的连接打开 X-sight Studio“连接相机”按钮连接智能相，此时会弹出网络连接对话框点击确定即可，如图4-7所示。（注：当出现连接错误的情况时请更改计算机本地连接的地址）2图像显示先点击图

14、像显示按钮，然后点击采集按钮，此时会显示出智能相机拍摄到的图片，如图4-8所示。23 / 463设定拍照信号通过光源控制器上的 X0点启动智能相机拍照，外部触发需要在“相机配置”中选择“外部触发”方式，如图 4-9所示.图 4特征值的学习相机需要对工件比对的特征值进行学习采样，做成模板。相机正常运行时，将拍照完成后的工件信息与模板中的工件信息进行比对并显示相应的结果。首先在视觉工具栏中选择“定位工具”，然后在定位工具子菜单下选择“图案定位”，如图4-10所示。图 4-10选择定位工具如图 4-11所示，选择需要学习的工件的有效区域。在弹出的对话框中设置“目标搜索的最大个数”和“相似度阀值”，相

15、似度阀值一般默认为 60，可根据学习的具体工件进行调整。24 / 46在进行工件学习时，一种工件对应一个工具（tool），如图 4-12所示。例如长方体工件选用 tool4，那么长方体的相关学习信息就放在 tool4中。5脚本的编写1）脚本的建立脚本作为视觉工具，在进行工件学习时，一般都作为最后一个 tool。脚本tool的主要作用是根据相关要求对前面所有 tool进行信息处理。在相机进行25 / 46Modbus配置时，变量一般都采用脚本tool里的变量，有利于进行变量分配。（变量都在一个tool中，在进行变量分配时变量寻找比较方便，不需要去不同的tool中寻找不同变量）。在“视觉工具”中选

16、择“脚本”然后双击，弹出如图4-13所示的界面，既创建了一个新的脚本。图4-13脚本创建在脚本创建完成后，就需要添加变量用于编写脚本程序，添加变量的方法是单击视觉脚本左侧的“添加”，弹出“添加变量参数”对话框，可以设置变量名类型和初始值，设定完成后点击确定即可，如图4-14所示。26 / 46在脚本中用的变量除了自定义的变量，还需要用到软件内部的用于存储检测结果的两个变量分别为：1）寻找到目标的个数tool1.Out.objectNum；2）目标的重心坐标集合tool1.Out.centroidPoint，包括：目标重心X轴坐标tool1.Out.centroidPointi.x；目标重心轴坐

17、标tool1.Out.centroidPointi.y；目标重心角度偏移tool1.Out.centroidPointi.angle。2）脚本程序例如：需要对8种工件进行学习采样，因此建立8个tool（tool1-tool8）对不同工件进行学习采样，最后还建立了一个脚本tool（tool9），对tool1-tool8的变量数据进行管理。本系统中设计的托盘最多可放置3个工件，工件可以相同也可以不同；相机的输出数据为工件数量及中心点坐标，中心点坐标包括 X、及旋转角度 A。在进行编写脚本时，为方便数据处理，采用数组变量。在进行编写脚本时，对于工件1，选用tool1进行工件的学习，那么工件1的相关信

18、息就存储在tool1中，如图4-15所示，建立工件1的相关变量：mb1(int):0：变量mb1为tool11的个数。当托盘里没有工件1时，那么mb1的值为0，当托盘中三个工件都为工件1时，那么mb13，赋值程序见脚本，0为mb1的初值。mb1x(float3):0：用于存放工件中心点坐标的X值，由于托盘中最多出现同一工件的个数为3，因此设置数组长度为3，0为数组的初值。mb1y(float3):0：同上，用于存放工件中心点坐标的值。27 / 46mb1a(float3):0：同上，用于存放工件中心点坐标的旋转角度值。tool1.Out.objectNum是工具tool1中的输出结果，是too

19、l11的个数，将tool1.Out.objectNum的值赋给tool9.mb1。脚本程序编写如下：tool9.mb1=tool1.Out.objectNum；for(int i=0;i3;i+) /由于tool11的个数对多为3个，/因此i的值最大为3tool9.mb1xi=0; /将上一次工件1的拍照数据清除（对应地址内数据）for(int i=0;itool9.mb1;i+)tool9.mb1xi=tool1.Out.centroidPointi.x;/将tool1中采集到工件1的中心坐标的X值分配给对应/地址内for(int i=0;i3;i+)/由于tool11的个数对多为3i/的值

20、最大为3tool9.mb1yi=0; /1的拍照数据清除（对应地址内数据），for(int i=0;itool9.mb1;i+)tool9.mb1yi=tool1.Out.centroidPointi.y;/将tool1中采集到的工/件1的值分配给对应地址内for(int i=0;i3;i+)28 / 46tool9.mb1ai=0;/1的拍照数据清除（对应地址内数据）for(int i=0;itool9.mb1;i+)tool9.mb1ai=tool1.Out.centroidPointi.angle;/将tool1中采集到工件1的旋转角度值分配给对应地址内6Modbus配置光源控制器与PL

21、C采用Modbus通信方式，因此在相机的Modbus配置中将需要输出的变量配置相应的地址，以便PLC寻址并读取数据。配置方法：点击窗口选择Modbus配置，在变量表格中双击，在弹出的对话框中选择相应的变量，并分配地址，如图4-16所示。本次大赛实训平台 PLC与相机通信时，对应相机中工件类型、工件位置、角度等数据分配的 Modbus通信地址如表 4-1所示。29 / 46123456787.图像坐标处理相机提供的中心点坐标值为像素点，需要将像素点转换为mm单位的实际值，以便PLC获取位置坐标并将此数据发送给机器人动作。测量方法：取物体，用标尺测量出物体实际长度（例如实测70mm），然后将物体置

22、于相机工作区内，在相机工作区内测量出物体的对应像素点长度（例如实测135个像素点），则比例系数物体实际长度/物体实际像素点=70/135=0.52，根据获得的物体坐标乘以比列系数0.52，就是物体的实际长度，或实际距离。30 / 46五、生产线系统5.1生产线结构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，实物如图5-1所示。托盘生产线上可放置托盘情况如图5-2所示，工作任务流程如图5-3所示。7654321处31 / 46机否是是6否5.2控制系统结构智能工厂网络拓扑结构见附录 7，电气图纸见附录 8。控制系统 用于完成托盘生产线和工件盒生产线动作及与工业机器人、智能相机、

23、AGV机器人之间32 / 46的通信功能。1控制柜结构33 / 462托盘生产线结构托盘生产线结构如图5-5所示，考虑安全问题，生产线上选用三相220V、采用变频器驱动齿轮电机，齿轮传动比1:300。托盘生产线侧面安装有与AGV机器人信号对接传感器，如图5-5；检测托盘生产线入口托盘进入传感器、智能相机拍照检测工位传感器、抓取工位光电传感器及止档气缸等，元器件分布位置如图5-6所示；传感器在生产线的转接盒中布局如图5-7所示。34 / 4635 / 463工件盒生产线结构5.3控制系统程序针对整个系统开发了部分功能块（函数），可供选手调用，功能块（函数）说明见附录8（全国职院技能大赛工业机器人

24、赛项函数说明书）,系统运行demo程序见附录9，工业机器人技术应用大赛软件平台见附录10。36 / 465.4 HMI监控界面主控系统触摸屏（HMI）监控界面主要设计如图5-95-13，其中测试画面需要选手编写。图5-9主控制界面图5-10测试界面37 / 46图5-11生产线调试界面图5-12工业机器人监控界面38 / 46图5-13生产线工件数据监控界面示例触摸屏（HMI）监控界面与主控系统PLC对接变量见附录11。六、立体仓库系统6.1立库结构1.立体仓库立体仓库用万能角钢组装而成。仓库总长约 2800mm，高度约 1900mm，共有4层7列28个仓位，最下层仓位距地面高度约781mm。

25、仓位入口尺寸长为320mm，高为235mm，仓位深度为 300mm。每个仓位内都有定位装置，保证托盘在货架内准确就位。2.码垛机器人码垛机器人在地轨上运行，并用滚轮侧面导向。码垛机器人沿铁轨运行（X轴距离为1372mm，货叉水平运行（轴）距离为920mm，货叉垂直运行（Z轴）距离为827mm。X轴方向的运动采用高精度蜗轮减速装置，使机器具有一定的自锁性。轴方向的运动采用齿轮双齿条行程倍增机构，并采用滚动导轨支承，结构紧凑，定位精度好。Z方向的运动采用链条提升机构并采用直线轴承导向。39 / 46X、Z轴方向配有工业级条码定位系统，定位精度高。该机具有较高的安全防护要求，X轴、Z轴驱动电机均带有

26、刹车装置，保证该机断电后立即停车。同时 X轴和轴运动都带有防撞装置。码垛机器人X轴、Z轴采用激光条码识别器绝对值定位，定位精度1mm。激光条码识别器采用485通信方式由统一控制。基础底板由型材和钢板组成，码垛机器人和货架都直接安装在底板上，码垛机器人、货架和底板组成了一个相对独立的整体。底板用8个避震脚支撑在地面上，地板上还安装有对射式传感器，用于AGV机器人与码垛机器人之间的通讯。3结构图立库结构如图6-1所示，立体仓库有28X、Z轴条码识别货架位置，并通过光电对射开关与AGV机器人通信。40 / 46在图6-1中，从左到右、从上到下，货位排列顺序及名称如表6-1所示。A2B2C1D1C2D2C3D3C4D4C5D5C6D6C7D76.2控制系统图6-2为立库控制柜，单独采用控制器控制码垛机器人的工作，三台变频器分别控制X、Z轴电机工作，变频器与之间通过现场总线连接，条码枪与通过RS485通信。41 / 466.3操作流程1操作图6-2所示电源开关，系统上电。2启动完毕进入“码垛机界面”，默