第十一章柔性系统

第十一章

柔性制造/自动化物流教学系统方案1．概况以哈工大机器人研究所为技术依托，致力于自动控制领域及工业机器人、教学机器人和机电一体化装备产品的开发和生产，现已形成直角坐标机器人、串联多关节机器人、并联机器人、基于机器人的柔性制造/自动化物流系统等多种产品，成功应用于国内数十家企业及大专院校。2.系统概况随着科学技术的迅速发展，新产品不断涌现，产品的复杂程度也随之增加，而产品的市场寿命日益缩短，更新换代加速，中、小批量生产占有越来越重要的地位。面临这—新的局面，必须大幅度提高制造柔性和生产效率，缩短生产周期，保证产品质量，降低能耗，从而降低生产成本，以获得更好的经济效益。柔性制造系统（FMS）正是在这种形势下应运而生的。2.系统概况柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，以适宜于多品种、中小批量生产。它通过简单地改变软件的方法能够制造出多种零件中任何一种零件。它主要由三部分组成：（1）柔性装配系统；（2）运储系统；（3）一套计算机控制系统为了促进相关专业的学生对机器人、柔性制造系统等先进制造技术有一个全面的深入了解和体会，我们立足于自己的技术优势，结合实际教学的需求，开发了一套基于机器人的柔性制造/自动化物流教学系统，并配备了相应的实验指导书。2.系统概况通过该系统，使学生可通过实验了解柔性制造/自动化物流系统（工业自动化）的基本组成和基本原理，为学生提供一个开放性的，创新性的和可参与性强的实验平台，让学生全面掌握机电一体化技术的应用开发和集成技术，帮助学生从系统整体角度去认识系统各组成部分，从而掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理。可以促进学生在机械设计、电气自动化、自动控制、机器人技术、计算机技术、传感器技术等方面的学习,并对电机驱动及控制技术、PLC控制系统的设计与应用、计算机网络通信技术和现场总线技术、高级语言编程等技能得到实际的训练，激发学生的学习兴趣，使学生的机电系统的设计、装配、调试能力均能得到综合提高。2.系统概况3.系统特点（1）包含多种关键技术及单元，使学生了解更多的知识；机器人技术；物流仓储自动控制系统；立体仓库；自动输送线；自动码垛机；物流仓储管理和监控；PLC控制系统；传感器技术；

计算机网络通信技术和现场总线技术；计算机控制；网络化视频监控技术；数据库技术；多轴运动控制器；气动技术；步进电机及驱动；伺服电机及驱动；VC、VB等高级语言编程。(2)专为教学设计，配备专门的实验指导书，包含多个实验为了方便教学实际使用，我们为系统提供了专门实验指导书，其内容涵盖机械、控制、机器人示教、插补、自动装配、码垛等多项实验，供教师根据学校及学生专业选开，教师也可以根据实际情况，在实验指导书的基础上增开实验。3.系统特点（3）交互式图形化操作界面系统控制软件采用WINDOWS操作系统，具有交互式和图形化特点，操作简单易学，自动化程度高，使教师和学生在很短的时间之内就可以掌握对系统的操作。3.系统特点（4）完善的生产及物料存储统计功能根据现代柔性制造系统的特点及仓储物流的发展动向，不但在工作过程和原理上仿真实际生产过程，而且开发了生产及物料存储数据库，根据系统的运行随时记录和分析生产和存储数据。3.系统特点（5）开放式系统结构为了增强学生的参与性，系统采用了开放式结构，提供了完善的控制功能动态链接库和二次开发函数，不用了解底层复杂的时序和操作过程，只需要在VC或VB中简单的几行代码，学生即可开发出自己的运动或控制功能，激发学生的学习兴趣。3.系统特点（6）网络化视频监控（选配）系统提供网络化视频监控模块，使操作者在操作系统的同时，也可通过电脑屏幕实时观看系统的实际运行状况。同时对于有条件的学校，可将控制计算机与校园网相连解，使更多的学生和老师通过网络观看现场实验过程，提高系统利用率，也可实现远程教学。3.系统特点本系统包含多种学科专业知识，具有开放性、创新性、可操作性等特点，可用于各类中专、大专、本科及研究生的实验教学和科研工作。一般适用与以下专业的学生和老师：机械设计制造及其自动化机电一体化机械电子工程机械设计及理论电气工程及其自动化自动化电子科学与技术测控技术与仪器计算机科学与技术计算机应用技术4.适用范围5.系统结构（1）系统组成在自动输送线最前端为一双层旋转立体仓库，仓库的上下层分别为待装配的两种工件，一台六自由度机器人完成两种工件的自动上料，并在自动输送线上进行装配工作，装配完成后，启动自动化输送线，由输送线将装配好的工件运往下一工序。在自动输送线的末端配置一台码垛机器人（含电子秤量装置），当装配完成的产品输送到末端时，控制系统向码垛机器人发送指令，码垛机器人得到指令后，将装配完成的产品从输送线上取下，同时进行重量检测，并按照其重量分拣并放置到立体仓库的相应位置，完成一次装配作业。系统的控制元件位于控制系统电控柜中。同时在作业现场上方，有一监控摄像头，完成对现场作业的图像采集。5.系统结构（2）控制系统主要构成工业控制计算机1台六自由度控制系统1套电子称重系统1套传送带控制系统1套自动码垛机控制系统1套旋转立体上料库控制系统1套5.系统结构详细配置如下：工业控制计算机配置：奔4级工业计算机六自由度教学机器人控制系统：三轴伺服控制卡型号MAC-3001SSI31块三轴步进控制卡型号MAC－3001STI31块伺服驱动器3台步进电机驱动器3台电子称重分拣系统:悬臂梁称重传感器1只信号处理采集电路板1块5.系统结构传送带控制系统：西门子可编程控制器（PLC）1套西门子变频器1台自动码垛控制系统：西门子可编程控制器(与传送带控制系统共用)三轴步进电机控制卡型号：MAC-3001STI31块步进电机驱动器3台5.系统结构旋转立体上料库控制系统：单轴步进电机控制卡型号：MAC-3001STI11块步进电机驱动器1台5.系统结构6.操作软件

柔性制造/自动化物流教学控制系统的控制软件功能十分强大，主要包括系统的物料库、传送带、码垛机和机器人的运动测试，系统运动控制和信息实时显示，立体仓库状态的监测，CCD视频功能的检测，机器人的示教运动控制及运动学分析等功能。软件运行主界面如图2所示：图2柔性制造/自动化物流教学控制系统主界面6.操作软件系统运动测试包括物料库、传送带、码垛机和机器人的运动测试，它的主要功能就是对机器人的各个关节，对上料库电机的旋转、对传输带电机和码垛机的各个电机进行运动测试，检查整个控制系统是否可以正常运行，在主界面中点击系统运动测试按钮，进入系统运动测试界面。如图3所示。6.操作软件在主界面中点击机器人运动控制按钮，进入机器人运动控制界面。机器人运动控制是整个柔性制造/自动化物流教学控制系统的核心部分，通过人工示教方式，机器人能够完成从上料库取出轴孔放在传输带上，然后机器人再去上料库取出轴，在传输带上完成装配工作，然后根据指令机器人是否去操作下一个工作循环，机器人的整个运动过程是通过示教-再现的形式实现的，示教时机器人的关节信息、坐标信息和运动状态是实时显示的。6.操作软件机器人的运动学分析包括机器人运动学的正解和逆解，正运动学分析是已知机器人的各个关节的转角求机器人位置和姿态的算法，是机器人运动的基础，是反映机器人位置和姿态的信息通道。逆运动学分析是已知机器人的位置和姿态求机器人各个关节转角的算法，对于机器人的空间运动来说，此算法实时计算机器人的各个关节的转动角度，如图4所示。6.操作软件在主界面中点击系统运动控制按钮，进入系统运动控制界面，如图5所示。系统运动控制包括系统的每个部分的运动状态实时显示，物料库的旋转是否到位，机器人的装配过程是否完成，传输带运动是否到位，码垛机运送成品是否完成。操作者可以根据状态信息分步对每个部分进行运动控制，按照物流顺序，操作者可以分别使物料库旋转运动到送料位置，然后机器人按照人工示教的程序再现示教装配过程，装配完成后，使传输带运动到码垛机处，然后码垛机运动将装配完的成品送入立体仓库，完成物流系统的柔性装配。操作者也可以使整个操作过程自动化完成，不需要人的干预，在自动化运动过程中，系统实时检测各个工位的运动状况，然后决定是否给下一个运动发指令。6.操作软件在主界面中点击立体仓库状态按钮，进入立体仓库状态界面。立体仓库状态是用来实时显示立体仓库15个仓位的占用情况，系统实时检测各个仓位的状态，然后系统给