民用炸药生产线分拣机械手的设计研究

赵敏鹏 赵亮

摘要：随着工业生产领域自动化程度的不断提升，民用炸药生产也逐步向自动化过渡，特别是分拣单元，一直是人工进行，不仅效率低，而且危险系数较高。该文设计的分拣机械手，基于人工智能，可以很好地替代人工分拣，并采用无定标视觉系统对机械手进行控制，使机械手形成一个高度非线性和不断变化的复杂力学系统。可以很好地提高机械手控制的收敛速度，使其运动轨迹更加平滑。

关键词：生产线;控制系统;PLC

中图分类号：TP241.2        文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2018）36-0250-02

Abstract：With the increasing degree of automation in the field of industrial production，Civil explosives production is also gradually transition to automation.In particular， the sorting unit has been manually operated， not only low efficiency， but also high risk coefficient.The sorting manipulator designed in this paper， Based on artificial intelligence， can replace artificial sorting.And use the uncalibrated visual system to control the manipulator，The manipulator forms a highly nonlinear and ever-changing complex mechanical system.It can improve the convergence rate of manipulator control very well， and make the trajectory more smooth.

Key words：production line;Control system;PLC

1  概述

隨着人工智能的快速发展，工业机器人被广泛地应用于各行各业，而对于工矿企业来说，工业机器人指的是多关节的自动化机械设备，我们将其统称为机械手，它能够替代人去工作，将人从高危行业解放出来。而民用炸药生产作为一个高危行业，更应该提高其自动化程度。本文介绍的这种机械手具有很好的可控性和稳定性，能够准确、快速地将生产好的炸药条进行分拣和装箱，从而大幅度提高企业的生产效率。

2 视觉定位分拣系统设计

应用于分拣工位的机械手需要对产品的位置进行定位，并能够准确地对产品进行分拣和抓取，目前应用比较多的分拣装置主要是利用传感器来进行分拣，而这类分拣只能辨别出产品的形状、大小和材质，而不能准确地对产品的位置进行定位，所以产品在进入分拣工位之前只能一字行拍好，然后才能进行分拣和装箱，增加了生产环节，降低了生产效率。因此本文中机械手的分拣采用视觉伺服系统，即模拟人的视觉系统，利用双摄像头成像交叉定位，并结合小孔成像技术模型，来实现对目标物体的定位。

如图1所示，P点位物体所在位置，它的坐标为（X、Y、Z），而它在摄像机中的坐标为（XC、YC、ZC），P点在图像坐标系的坐标为（x、y）。

3 机械手硬件系统的设计

这款机械手能够精准地识别炸药条的位置并对它进行准确的分拣，关键是靠安装在系统前端的两个独立摄像头来进行识别，通过控制系统对两个摄像头所采集的信息进行处理，在三维空间对产品的坐标进行定位，然后将数据送至PLC控制机构。当PLC接收到两个摄像头送来的输入信号后，根据定位信息，判断工件位置，然后发出指令，控制命令首先到达PLC的输出单元，然后由输出单元直接将控制命令送至步进驱动器，再由步进驱动器控制步进电机按照命令程序来动作，从而准确的抓取工件，并将其放至合适的位置。

在整个硬件系统设计中，除过双摄像头的使用，还使用了大量的传感器。传感器作为自动化控制设备的核心部件，在自动控制系统中有举足轻重的作用。传感器实时检测现场的各类信号，然后通过模数转换，将数字量信号送至PLC，使控制机构能够不间断的对外部的信号变化做出及时的反应。在分拣工位，利用光电传感器对工件进行分拣，从而判断产品是否合格，利用磁性传感器来判断机械臂的运动是否到位。

机械臂要完成相应的抓取工作，必须由步进电机来进行驱动，步进电机的作用是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的设备，它利用电脉冲信号进行控制，当步进电机接收到一个电脉冲控制信号后，就转动一个固定角度或前进一段固定位移。

步进电机根据其结构和材料不同，可以分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。

按照步进电机的通电顺序不同，可以将步进电机分为单三拍、双三拍和单双六拍，通电方式不同，步进电机每次所转过的角度大小也不同，除过这个因素外，步进电机定子和转子上齿数的多少也决定了步进电机的步距角大小。设转子的齿数为Z，则齿距为：

[τ=360°Z]

每接收到一个电信号，电动机的转子就走一步，所以它的步距角为：

[θs=360°Zkm]=齿数/拍数

上面的公式中，k为状态系数（单三拍和双三拍时，k=1;单双六拍时，k=2）。由公式可以看出，步进电机中，转子齿数、定子相数和运行拍数越多，步距角就越小，控制精度就越高。

当定子控制绕组按照一定顺序不断轮流通电时，步进电机就能连续不断的旋转。假设电脉冲的频率为f，则步进电机转速为：

[n=θs×f×60360°=60fZkm]

由上式可见，如果步进电机的齿数和拍数为定值时，电机转动速度和输入脉冲频率成正比，所以，可以通过改变出入脉冲频率来控制步进电机的转速。

步进电机控制过程中要靠步进电机驱动装置来完成。

4 控制系统设计

在对机械手进行控制时，利用顺序功能图进行控制，采用模块化结构，使控制程序维护方便、运行稳定、整个程序设计简单明了，能够保证分拣机械手安全稳定的运行。控制程序流程如图4所示。

5  结束语

本文介绍了一种民用炸药生产线分拣机械手的设计、构成、工作原理和控制系统的组成。该设备能够实现一天24小时不间断工作，将人从繁重的分拣和搬运工作中解放出来，从而实现分拣和搬运的自动化，从而大幅度的提高生产效率，提高企业的利润空间。

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[通联编辑：光文玲]