砝码质量检测机器人设计实验研究论文
摘要：本文简要描述了全自动砝码质量检测机器人的研制工作，对系统架构组成、各维度机构的拓扑关系和运动耦合进行了分析，借助有限元对重要零部件进行了模态分析等设计;为保证控制精度和检测效率，控制系统采用了PLC、高精度编码器等，从软件系统和硬件系统机构动作进行精密控制，既保证天平等重要设备的安全和稳定性，也保证精度的情况下提高工作效率。通过实验检测数据显示，该系统满足设计要求。
关键词：质量;电子天平;砝码;机器人
标准砝码的质量检测和比对是一项重复性劳动，不仅对人员的心理和体力都是极大的考验，人为因素对检测数据也有较大的影响。随着现代工业机器人的广泛应用，将工业机器人应用于砝码质量检测，降低劳动强度，提高工作效率和测量的精度。本项目在分析相关案例的基础上，使用已有的高精度电子天平，搭建砝码质量检测机器人。该机器人系统通过上位机的控制程序实现电子天平侧门的开关控制、砝码的自动取放等动作及相关动作节拍的相互匹配，提高质量检测工作效率。
1系统功能
依据JJG99—2006砝码检定规程等相关规程规范，对系统功能做如下定义［1］:1)标准砝码必须满足标准、统一的结构外形。2)单个砝码检测流程是单个砝码的取放动作，质量比对等多个砝码的质量检测是重复单个砝码的质量检测动作。3)砝码没有发生相对转动。4)数据的记录和处理依据相关检定校准规范。根据上述功能定义进行结构和功能设计，该机器人由机械系统、控制系统和软件系统等组成。机械系统由基座、直线三坐标手臂、电动手抓等组成，控制系统由上位机、精密运动模组、PLC控制器等组成，软件系统由数据库、人机画面等组成。除上位机外，所有零部件都布置在基座中，如图1所示。系统坐标系定义如图1所示，基座是整个系统基础部件，所有零部件都固定或附属于基座上，所有的零部件的机构动作和控制系统在基座上完成，基座的XY平面与地面水平面平行，Z轴沿竖直方向，向上为正。根据系统定义，砝码在检测过程中，不考虑姿态即转角变化，故系统的运动模块由直线(一维)运动模组和电抓组成，机械手臂的三维运动定义为一维运动模块的空间组合，拓扑关系为:1)基础模组固定在基座上。2)Y轴运动模块相对基础模组，沿Y轴作往复直线运动。3)X轴运动模块相对Y轴运动模块，沿X轴作往复直线运动。4)Z轴运动模块相对X轴运动模块，沿Z轴作往复直线运动。5)电抓如图2所示，固定Z轴运动模块上，随Z轴平动，同时可以独立完成一维的夹紧/松开动作。6)XYZ轴运动模块及电抓的运动状态相互独立，互不干涉和影响。考虑到夹取动作不能对砝码表面造成刮伤等破坏，采用具备一定硬度和韧性的非金属材料，采用六面体面体单元划分网格，共80974个节点，17528个单元。在手指根部定义固定约束，通过数值仿真计算模态，部分低阶模态振型如图3和图4所示［2－3］。绕X轴摆动，二阶模态是指尖绕Z轴的摆动。因此，在控制系统的设计中注意合理协调各运动模块的动作参数，减小手指指尖的振动。
2控制系统
［4］控制系统的框架如图5所示，相关数据为双向传送。控制系统由系统程序和硬件模块组成。硬件模块由上位机、电子天平、PLC、电缸模组和伺服电机等组成。电缸模组是由同步带或丝杠、导轨等零部件组成，通过伺服电机驱动，实现一维的直线运动。PLC采用西门子工业级可编程逻辑控制器，控制系统控制位移的原理是:将位置坐标转换为脉冲信号，每个脉冲信号对应伺服电机偏转一定角度，并返回一个脉冲，控制系统通过比较发出和收到的脉冲信号达到精密控制位移的目的。考虑到控制参量和逻辑顺序较复杂，采用双PLC控制结构，其中PLC1负责X轴、Y轴和Z轴的运动模块的工作，PLC2负责电抓的工作。
3软件系统
如前所述，系统程序主要由用户程序模块、OPC服务器和PLC程序模块组成，系统程序结构如图6。用户程序模块由用户界面程序、WEB服务器和MYSQL数据库等组成。用户界面程序完成:系统初检、录入被检设备信息、读取电子天平示值、定义检测参量、启动检测等功能，是Java编译的WEB应用程序，通过Jboss构建应用服务器实现与数据库的`数据交互。Java编译环境基于MyEclipse，编译后主界面如图7所示。［5］用户界面程序与电子天平通信采用标准ＲS232串口，针口2和针口3用于数据的读写，天平示值输出采用16进制，22个字符长度的数据格式;用户界面程序对电子天平控制指令采用26个字符组成的ESC语句。用户程序模块通过OPC服务器与PLC程序模块实现数据交互，用户程序模块和OPC服务器安装在主控计算机上，PLC程序模块采用博途(Portal)组态，PLC控制器与主控计算机通讯接口使用标准以太网口，PLC之间、PLC与机械手臂和电抓之间通过西门子Profinet专用网络进行数据交换，通讯协议为S7。
4系统技术特点及数据
经过各程序模块和功能模块的联机调试，砝码质量检测机器人如图8所示，实现以下功能:1)砝码质量检测的自动化;2)电子天平数据的实时自动存储、处理和归档;3)机器人的工作状态及历史数据可通过网络实时查询。目前，系统还在观察使用，包括运动模块的节奏匹配和漏洞测试等，图9是对一颗标称质量为200g的砝码作的重复性实验，数据显示系统性能还具备升级空间。
5结束语
本文介绍了砝码质量检测机器人的研制，砝码质量检测的取放动作简化为一维运动模块的迭加，搭建了三维运动手臂，分析了手指的有限元模态，使用PLC等实现了手臂运动的控制，使用Java和数据库搭建软件系统实现计算机与电子天平、PLC的数据通讯。由于该机器人系统还处于观察使用期间，系统功能和控制还存在优化和提升空间，可以通过运动模块的磨合、控制程序的节奏优化等方面开展深入研究。
参考文献
［1］JJG99—2006砝码检定规程［M］．北京:中国计量出版社，2006
［2］西门子STEP7V11SP2功能手册［M］，2011
［3］陈海燕.ABAQUS有限元分析从入门到精通［M］．北京:电子工业出版社，2015
［4］周炬，苏金英.ANSYSWorkbench有限元分析实例详解(静力学)［M］．北京:人民邮电出版社，2017
［5］杰米，乔森.JBoss实战:服务器配置指南［M］．北京:清华大学出版社，2011
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