宋陽
(德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東省德州市 253034)
針對多傳感器技術(shù)而言,能夠擺脫過去單一技術(shù)的桎梏,結(jié)合第一代優(yōu)勢做到了創(chuàng)新及升級改造,該項技術(shù)的有效發(fā)展有利于智能生產(chǎn)領(lǐng)域提高轉(zhuǎn)型升級速度?,F(xiàn)實中多傳感器,一方面可對機(jī)器人工況盡心檢測,另一方面能感應(yīng)檢測其工作對象與環(huán)境,從而為進(jìn)入最理想的生產(chǎn)狀況提供保障。
雖然多傳感器技術(shù)在我國研究進(jìn)程中獲得很多成績,可實際上仍然存在一些不足之處,通過分析傳統(tǒng)智能制造領(lǐng)域的相關(guān)數(shù)據(jù),以該技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)器等相關(guān)智能化制造裝備進(jìn)步頗大,由于其是一門新興產(chǎn)業(yè),因此處在進(jìn)步與成長階段,即使國內(nèi)擁有良好成績可放眼全球缺少強(qiáng)大的競爭能力,當(dāng)前所得的發(fā)展成果無法抗衡。在工業(yè)機(jī)器人方面,所面對的突出問題主要為相對薄弱的技術(shù)創(chuàng)新能力,其中核心制造技術(shù)過度依賴進(jìn)口,縱然支付高昂的進(jìn)口成本,多數(shù)企業(yè)也選擇一直進(jìn)口。較為薄弱的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱,其在國內(nèi)市場所占據(jù)的份額小于5%。發(fā)展歷程雖然艱辛,可我國在此方面增大資金、資源的支持,實現(xiàn)了多傳感器技術(shù)使用范圍的擴(kuò)大,而且工業(yè)機(jī)器人獲得更多行業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注,以該技術(shù)為核心技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人,近些年的發(fā)展成果有目共睹,能夠為生產(chǎn)提速與提質(zhì)降耗提供基礎(chǔ)。
其所體現(xiàn)出的現(xiàn)實意義具體如下:
(1)屬于國家科技及制造水平的一個重要衡量標(biāo)準(zhǔn),不僅為工業(yè)領(lǐng)域走向國際市場創(chuàng)造條件,還是煥發(fā)制造業(yè)優(yōu)勢的主要渠道,在將生產(chǎn)潛能有效激發(fā)的同時增強(qiáng)市場競爭能力。
(2)提高工業(yè)行業(yè)升級轉(zhuǎn)型速度,屬于推動轉(zhuǎn)型升級的第一選擇,在促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量提高的同時減少生產(chǎn)成本支出,能夠為技術(shù)研發(fā)提供廣闊空間。
面對逐漸增大的市場需求、愈發(fā)稀缺的勞動力資源的現(xiàn)實環(huán)境,不僅有助于生產(chǎn)安全風(fēng)險的降低,還能在幫助企業(yè)發(fā)展提速的同時破除西方國家該產(chǎn)業(yè)中的壟斷地位,進(jìn)而為國內(nèi)有關(guān)行業(yè)發(fā)展換得廣闊的生存空間。
以往工業(yè)機(jī)器人,僅是基于操作人員預(yù)設(shè)的軌跡程序進(jìn)行單調(diào)的機(jī)械重復(fù)。因為缺少感應(yīng)外部環(huán)境的基本能力,所以難以滿足其柔性化、智能發(fā)展的現(xiàn)實需求。但是通過機(jī)器視覺,可讓工業(yè)機(jī)器人在一定程度上提高柔性化水平,為其配置一定的感知能力,這樣在實現(xiàn)生產(chǎn)效率提高的同時減少經(jīng)濟(jì)成本支出。針對對象定位不同使用的算法也存在較大差異,能否成功實現(xiàn)視覺定位,屬于進(jìn)行圖像處理的核心所在。
現(xiàn)階段,機(jī)器人系統(tǒng)是以類C語言為主,無論是以RobotStudio離線編譯為基礎(chǔ)的ABB視覺機(jī)器人,或者是總控系統(tǒng)以PLC編程軟件S0machine為基礎(chǔ)的STL語言,以上均是基于C或者C++的編譯語言。在視覺處理方面,常用軟件有Halcon、Opencv。例如HALCON,首先需要針對待測工實施平滑濾波以及二值化處理,然后對常見的邊緣提取算子展開分析,以Canny算子實現(xiàn)圖像邊緣提取,然后以圖像擬合的方法確定操作對象。這一系統(tǒng)的組成部分主要為視覺、RFID以及機(jī)器人系統(tǒng),并且通過PLC總體控制系統(tǒng)。使用工業(yè)攝像設(shè)備取得所需圖像信息,然后以標(biāo)定技術(shù)運(yùn)算操作對象的空間坐標(biāo),至于空間點位利用上位機(jī)向機(jī)器人發(fā)送人完成操作,該系統(tǒng)基本工作流程如圖1所示。
圖1:機(jī)器人系統(tǒng)基本工作流程示意圖
這一技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用到汽車制造產(chǎn)業(yè)。在零部件上粘貼射頻標(biāo)簽,能夠針對零部件信息實施不用人工干預(yù)的儲存、標(biāo)記及改寫。一般情況下,將標(biāo)簽貼在零件底部粘貼,一方面避免對零件整體外觀造成影響,另一方面為之后的裝包處理提供便利。
以往采用的通信技術(shù)一般采取物理連接的方法,例如通過電纜光纜來傳輸數(shù)據(jù);再比如工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常采取RS-485與RS-232等。但是物理線路很容易受到干擾、老化等方面的影響,而且物理傳輸無論是可操作性還是靈活性,均不如RFID無線射頻技術(shù)。針對無線射頻而言,數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞綖榘炎x卡器與射頻信號,以電磁的反向散射與電感做到空間耦合。依據(jù)邏輯層面的時間順序,實現(xiàn)能量傳遞與數(shù)據(jù)傳輸。有關(guān)系統(tǒng)內(nèi)部電子標(biāo)簽與讀卡器的能量互換、感應(yīng)則是電感耦合,此耦合形式的區(qū)別是RFID不同頻率。將電磁感應(yīng)作為基礎(chǔ),能量與信息交互模式近似于雷達(dá)系統(tǒng)模型,讀卡器也以這種方式獲取相關(guān)產(chǎn)品信息。
RFID技術(shù)的基本使用原理類似雷達(dá),將電磁放射后接觸物體并將其反射回來,同時能帶回接觸物體相關(guān)信息。雷達(dá)在20世紀(jì)初期誕生,因為能夠識別飛機(jī),所以在二戰(zhàn)中起到十分重要的作用。自從雷達(dá)技術(shù)被研發(fā)其始終處在發(fā)展中。 并且RFID技術(shù)就是將雷達(dá)技術(shù)作為基礎(chǔ)?;诶走_(dá)技術(shù)所誕生的AIDC技術(shù),便是RFID無線射頻技術(shù)。對于射頻標(biāo)簽來講,其工作原理和雷達(dá)的基本原理相似。如果零件粘貼的電子標(biāo)簽可以被讀寫器讀取,然后發(fā)出磁場并由信號將電子標(biāo)簽中的磁場激發(fā)出來,在此基礎(chǔ)上電子標(biāo)簽按照所接受信號予以反映,向讀寫器發(fā)出反射信號。憑借內(nèi)部電路進(jìn)行產(chǎn)品信息的解碼,從而達(dá)到非接觸型的數(shù)據(jù)通信。利用工控計算機(jī)實現(xiàn)零件相關(guān)信息的收集、改寫、存儲與無線傳輸。關(guān)于雷達(dá)技術(shù),則是以電磁波或者是磁場發(fā)射,在其碰到物體之后發(fā)生反射且?guī)Щ禺a(chǎn)品數(shù)據(jù)。
實際上,傳感器融合主要指的是融合多傳感器信息,一般情況下信息融合劃分成數(shù)據(jù)級以及決策級等融合。例如數(shù)據(jù)級為例,指的是融合傳感器的一系列原始數(shù)據(jù),由此進(jìn)行識別或者是推理判斷。通常其需要保證融合的各傳感設(shè)備屬于同質(zhì)的,存儲傳感器的各種觀測信息能夠為數(shù)據(jù)級融合提供方便。針對異質(zhì)傳感器而言,最好不要進(jìn)行數(shù)據(jù)級融合,至于異質(zhì)傳感設(shè)備做到數(shù)據(jù)融合存在較大困難,應(yīng)首先處理傳感器的各方面數(shù)據(jù),唯有實現(xiàn)數(shù)據(jù)同質(zhì)化才會達(dá)到數(shù)據(jù)級融合的目的,類型不同的傳感器存儲的信息格式、類型各有不同,同質(zhì)化的數(shù)據(jù)處理如果處在傳感器異質(zhì)環(huán)境下難以實現(xiàn)。與此同時,數(shù)據(jù)級融合針對使用數(shù)據(jù)十分充足,不僅會避免數(shù)據(jù)丟失而且結(jié)果更加精確全面。有關(guān)特征級融合,主要是各傳感器數(shù)據(jù)中的特征信息實施綜合分析。提取傳感器當(dāng)中最典型的數(shù)據(jù)特征,在將傳感器的提取特征或是識別結(jié)果有機(jī)融合。對于特征級信息融合而言,主要是將傳感器的相關(guān)信息抽象出來并提取代表性特征,該方法并非是由原始數(shù)據(jù)獲得結(jié)論,形成的結(jié)果較為綜合,可同時也會因為丟失原始數(shù)據(jù)而降低準(zhǔn)確性,且這種融合屬于多個異質(zhì)、同質(zhì)傳感器的融合,針對單一傳感器中的子系統(tǒng)問題故障體現(xiàn)出優(yōu)良適應(yīng)性。
設(shè)計PLC系統(tǒng)設(shè)計,首先需要進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)工藝流程分析并繪制清晰的流程圖,需保證盡可能方便簡潔。完成上述步驟后進(jìn)行PLC選型,這一系統(tǒng)能實現(xiàn)和上位機(jī)之間連接并仿真組態(tài),因此并非每種類型CPU均可以使用。合理分析之后步驟應(yīng)該設(shè)計的模擬量、數(shù)字量有多少、變量和常量等,然后選取與之相應(yīng)模擬和數(shù)字模塊,避免過度浪費(fèi)既保證應(yīng)用合理。完成選型后進(jìn)行IN與OUT地址分配。進(jìn)行PLC與PC機(jī)的連接并展開軟件設(shè)計,編寫STL或是梯形圖畫法。完成上述設(shè)計后實施模擬調(diào)試,且當(dāng)成功調(diào)試后能夠投入運(yùn)行。其中設(shè)備動作發(fā)送指令、系統(tǒng)機(jī)器人邏輯順序均由M218LDD40DUPHNB完成。在工裝臺上放置待焊接零件,總共有3組光纖進(jìn)行工件到位情況的檢驗,3組輸入是I0.0-I0.1,輸出是Q0.0-Q0.1。放置完工件后Q0.0-Q0.1輸出,然后關(guān)閉氣缸及氣閥動作來固定零件,至于汽缸位置有4組傳感設(shè)備,上到位輸出Q0.2-Q0.5而且下到位輸出Q0.6-Q0.7,Q1.0-Q1.1。如果氣缸完成動作之后將雙手按鈕按下,否則不可以按下。如何鈕按被按下機(jī)器人便會發(fā)出動作,將獲取的空間坐標(biāo)向操作機(jī)器人發(fā)送,待其完成機(jī)器人發(fā)起動作后完成任務(wù),機(jī)器人復(fù)位信號Q1.2,若是Q1.2輸出松開零件,位置傳感設(shè)備下到位輸出的情況下,能夠?qū)⒘慵〕龆蚁到y(tǒng)不會發(fā)起報警。工作環(huán)境均是在光柵內(nèi)進(jìn)行,一共有3面光柵有,其輸入I3.0-I3.2,輸出Q3.0-Q3.2,彼此之間的邏輯關(guān)系屬于或關(guān)系,具體工作中任何一個光柵若能感應(yīng)到物體便會發(fā)出報警同時急停,工作流程如圖2所示。
圖2:機(jī)器人PLC系統(tǒng)工作流程圖
以往的焊接方式是OTC機(jī)器人氬弧焊接零件,焊接軌跡是圓弧,運(yùn)動軌跡主要為選擇四個點,以圓弧插入的形式焊接整個軌跡。可因為工件制作存在偏差,致使坐標(biāo)系內(nèi)部的焊接圓心存在坐標(biāo)偏差,則應(yīng)以走圓弧的手段將孔焊滿??墒且詸C(jī)器視覺技術(shù)明確焊點中心,僅要求焊接該點這能保證錫坨光滑且方便打磨。LIN屬于直線內(nèi)插,機(jī)器人由原點至第一個焊接第點擁有廣泛的運(yùn)動范圍,采取直線與弧運(yùn)動有機(jī)融合的方式。至于CIR屬于圓弧運(yùn)動,如果在內(nèi)插圓弧的情況下,機(jī)器人要保證運(yùn)動圓弧不低于3個點。具體點位焊接流程如下所示:選定程序號,OTC示教設(shè)備具備一定的存儲功能,而且編譯程序都具備程序號,正式作業(yè)時進(jìn)行程序號的選擇;點位選擇時間為焊槍和焊點之間還存在10dm;AS起弧指令,用于修改焊接的速度以及電壓電流大??;AE收弧指令。
HMI人機(jī)界面已經(jīng)普及應(yīng)用在各行業(yè)領(lǐng)域中的自動化設(shè)備中。發(fā)揮人機(jī)界面的主要優(yōu)勢能夠高度集成自動化設(shè)備,做到計算機(jī)與操作人員兩者的信息的交換與傳遞,屬于用戶與系統(tǒng)的對話接口。所有參加到人機(jī)信息交互均涉及人機(jī)界面。技術(shù)人員設(shè)計人機(jī)界面時,應(yīng)兼顧以下幾方面:
(1)順序原則。有關(guān)人機(jī)界面的設(shè)計,需要依據(jù)發(fā)生時間與事件處理的一般規(guī)律,依據(jù)從上層至下層的基本原則,最關(guān)鍵的是各個系統(tǒng)環(huán)節(jié)動作自身邏輯順序,要依據(jù)工藝流程進(jìn)行界面設(shè)計。
(2)用戶為中心。實際設(shè)計環(huán)節(jié)需將用戶作為中心,最大限度滿足用戶的現(xiàn)實需求。
(3)功能原則。按照不同的對象環(huán)境,人機(jī)界面內(nèi)部的子系統(tǒng)擁有不同的控制類型。用戶能夠熟悉且及時掌握有關(guān)人機(jī)界面的操作特征及使用規(guī)律,這樣方便HMI操作。
(4)一致性原則。針對外觀來講,需維持人機(jī)界面的操作區(qū)及色彩一致,而且文字屬性應(yīng)和國際、國家標(biāo)準(zhǔn)相一致。一致性的界面能夠提高操作人員的舒適度,一方面避免分散操作人員的注意力,另一方面可降低操作失誤率。
(5)重要性原則。有關(guān)控制對象,其處在整體系統(tǒng)中擁有不同的全局性及重要性水平,主次菜單中的對話窗也需體現(xiàn)區(qū)別,這樣方便操作人員掌握與了解系統(tǒng)主次,在提高控制策略使用率的同時優(yōu)化調(diào)度管理。
基于人機(jī)界面的普及應(yīng)用和逐漸發(fā)展,HMI會朝著智能化與現(xiàn)代化方向發(fā)展。人機(jī)界面的使用場合、外觀形等均發(fā)生變化,同時工控機(jī)核心也進(jìn)入變革進(jìn)程中。針對整體發(fā)展情況而言,今后發(fā)展趨勢應(yīng)為通訊網(wǎng)絡(luò)化、嵌入化模式等。特別是通訊網(wǎng)絡(luò)化,其和上位機(jī)之間的通訊并非僅憑借RS-485總線通訊,依托無線路由能夠和系統(tǒng)主機(jī)實現(xiàn)有效通訊,同時在小型局域內(nèi)構(gòu)建LAN,并以HMI實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍全部系統(tǒng)的管理及監(jiān)控,在減少投入成本的同時提升經(jīng)濟(jì)效益。
工業(yè)機(jī)器人之所以擁有巨大的世界市場需求,其在一定程度上可以壓縮生產(chǎn)成本,因為較高的勞動力成本與稀缺的人力資源,所以多數(shù)企業(yè)不僅會采取轉(zhuǎn)移工廠的方法,還會通過工業(yè)機(jī)器人完成生產(chǎn)流水作業(yè),這樣在減少生產(chǎn)時間的同時壓縮生產(chǎn)成本,從而助力經(jīng)濟(jì)效益的提高。世界范圍內(nèi),近些年推出的各種工業(yè)機(jī)器人,多傳感器技術(shù)工業(yè)機(jī)器人基本能兼顧模塊化、智能化等優(yōu)勢,結(jié)合多種類型機(jī)器人的基礎(chǔ)知識模塊,進(jìn)而為制造業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。西方發(fā)達(dá)國家在此方面陸續(xù)進(jìn)行戰(zhàn)略部署,以美國為例制定了“再工業(yè)化”計劃,出于實現(xiàn)制造產(chǎn)業(yè)振興推動工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展,旨在獲得工業(yè)機(jī)器人的支持下,煥發(fā)制造產(chǎn)業(yè)的活力。再比如日本,在機(jī)器人行業(yè)可謂是獨(dú)樹一幟,也在制造業(yè)領(lǐng)域下足功夫,推動機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展,并將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)歸入到國家重點扶持產(chǎn)業(yè)。
中國在此領(lǐng)域的應(yīng)用和研發(fā)均獲得很多理想成績,將以往存在的空白填補(bǔ)。例如六維力/力矩、位置姿態(tài)等相關(guān)傳感器系列,上述系列能夠為研發(fā)多傳感器工業(yè)機(jī)器人提供堅持基礎(chǔ),且在實際作業(yè)中體現(xiàn)出顯著效果。通過運(yùn)用位置/姿態(tài)傳感設(shè)備,實現(xiàn)超聲測距和運(yùn)動視覺之間有機(jī)結(jié)合,在機(jī)器人操作過程中運(yùn)用于工件的定位、識別及抓取,更重要的是處在復(fù)雜環(huán)境也能將故障自動識別,而且會繞開障礙抵達(dá)目的地。能夠預(yù)見的是,此類工業(yè)機(jī)器人會更廣泛地應(yīng)用在日常生活中,能夠提供更多的便利服務(wù)。有關(guān)研發(fā)升級,一方面應(yīng)該優(yōu)化傳感設(shè)備的精度并減少成本支出,另一方面還會朝著微型機(jī)器人方面研發(fā)。至于應(yīng)用領(lǐng)域,由工業(yè)環(huán)境向海洋或是人類無法進(jìn)入的領(lǐng)域延伸,從而幫助人類更好地探索未知,另外將其結(jié)合虛擬技術(shù)為人們帶來豐富的體驗感受,同微電子系統(tǒng)維持密切聯(lián)系,助力微電子領(lǐng)域更好地發(fā)展。有效利用傳感信息技術(shù),提高處理傳感信息的速度、融合不同的傳感器技術(shù),例如微精技術(shù)、標(biāo)定測試技術(shù)等均會成為機(jī)器人研發(fā)的關(guān)鍵所在。
對于此系統(tǒng)而言,應(yīng)該使焊機(jī)機(jī)器人借助獲得需要焊接點相應(yīng)空間坐標(biāo)的方式,對機(jī)器人速度進(jìn)行調(diào)試驗證,并且盡可能使速度減慢,有關(guān)操控工作者需要位于報警光柵的外邊,避免出現(xiàn)受傷的情況。
當(dāng)系統(tǒng)驗證成功之后,能夠加快機(jī)器人的速度,可以將其調(diào)成180%,通過驗證以后,依靠人工對1個尾管零件進(jìn)行調(diào)試焊接處理需要2min,但是借助視覺傳感器與焊接工業(yè)機(jī)器人加以焊接處理,僅需要20s即可,搭配RFID傳感器裝置,進(jìn)一步提升了出入庫信息的錄入工作效率,并且也確保精準(zhǔn)性。
對于RFID電子標(biāo)簽而言,將其運(yùn)用到此系統(tǒng)當(dāng)中,可以準(zhǔn)確登記并改寫相關(guān)零件尾管信息。
一般來說,射頻標(biāo)簽的應(yīng)用機(jī)制與雷達(dá)十分近似。在粘貼了電子標(biāo)簽的零件處于可以被讀取的區(qū)間當(dāng)中,此時讀寫器裝置將發(fā)出磁場信號,從而實現(xiàn)對電子標(biāo)簽內(nèi)磁場的激發(fā),然后結(jié)合所接收的信號,科學(xué)進(jìn)行反應(yīng),并且發(fā)送出反射信號給讀寫器裝置。與此同時,借助內(nèi)部電路,可以解碼出非接觸式電子標(biāo)簽信號中的產(chǎn)品信息,以便達(dá)到數(shù)據(jù)通信的目的。依靠計算機(jī)科學(xué)采集、存儲與改寫相關(guān)零件信息,實現(xiàn)了遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)男Ч?/p>
針對該系統(tǒng)的總控裝置而言,主要將PLC當(dāng)作技術(shù)支撐,并且以機(jī)器人系統(tǒng)、工業(yè)傳感器裝置、視覺系統(tǒng)動力線作為重要的對象,達(dá)到統(tǒng)一化布局的效果。當(dāng)電氣柜接線的過程中,應(yīng)該注重不同信線正負(fù)極的輸入輸出、PLC、繼電器等各類器件的布局情況,然后經(jīng)過有效驗證,結(jié)合最后的試驗結(jié)果,合理布設(shè)動力線、信號線等。
一般來說,機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行的過程中,經(jīng)過會受到諸多不同方面的因素影響,降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。假如系統(tǒng)信號被干擾,必然降低圖像處理的精準(zhǔn)性,并且?guī)Ыo機(jī)器人運(yùn)動不良的影響。所以,需要制定出系統(tǒng)抗干擾的處理措施,具體如下:
(1)確保動力線與信號線不同槽。此系統(tǒng)電氣控制柜進(jìn)行接線的過程中,應(yīng)該留設(shè)一槽給信號線,發(fā)揮出線槽的屏蔽功效,可以達(dá)到減少干擾的目的。
(2)在不同工廠電氣設(shè)備的旁邊均會設(shè)置地線,和總接地樁連接,所以,系統(tǒng)需要選用合理的接地形式,確保系統(tǒng)免受電磁干擾。
(3)對于系統(tǒng)信號線來說,需要將帶屏蔽線的電纜作為首選,增強(qiáng)屏蔽層的抑制干擾效果。
(4)科學(xué)運(yùn)用數(shù)字濾波器裝置,能夠達(dá)到濾掉系統(tǒng)當(dāng)中干擾信號的目的。
縱觀工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷,能清楚地看到多傳感器技術(shù)起到的重要作用,不管是工業(yè)、科技還是國防等相關(guān)領(lǐng)域,這種機(jī)器人均擁有廣闊的前景。同樣因為不斷進(jìn)步的機(jī)器人技術(shù),在激烈國際競爭中助力我國許多行業(yè)占據(jù)一席之地。時至今日,多傳感器技術(shù)怎樣融入到人們的日常生活,是一大重點研究課題,技術(shù)人員需將該技術(shù)作為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)步的助推器,與此同時讓其在日常生活發(fā)揮更多功能作用。