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1 設(shè)計背景

隨著各行各業(yè)自動化程度的提高,貨物自動裝車系統(tǒng)的需求越來越大。在自動裝車系統(tǒng)中,車輛檢測是一個關(guān)鍵問題[1-5]。目前,車輛檢測多采用視覺方法,但是存在識別準(zhǔn)確性不高及成本較高的問題。針對以上問題,筆者設(shè)計了基于動梁式龍門機器人的車廂檢測系統(tǒng)[6-10]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用筆者設(shè)計的基于動梁式龍門機器人的車廂檢測系統(tǒng),在現(xiàn)有機器人抓手上安裝行程可讀氣缸,便可以實現(xiàn)對車廂的檢測,而不需要增加其它檢測設(shè)備,進而降低成本,提高效率。檢測系統(tǒng)中的動梁式龍門機器人如圖1所示,其負載為300 kg,X軸行程為4 300 mm,Y軸行程為2 200 mm,Z軸行程為1 850 mm。在機器人抓手上安裝四個行程可讀氣缸,用于車廂檢測。具體位置為抓手前部兩個、側(cè)邊一個、底部一個,如圖2所示。1號氣缸用于檢測車廂底部信息,2號、3號氣缸用于檢測車廂前部信息,4號氣缸用于檢測車廂側(cè)邊信息。

采用西門子Simotion d435運動控制器,所有氣缸數(shù)據(jù)接入SMC30模塊。SMC30模塊通過DRIVE_CLiQ總線與Simotion控制器傳遞實時數(shù)據(jù)。檢測系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖3所示。這一系統(tǒng)可以通過行程可讀氣缸檢測車廂內(nèi)部尺寸與斜度,然后根據(jù)碼垛規(guī)則自動計算出所有碼垛點參數(shù),進行自動裝車。

圖1 動梁式龍門機器人

圖2 行程可讀氣缸安裝位置

圖3 檢測系統(tǒng)控制架構(gòu)

3 檢測方法

在進行檢測前,規(guī)定車廂形狀必須規(guī)則,且車輛停在指定區(qū)域內(nèi),確保抓手能順利進入車廂。抓手進入車廂后的俯視平面圖如圖4所示。在自動檢測時,四個氣缸全部伸出,設(shè)定抓手中心點初始坐標(biāo)為(x1,y1,z1,w1),默認初始角度為w1,使抓手朝向與Y軸方向平行。行程可讀氣缸的測量值存儲于寄存器中,規(guī)定底部1號氣缸讀數(shù)為e0,前部2號、3號氣缸讀數(shù)分別為e1和e2,側(cè)部4號氣缸讀數(shù)為e3。

圖4 抓手進入車廂后俯視平面圖

先進行車廂Z軸方向檢測。機器人在Z軸方向慢慢下降,當(dāng)?shù)撞?號氣缸讀數(shù)發(fā)生變化到預(yù)設(shè)值后停止,此時抓手中心點坐標(biāo)變?yōu)?x1,y1,z2,w1),車廂Z軸方向坐標(biāo)Carz=z2-e0。

然后進行車廂傾斜角度檢測。機器人向Y軸方向前進,當(dāng)前部2號、3號氣缸讀數(shù)發(fā)生變化降至預(yù)設(shè)值后停止,此時抓手中心坐標(biāo)變?yōu)?x1,y2,z2,w1),車廂傾斜角度θ=arctan[(e2-e1)/b],b為2號、3號氣缸之間的距離。車廂傾斜角度檢測如圖5所示。

再進行車廂Y軸方向檢測。將機器人抓手旋轉(zhuǎn)至與車廂平行,此時抓手中心坐標(biāo)變?yōu)?x1,y2,z2,w2),其中抓手角度w2=w1+θ。設(shè)置臨時變量Disy,令其為(e2+e1)/2,可推導(dǎo)得車廂Y軸方向坐標(biāo)Cary=Disycosθ+y2。

最后進行車廂X軸方向檢測。使機器人沿著傾斜角度θ向X軸正方向運動,當(dāng)4號氣缸讀數(shù)變化降至預(yù)設(shè)值后停止,此時抓手中心坐標(biāo)變?yōu)?x2,y3,z2,w2)。設(shè)置臨時變量Disx,令其為e3cosθ,

圖5 車廂傾斜角度檢測

可推導(dǎo)得車廂X軸方向坐標(biāo)Carx=e3cosθ+x2。車廂X軸、Y軸方向檢測如圖6所示。

圖6 車廂X軸、Y軸方向檢測

由以上檢測步驟可得車廂右頂角,即碼垛第一點的坐標(biāo)。碼垛第一點X軸方向坐標(biāo)Layx=Carx=e3cosθ+x2,Y軸方向坐標(biāo)Layy=Cary+(x2-x1)tanθ,Z軸方向坐標(biāo)Layz=Carz,旋轉(zhuǎn)軸方向坐標(biāo)Layw=w2。碼垛第一點如圖7所示。

根據(jù)碼垛第一點坐標(biāo)及產(chǎn)品長、寬、高與碼垛規(guī)則,即可生成車廂內(nèi)碼垛所有點的位置坐標(biāo)。

4 檢測結(jié)果

應(yīng)用所設(shè)計的檢測系統(tǒng)對車廂進行多次檢測,其中兩次檢測結(jié)果分別見表1、表2。

圖7 碼垛第一點

坐標(biāo)或變量檢測結(jié)果(x1,y1,z1,w1)/[mm,mm,mm,(°)](1 200,500,600,0)(x1,y1,z2,w1)/[mm,mm,mm,(°)](1 200,500,120,0)(x1,y2,z2,w1)/[mm,mm,mm,(°)](1 200,825,120,0)(x1,y2,z2,w2)/[mm,mm,mm,(°)](1 200,825,120,-2.29)(x2,y3,z2,w2)/[mm,mm,mm,(°)](1 300,821,120,-2.29)e0/mm42e1/mm42e2/mm38e3/mm43θ/(°)-2.29Disx/mm42.97Disy/mm40Carx/mm1 342.97Cary/mm865Carz/mm78Layx/mm1 342.97Layy/mm861Layz/mm42Layw/(°)-2.29

表2 檢測結(jié)果2

應(yīng)用激光跟蹤儀,測得上述兩次檢測中碼垛第一點的實際坐標(biāo)分別為(1 344 mm,862 mm,42.2 mm,-2.28°)和(1 391 mm,889 mm,42.2 mm,8.5°)。通過檢測結(jié)果與實際坐標(biāo)對比,可知所設(shè)計的檢測系統(tǒng)精度達到1 mm左右,能夠滿足自動裝車系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)束語

筆者針對自動裝車系統(tǒng)設(shè)計了基于動梁式龍門機器人的車廂檢測系統(tǒng),通過安裝行程可讀氣缸便可對車廂進行檢測。通過實際檢測確認,這一檢測系統(tǒng)的檢測精度達到1 mm左右,能夠滿足自動裝車系統(tǒng)的要求,具有較高的實用價值。