机器视觉的机器人装配工作站系统设计与编程
摘 要随着企业工厂工业4.0的大力推广，传统的人工装配存在着分拣识别率低、装配效率低等弊端。本课题基于机器视觉的识别原理，进行了系统的整体布局设计，主要针对仓库工件进行自动转运、识别、抓取、装配以及成品码放的功能实现，提出了自动转运的电气原理设计、工件识别、PLC总控系统的逻辑电气原理、人机界面的设计、机器人装配及码放程序设计等。本文实现了硬件控制电路及软件程序的原理设计，对仓库工件进行自动转运，有效识别，精准装配与码放，旨在解决现有生产力装配过程存在的问题。论文基于江苏汇博机器人技术股份有限公司生产HR20-1700-C10型工业机器人提出的工作站系统设计与编程，本文的主要内容包括工作站整体设计、关键技术分析、电气控制系统设计、人机交互软件系统设计以及工作站验证五部分。（1）利用SIEMENS-1200 PLC(Programmable Logic Controller)编写设备电气控制程序，配合信捷的SV3-30M工业相机对装配工件学习，自动获取工件位置信息，以适应不同规格工件的装配操作。（2）利用SINAMICS G120变频器结合交流伺服电机对不同货仓的工件进行精确抓取。基于汇博的HR20-1700-C10型工业机器人配合SIEMENS-1200编写装配程序，自动抓取不同工件，完成对不同工件的精准装配。（3）设计基于SIEMENS-TP700组态环境的工作站人机交互系统，优化了工作站的控制，实现自动化控制和装配。经过验证，该原理系统可以完成对不同工件的自动转运、快速识别、精准装配。
Key words: machine vision; PLC; automatic transfer; workpiece assembly 目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 课题来源及研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题主要研究内容 2
第2章 工作站总体概述 4
2.1工作站整体设计方案 4
2.2 工作站系统特点 6
2.3 整体技术参数 7
2.4 本章小结 7
第3章 工作站关键技术分析 8
3.1 PLC的选型 8 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3.2 变频器的选型 9
3.3 工业相机选型 11
3.4 工业机器人选型 14
3.5 步进驱动器选型 15
3.6 本章小结 17
第4章 PLC电气控制程序设计 18
4.1 工作站工程流程 18
4.2 立体仓库单元程序设计 20
4.3 流水线单元程序设计 20
4.4 工业相机示教编程 26
4.5 工业机器人装配程序设计 27
4.6 本章小结 30
第5章 人机交互软件程序设计 31
5.1人机交互功能分析 31
5.2 人机交互界面设计 31
第6章 工作站验证 36
6.1 立体仓库测试 36
6.2 流水线测试 37
6.3 工业相机测试 37
6.4 机器人装配调试 38
6.5 问题分析 41
6.6 本章小结 41
总 结 42
参考文献 43
致 谢 44
附 录 45
1. 电气图纸 46
2. 详细程序 50
3. 个人获奖证书 65
第1章 绪 论
1.1 课题来源及研究意义
随着李克强总理的中国制造2025的不断落实，针对装备制造业转型升级对岗位技能提升的要求，加上我国劳动力成本不断上升、产业机构不断转型升级，在市场需求和行业环境初具条件的基础下，传统的人工装配已不能满足实际生产需求，并且存在着分拣率低、装配效率低等诸多弊端，限制着发展的浪潮，解决传统的人工装配迫在眉睫。
随着机器人和机器视觉行业的迅速发展，机器人配合机器视觉，代替人力在电子行业、航空航天、现代制造等行业应用广泛。机器视觉作为机器人获取外界环境信息的主要媒介，提高工业生产中对工件的检测、识别的准确率，保证了后续机器人装配的合格率。本文根据信捷Xsight SV430ml智能相机和西门子S71200以及汇博HB201700C10型机器人，系统地提出了自动转运电气原理设计、工件识别设计、PLC逻辑控制原理、机器人装配及码放原理等内容。实现了机器自动转运工件、自动地对工件进行识别装配。降低了工艺流程生产成本，能有效的提高企业生产效益，具有重要的工业价值。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
随着工业革命4.0的推进，工业发达国家的产品需求日益多样化，在新技术的推动下，产品的精度不断提高，装配自动化技术得到了迅速的发展。目前国外在机器人自动装配技术方面处于领先地位。以美国为例，已经有自动化装配线工业，生产的装配线已经有了一定的通用程度。最初的自动化装配产线其生产节拍时间大概需要10~30秒，到1973年时已经有17000台自动装配线投入使用。
之后日本的自动装配技术迅猛发展，在工业机器人的诞生推动下，机器人替代了装配机中许多的复杂部件的功能，装配动作及工艺由简单向复杂发展。工作效率成倍提高，可连续24小时连续工作，之后机器人装配日趋完善。国外制造业中40%的劳动力都是用于装配行业，装配机器人是以高质量、高效率完成自动装配的理想化方法，所以装配机器人得以迅速发展起来，而应用于装配行业的机器人销售量从1958年的15800台到2004年的55000台，产值占工业行业的比重大大提升，其中日本的装配机器人增长比其他工业应用领域的机器人都要快，增长速度比欧洲其他国家更快。2013年，全球工业机器人销售量创造历史新高，达到178132台，较上年增长11.79%。其中，约70%的工业机器人销往中国、日本、美国、韩国和德国。2016年全球机器人销售额达到132亿美元。目前国外各大机器人公司均已设计出自己的机已经器视觉识别装配机器人。
1.2.2 国内研究现状
我国的自动装配技术起步相比而言比较晚，在20世纪50年代末开始在轴承行业涉及和建立球轴承自动转配线。近几年，我国的自动装配技术有了一定的进展，业内已经陆续设计自己的自动装配线和半自动装置。在装配机器人的研制方面，已经基本上掌握了机构的设计制造技术，解决了控制、驱动系统设计和配置、软件开发及编制等关键技术，尤其在电机电器，汽车制造行业应用广泛。随着制造业自动化改革的不断深入及制造业用工荒现象频现，我国装配机器人需求呈现上升趋势，至2013年中国工业机器人销量达到了36560台，同比增长60%，到2013年我国装配机器人的销量突破3500台，同比增长超60%，2016年工业机器人累计安装量为34.9万台，一举超越日本成为了全球第一大机器人世界。
但是国内机器人视觉装配和国外发达国家仍有许多差距。如仪表、开关、微电机等行业，几乎仍然用人工流水线装配为主，质量还是靠人工来保证，技术相比而言比较落后。与发达国家存在着差距，主要体现在以下几个方面：
（1）机器人重定位精度不高。重定位精度不能够得以保证，导致装配过程产生误差，合格率不能得以保证，带来经济效益的损失。
（2）机器人的控制技术仍是依赖进口。国内机器人控制技术不够稳定，机器人运行过程容易出现丢失数据，直接导致流水线生产不能正常进行，延误工期。
因此解决传统的人工装配问题、工件判断错误、提高成品合格率，具有重要的工业价值。而目前我国的装配机器人发展呈以下几个趋势：
（1）机器人结构的优化设计：寻求强度更高更加轻盈的材料，从而进一步提高机器人的负载能力。结构优化设计，使其更加轻巧。
（2）机器人控制技术的开发：开放化、模块化、编程语言的标准化和国际化。除了在线编程之外，离线编程技术实用性的完善也将成为重要攻克的地方。
（3）多传感器的利用：为了进一步提高机器人的智能化，适应场合的多样性和复杂性，各类传感器被应用于机器人领域。
Key words: machine vision; PLC; automatic transfer; workpiece assembly 目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 课题来源及研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题主要研究内容 2
第2章 工作站总体概述 4
2.1工作站整体设计方案 4
2.2 工作站系统特点 6
2.3 整体技术参数 7
2.4 本章小结 7
第3章 工作站关键技术分析 8
3.1 PLC的选型 8 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3.2 变频器的选型 9
3.3 工业相机选型 11
3.4 工业机器人选型 14
3.5 步进驱动器选型 15
3.6 本章小结 17
第4章 PLC电气控制程序设计 18
4.1 工作站工程流程 18
4.2 立体仓库单元程序设计 20
4.3 流水线单元程序设计 20
4.4 工业相机示教编程 26
4.5 工业机器人装配程序设计 27
4.6 本章小结 30
第5章 人机交互软件程序设计 31
5.1人机交互功能分析 31
5.2 人机交互界面设计 31
第6章 工作站验证 36
6.1 立体仓库测试 36
6.2 流水线测试 37
6.3 工业相机测试 37
6.4 机器人装配调试 38
6.5 问题分析 41
6.6 本章小结 41
总 结 42
参考文献 43
致 谢 44
附 录 45
1. 电气图纸 46
2. 详细程序 50
3. 个人获奖证书 65
第1章 绪 论
1.1 课题来源及研究意义
随着李克强总理的中国制造2025的不断落实，针对装备制造业转型升级对岗位技能提升的要求，加上我国劳动力成本不断上升、产业机构不断转型升级，在市场需求和行业环境初具条件的基础下，传统的人工装配已不能满足实际生产需求，并且存在着分拣率低、装配效率低等诸多弊端，限制着发展的浪潮，解决传统的人工装配迫在眉睫。
随着机器人和机器视觉行业的迅速发展，机器人配合机器视觉，代替人力在电子行业、航空航天、现代制造等行业应用广泛。机器视觉作为机器人获取外界环境信息的主要媒介，提高工业生产中对工件的检测、识别的准确率，保证了后续机器人装配的合格率。本文根据信捷Xsight SV430ml智能相机和西门子S71200以及汇博HB201700C10型机器人，系统地提出了自动转运电气原理设计、工件识别设计、PLC逻辑控制原理、机器人装配及码放原理等内容。实现了机器自动转运工件、自动地对工件进行识别装配。降低了工艺流程生产成本，能有效的提高企业生产效益，具有重要的工业价值。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
随着工业革命4.0的推进，工业发达国家的产品需求日益多样化，在新技术的推动下，产品的精度不断提高，装配自动化技术得到了迅速的发展。目前国外在机器人自动装配技术方面处于领先地位。以美国为例，已经有自动化装配线工业，生产的装配线已经有了一定的通用程度。最初的自动化装配产线其生产节拍时间大概需要10~30秒，到1973年时已经有17000台自动装配线投入使用。
之后日本的自动装配技术迅猛发展，在工业机器人的诞生推动下，机器人替代了装配机中许多的复杂部件的功能，装配动作及工艺由简单向复杂发展。工作效率成倍提高，可连续24小时连续工作，之后机器人装配日趋完善。国外制造业中40%的劳动力都是用于装配行业，装配机器人是以高质量、高效率完成自动装配的理想化方法，所以装配机器人得以迅速发展起来，而应用于装配行业的机器人销售量从1958年的15800台到2004年的55000台，产值占工业行业的比重大大提升，其中日本的装配机器人增长比其他工业应用领域的机器人都要快，增长速度比欧洲其他国家更快。2013年，全球工业机器人销售量创造历史新高，达到178132台，较上年增长11.79%。其中，约70%的工业机器人销往中国、日本、美国、韩国和德国。2016年全球机器人销售额达到132亿美元。目前国外各大机器人公司均已设计出自己的机已经器视觉识别装配机器人。
1.2.2 国内研究现状
我国的自动装配技术起步相比而言比较晚，在20世纪50年代末开始在轴承行业涉及和建立球轴承自动转配线。近几年，我国的自动装配技术有了一定的进展，业内已经陆续设计自己的自动装配线和半自动装置。在装配机器人的研制方面，已经基本上掌握了机构的设计制造技术，解决了控制、驱动系统设计和配置、软件开发及编制等关键技术，尤其在电机电器，汽车制造行业应用广泛。随着制造业自动化改革的不断深入及制造业用工荒现象频现，我国装配机器人需求呈现上升趋势，至2013年中国工业机器人销量达到了36560台，同比增长60%，到2013年我国装配机器人的销量突破3500台，同比增长超60%，2016年工业机器人累计安装量为34.9万台，一举超越日本成为了全球第一大机器人世界。
但是国内机器人视觉装配和国外发达国家仍有许多差距。如仪表、开关、微电机等行业，几乎仍然用人工流水线装配为主，质量还是靠人工来保证，技术相比而言比较落后。与发达国家存在着差距，主要体现在以下几个方面：
（1）机器人重定位精度不高。重定位精度不能够得以保证，导致装配过程产生误差，合格率不能得以保证，带来经济效益的损失。
（2）机器人的控制技术仍是依赖进口。国内机器人控制技术不够稳定，机器人运行过程容易出现丢失数据，直接导致流水线生产不能正常进行，延误工期。
因此解决传统的人工装配问题、工件判断错误、提高成品合格率，具有重要的工业价值。而目前我国的装配机器人发展呈以下几个趋势：
（1）机器人结构的优化设计：寻求强度更高更加轻盈的材料，从而进一步提高机器人的负载能力。结构优化设计，使其更加轻巧。
（2）机器人控制技术的开发：开放化、模块化、编程语言的标准化和国际化。除了在线编程之外，离线编程技术实用性的完善也将成为重要攻克的地方。
（3）多传感器的利用：为了进一步提高机器人的智能化，适应场合的多样性和复杂性，各类传感器被应用于机器人领域。
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