基于SCARA机器人的异型插件控制系统设计探讨

摘要：在现代化工业中，作为圆柱坐标型的SCARA机器人具有重要作用，在自动装配生产线中应用十分广泛。本文首先对SCARA机器人的异型插件控制系统设计总体方案中的机器人本身、控制系统、视觉系统和上位机进行说明，然后对设计流程中所选择的硬件、软件的设计等方面进行探讨。

关键词：SCARA机器人；异型插件控制系统；视觉系统

在1995年，起始于我国“8693计划”的SCARA4轴装配机器人被上海交通大学研制出来，这可以算是现在装配生产线中采用的SCARA机器人的前身。随着我国经济的飞速发展，传统工业转型为现代化工业的趋势是不可阻挡的，对SCARA机器人进行完善很有必要。

一、控制系统设计总体方案

（一）工业机器人

工业机器人是一种自动化生产设备，其本身具有机电一体化的性能，可以进行仿人操作，可以进行重复编程，同时，它可以在三维空间中做到控制自动化，完成各种作业。SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）机器人[1]，也就是选择顺应性装配机器手臂机器人，这种机器人有着在普遍有着三个旋转关节，且轴线之间时平衡的，旋转关节中有着一个可以用来完成平面当中末端件运动的移动关节，在平面定位当中具有良好的效果，装配的基本方向为垂直方向。通过相应的系统指令可以对机械手臂和气爪进行操作控制，进而完成异型器件的插件与抓取行为。

（二）控制系统

在控制系统方面，本文采用了处理信号较为高效的PLC系统，光电隔离所有I/O信号，让控制器内部的电路与控制器外部的电路完美隔离，可以让声音产生的影响大大降低。这种系统可以对各种采集数据进行接收，同时可以对各种操作命令进行发送，进而完成异型器件的自动插件工作。

（三）视觉系统

在视觉系统方面，其采用的主要硬件有工业计算机、摄像机、光学镜头和多通道图像采集卡，利用计算机中的图像处理软件可以让控制系统更为准确。多个图像传感器CCD（Chargecoupled Device）的职责存在差异，可见下表。

结合表格，通过三种图像传感器可以让整体操作流程更为精确，让元器件可以精确插装到PCB板之上。

（四）上位机

在上位机的选择方面，采用了研华工控机，结合RS485完成串行的信息传输，可以让数据在采集之后进行储存显示，同时，上位机可以让工作人员对这些历史数据进行查询。

二、具体设计流程

（一）硬件选择

1.传感器

在传感器方面，可以利用振动盘的方法来实现异型器件检测，光纤传感器位于振动料斗之上，它可以对异型器件的到位情况予以判断，在到位之后，利用通信电缆，PLC会将器件抓取指令发送给SCARA机器人，进而完程抓取动作。而利用光电传感器，可以对PCB板到达指令位置的情况予以反应，利用此类信号，PLC可以完成異型器件的取件自动化和控制插件工作。

2.PCB传送电动机

PCB传送电动机的主要功能是让PCB实现自动供应，对PCB输送线电机的开启和关闭予以控制，可以让PCB板实现连续的自动供应，而在电机选择等方面，采用了单相交流电机。

3.执行器

在此基于SCARA机器人的异型插件控制系统设计中，执行器包含了气爪、气缸、电磁阀等多个部分，其中电磁阀可以帮助PCB中对应的定位识别工作、夹紧工作以及气缸送料工作的控制，电磁阀可以让气爪抓取异型器件，而利用继电器，可以控制供料系统振动盘的开启工作。

（二）软件设计

在系统软件方面，通过PLC可以完成基础程序的编写工作，进而对异型插件机控制系统进行开发，利用传感器可以完成信号的采集，分析对应的状态和信号，进而对抓取器件的动作进行确认，利用相应的公式完成对定位进行计算，让系统插件工作更为准确。其基本系统流程可以概括为，系统初始化之后判断PCB是否到位，如果不到位，需要重新进行设定，在判定到位之后，需要判定元器件是否到位[2]，如果没有到位，那么需要对振动料斗元器件排序予以启动，进行重新判断，在确认元器件到位之后，可以进行异型元器件的抓取工作，对元器件的缺陷情况进行检查，如果存在缺陷，那么应该进行调整和更换，之后重新检测元器件的到位工作，在确认元器件没有缺陷之后，需要对元器件夹持位姿误差进行计算，利用PCB板可以完成误差计算的定位工作，之后计算异型元器件的插装位置误差，对机械手的姿态予以调整，进而可完成元器件的插装工作，进行PCB板下料。在此系统中，PLC和PC机之间存在信号传输，SCARA机器人和PLC之间存在信号传输，在信号传输时，本系统利用了RS485标准，RS485是一个定义平衡数字多点系统中接收器与驱动器的电气特性标准，使用这种标准的数字通信网络能在及电子噪声大的环境中或远距离环境中实现信号的有效传输，这种方式的电气接口方式为差分平衡，能够让噪音进行有效遏制，进而提升整体信号传输的有效性，同时，它可以让节点之间的接地电平差异的影响得到减少。将这套系统进行调试，选择USB2.0与耳机插座为测试器件，完成试验数据的统计工作之后，发现此套系统可以对机械手、0SMT、CCD本身的特点进行整合，对异型插件进行开通知的平均时间大概在2S左右，具有与良好的效果。

三、结论

综上所述，利用视觉系统，可以让SCARA机器人异型插件控制的整体系统更为准确，通过完善的设计流程，可以实现SCARA机器人异型电子元器件的快速插装目的，进而提升SCARA机器人在实际应用中的效果，对于现代化工业的改革具有促进作用。

参考文献：

[1]左国栋，赵智勇，王冬青.SCARA机器人运动学分析及MATLAB建模仿真[J].工业控制计算机，2017，3002：100102.

[2]刘辉，毛璐瑶，陈启愉.基于数值模拟技术的SCARA机器人本体设计与优化[J].机电工程技术，2017，4606：16.

作者简介：张凡（1981），男，湖南益阳人，大专，工程师，研究方向：导形插件机及供料器。