CN106865243A - 一种自动物料装车机械臂控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种自动物料装车机械臂控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动物料装车机械臂控制系统，包括传感装置、控制模块、执行机构、编辑及显示系统，用于控制装车机械臂自动将物料进行装车；同时，本发明还提供上述机械臂控制系统的控制方法，用于实现机械臂从物料的进入、输送到自动装车，只需要人工输入需要的物料装车总量或者总体积，机械臂可通过上述控制方法，自动进行运算装车，完成后自动停止装车，实现了完全的自动化和智能化。与现有技术相比，本发明采用伺服驱动机构提供驱动力，并采用NC闭环控制程序控制所有的直线行程，信息处理采用先进的EPC控制器进行控制，实现了us级的响应周期，同时支持计算机高级语言，解决了传统PLC无法实现的快速在环控制，实现了多轴级联动控制的工艺算法，解决了现有技术的控制算法中存在的响应周期慢，处理联动轴数少的局限性。

Description

一种自动物料装车机械臂控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及机械设备自动控制系统领域，尤其涉及用于控制自动装车、自动堆垛机械设备的系统和控制方法领域，具体的说，是一种自动物料装车机械臂控制系统及其控制方法。
背景技术
随着工业化生产的推进和革新，现有的工业产品生产的效率非常高，为了进一步的匹配当前高效率的物料生产和运输，在物料的装车运输过程中，机械化设备逐渐的替代原始的人工搬运。且现有技术中已经存在多种能够自主实现物料装车的机械臂，但由于用于盛装物料的车厢尺寸、物料外形尺寸有所差异，因此，现有的机械臂在进行物料自动装车的过程中容易出现物料堆垛不整齐，需要人工在堆垛过程中进行微调和修正，以避免装车过程中出现漏装、叠装以及物料排列间隙大，空间占用不足的问题。同时，现有的装车机器人多采用分段式程序控制，即在物料装车过程中，会依赖人工的找准、计算和控制才能实现装车。例如现有的三臂夹持式堆垛机械臂用于物料装车时，针对不同的车箱容积量和尺寸在装车前必须依赖人工将机械臂的初始定位新型进行找准和定位，然后向用于机械臂装车的对应程序进行注入实现装车；另一方面，现有的堆垛或者装车机械臂均为固定式转动多臂铰接机械臂，其安装的底座必须是稳定固定在地面的，物料在运送前只能是在指定的区域，否则无法实现自动夹持，存在物料夹持的局限问题；另一方面，由于多臂铰接式的长度有限，存在无法进行大型货箱装车问题且物料的堆垛高度非常有限，如果对于现有的半挂车货箱为例，必须要反复的移动车辆，并且在堆垛物料的铰接处需要人工进行物料搬运，克服堆垛不齐的问题；由此，还会带来人力投入增大，装车周期长的问题。因此，现有的机械臂或者机器人受到设备本身结构和控制系统的局限，在物料装车领域智能化程度不高，无法实现自主装车；另一方面，夹持式的机械臂或者机器人不能适用于对于纸箱包装的物料，存在损坏包装的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动物料装车机械臂控制系统用于解决现有技术中存在的系统集成化、智能化不高，在物料装车过程中针对不同的车箱不能完全自主判断和修正并完成装车，依然存在需要人工进行干预和调整，导致装车效率低，堆垛效果不好的问题；同时，针对超长车箱还需要移动车辆进行多次对接堆垛，故而在局限区域就无法实现装车问题。本发明还提供一种用于控制上述机械臂控制系统的控制方法，用于精准的检测、计算和控制所述机械臂进行全自动的装车，并且能够自动计算处最佳的装车顺序和排列方式，实用与不同尺寸、不同长度、不同深度和宽度的车箱，解决现有的装配方法不智能的问题，从而避免因装车不齐导致的需要人工进行修正，费时，费力的问题。
为了解决上述技术问题，提高物料装车的自动化，智能化，减小人工投入，提高装车效率，本发明通过下述技术方案实现：
一种自动物料装车机械臂控制系统，包括传感装置：分别安装在机械臂下料端头的下料箱上的四个侧面和底面用于传感装料车辆与所述传感装置的直线距离；控制模块：与所述传感装置连接的用于接收、对比、运算、记录和控制信号输出；执行机构：与所述控制模块连接并执行所述控制模块输出的信号；检测装置：安装在所述执行机构上并与所述控制模块连接，用于反馈所述执行机构的实际位置；编辑及显示系统：与所述控制模块连接的用于接收、显示和播报人工输入的物料装配信息和设备工作状态信息。
为了进一步明确并提高所述传感装置的精度，缩短反应时间周期，优选地，本发明特别采用下述结构，所述传感装置包括安装在下料箱靠近所述机械臂一侧的第一传感器、与第一传感器所在面对应面上安装的第三传感器、安装在底部的第五传感器，以及安装在沿物料输送方向左侧的第四传感器和右侧的第二传感器，且上述传感器均为红外线距离传感器。
为了进一步明确并提高所述执行机构的精度，缩短反应时间周期，以及执行机构的稳定性，优选地，本发明特别采用下述结构，所述执行机构包括用于驱动机械臂纵向来回移动的第一伺服驱动单元、用于驱动机械臂横向来回移动的第二伺服驱动单元、用于驱动机械臂旋转摆动的第三伺服驱动单元、用于驱动下料箱相对于机械臂水平伸缩的第四伺服驱动单元、用于驱动下料箱水平转动的第五伺服驱动单元、用于驱动下料箱横向滚动的第六伺服驱动单元、用于驱动下料箱进行下料的伸缩气缸，以及用于将物料与下料箱基准侧对齐的电动推板。
优选地，所述检测装置包括用于检测机械臂纵向移动位移量的第一位置传感器和用于检测机械臂横向移动位移量的第二位置传感器。
优选地，所述控制模块为EPC控制器。
一种自动物料装车机械臂控制系统的控制方法，通过上述控制系统实现物料的自动装车堆垛，具体包括如下步骤：
(一)所述控制系统自检，并在显示系统上显示控制系统状态；
(二)用户通过编辑系统输入物料数据信息，所述物料数据信息包括物料的单个外形尺寸、重量以及所需物料总量信息；
(三)所述机械臂带动下料箱沿着车箱轴线方向做直线水平移动和竖直直线运动，通过传感装置获取的车箱各个位置的长宽高信息获得车箱容积数据并记录在控制模块中；
(四)控制模块通过将步骤(二)中的物料数据信息与步骤(三)中获取的车箱容积数据进行逻辑运算，获得物料装车的排列顺序和装车数量；
(五)控制模块通过步骤(三)获取的车箱长宽信息确定车箱长度方向的中轴线并通过执行机构移动和调整机械臂使机械臂长度方向的中轴线投影与所述车箱长度方向的中轴线对齐重合，控制模块记录为起始位置；
(六)控制模块按照步骤(四)中所述的排列顺序向执行机构发送装车指令，通过执行机构驱动机械臂和下料箱将物料进行依次装车，直到物料装车数量等于步骤(二)中输入的物料总量信息，控制模块自动停止发送装车指令并自动回到步骤(五)中所述的起始位置。
为了更好的实现本发明，优选地，所述步骤(三)中的车箱长宽高信息获取具体为：所述机械臂带动下料箱沿着车箱轴线方向做直线水平移动，直到第一传感器或者第三传感器传感的距离值等于控制模块设定的安全距离值时停止动作；同时机械臂带动下料箱沿竖直方向做直线运动，直到第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器均出现检测距离数据无效时时停止动作，并记录每一个传感器第一次出现传感距离数据无效时第五传感器所传感的距离值，作为对应车箱侧面的最高栏板高度；
车箱长度值等于所述第一传感器传感的直线距离、第三传感器传感的直线距离与下料箱的宽度数值之和；
车箱宽度值等于所述第二传感器传感的直线距离、第四传感器传感的直线距离与下料箱的长度数值之和；
车箱高度值等于所述第五传感器传感的直线距离。
为了更好的实现本发明，优选地，所述排列顺序为物料在车箱中采用横向盛装或者纵向盛装中单层排列物料数量的最大值，逐行逐层堆垛装车且相邻两行物料堆垛之间的堆垛顺序相反进行。
为了更好的实现本发明，优选地，所述步骤(五)中起始位置的确定具体包括以下步骤：
5.1下料箱首先移动到车箱一端，EPC控制器分别记录该时刻第二传感器获取的下料箱距离车箱的直线距离L2和第四传感器获取的下料箱距离车箱的直线距离L3；
5.2下料箱移动到车箱另一端，EPC控制器分别记录该时刻第二传感器获取的下料箱距离车箱的直线距离L4和第四传感器获取的下料箱距离车箱的直线距离L5；
5.3通过对比ΔL1＝L2-L3与ΔL2＝L4-L5的数值关系获得车箱沿长度方向的中轴线与机械臂中轴线的投影之间的关系，EPC控制器向第三伺服驱动单元发出指令调整机械臂向平行于车箱中轴线方向偏转角度，同时，EPC控制器向第二伺服驱动单元发出指令调整机械臂向车箱中轴线一侧移动，直到L2-L3，L4＝L5，ΔL1＝ΔL2＝0，此时机械臂停止动作，EPC控制器将此时位置标记为起始位置。
为了更好的实现本发明，优选地，所述步骤(六)中控制模块按照步骤(四)中所述的排列顺序向执行机构发送装车指令，具体包括：
6.1EPC控制器向第三伺服驱动单元发送旋转指令，同时EPC控制器向第五伺服电驱动单元发送与第三伺服驱动单元相同旋转角度，相反旋转方向的指令，直到第三传感器、第二传感器或第四传感器传感距离等于EPC控制器预设的最小安全距离停止任何动作；
6.2EPC控制器向升降机构发送指令控制机械臂升降，同时向第六伺服驱动单元发送指令控制下料箱横向滚动，且机械臂升降偏转角度与下料箱横滚角度方向相反，角度相等，直到第五传感器传感的直线距离等于EPC控制器预设的下料高度值后停止动作；
6.3EPC控制器向控制电动推板的伺服单元发送推料指令，直到物料与下料箱内壁接触；
6.4EPC控制器向控制伸缩气缸的伺服单元发送送料指令，下料箱的下料板打开，物料自动落入车箱指定位置；
6.5EPC控制器根据单件物料沿车箱宽度方向摆放的尺寸数据L1计算出摆放同一行下一物料的机械臂的偏转角度a，计算公式如下：
L1为装车物料沿车箱宽度方向的外形尺寸值；
L0为装车物料沿车箱长度方向的外形尺寸值；
O1O为下料箱位于起始位置时，第一传感器的传感距离值；
R为机械臂的长度值；
6.6EPC控制器向第一伺服驱动单元发送指令，驱动机械臂沿物料装车顺序的第二行纵向后退L0，并按照第一行的装车顺序的相反方向进行装车，同一行的下一物料的装配偏转角度a的计算方法与步骤6.5相同，直到第一传感器、第二传感器或第四传感器传感距离均等于EPC控制器预设的最小安全距离，停止动作，完成第一层物料安装；
6.7EPC控制器向升降机构发送上升指令，直到下料箱的上升高度等于单一物料的外形高度值，升降机构停止动作；再重复上述步骤6.1-6.6的装配过程，直到实际装配物料数量等于步骤(四)中所述的装车数量时，停止所有动作，完成物料装车；
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明中的控制系统通过在装车机械臂的端头下料箱的四个侧面和地面均安装有距离传感器，能够精准的获得与四个侧面和底面的距离，并通过EPC控制器对数据进行处理获得车箱的立体空间，自动根据物料计算出物料装车的最佳堆垛方案，从定位检测到装车完毕，只需一次输入所需装车物料的重量或者总体积，所述控制系统即可自动完成装车，并实时显示装车状态。解决了现有技术中需要人工进行干预，修正，调整甚至不断的移动车箱来实现物料装车的问题。本发明所述系统的自动化和智能化程度高，适用范围广。
(2)本发明采用伺服驱动机构提供驱动力，并采用NC闭环控制程序控制所有的直线行程，信息处理采用先进的EPC控制器进行控制，实现了us级的响应周期，同时支持计算机高级语言，解决了传统PLC无法实现的快速在环控制，实现了多轴级联动控制的工艺算法，解决了现有技术的控制算法中存在的响应周期慢，处理联动轴数少的局限性。
附图说明
图1为本发明所述装车机械臂的结构图；
图2为支撑行架俯视图；
图3为下料箱及第四、五、六伺服驱动单元的立体结构图；
图4为下料箱结构图；
图5为图4的俯视图即传感装置安装位置示意图；
图6为本发明控制系统的连接结构框图；
图7为本发明控制系统的连接结构示意图；
图8为本发明工作流程图；
图9为机械臂进行升降时第四伺服驱动单元水平补偿偏移量的数学模型图；
图10为图9的简化数学模型图；
图11为机械臂进行左右摆动时物料尺寸与机械臂偏转角度a的数学模型图；
图12为机械臂进行左右摆动时物料尺寸与机械臂偏转角度a与下料箱反向转动的数学模型图；
其中1-底座；2-升降机构；3-机械臂；4-下料箱；5-送料装置；6-支撑行架；61-第一横臂；62-第二横臂；7-滑轨；8-车箱；101-第一伺服驱动单元；102-第二伺服驱动单元；103-第三伺服驱动单元；104-第四伺服驱动单元；105-第五伺服驱动单元；106-第六伺服驱动单元；107-伸缩气缸；108-电动推板；201-第一传感器；202-第二传感器；203-第三传感器；204-第四传感器；205-第五传感器；301-EPC控制器；302-第一位置传感器；303-第二位置传感器。
具体实施方式
下面结合本发明的优选实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明在采用实施例说明和解释之前，首先对本发明中涉及的名词做如下解释说明：
1、EPC控制器：EPC控制器是一种纠偏控制器，是一种跟踪工作材料的边缘或印刷线条进行差动和摆动可选择纠偏控制器，是由大规模工业集成成电路组成，具有恶劣工作环境抗干扰能力强，可靠性高，使用寿命长等优点，很适应包装行业连续不停机生产工作需要。
2、us级：微秒级反应周期。
实施例1：结合附图1和6所示，一种自动物料装车机械臂控制系统，包括传感装置：分别安装在机械臂3下料端头的下料箱4上的四个侧面和底面用于传感装料车辆与所述传感装置的直线距离；
控制模块：与所述传感装置连接的用于接收、对比、运算、记录和控制信号输出；
执行机构：与所述控制模块连接并执行所述控制模块输出的信号；
检测装置：安装在所述执行机构上并与所述控制模块连接，用于反馈所述执行机构的实际位置；
编辑及显示系统：与所述控制模块连接的用于接收、显示和播报人工输入的物料装配信息和设备工作状态信息。
工作原理及操作方法：
在进行装车前，控制系统首先进行自检，是否存在故障，若存在故障，则将相关故障信息通过显示系统进行显示；若所有设备正常，准备就绪，则显示系统显示准备就绪。
然后通过编辑系统人工注入单件物料信息和需要盛装的物料总量信息，其中，单件物料信息包括物料的外形尺寸：长、宽、高、重量；物料总量信息包括总重量或者总体积。值得说明的是，若本发明长期用于单一物料的装车，如：袋装水泥、袋装大米、大豆等物料包装尺寸固定的物料，则只需要向编辑系统注入总质量或者总体积控制模块即可自动计算该车需要盛装的数量，当盛装的物料数量等于理论数量时，系统停止工作，保持准备就绪状态。
控制模块向执行机构发送注入在控制模块内既定的自检程序，并通过传感装置获知车箱的长宽高信息，实现与单一物料长宽高信息进行比对和运算。
控制模块根据自检程序运行后获得的车箱尺寸信息自动计算并优化装车顺序和物料摆放方向，并向执行机构发送装车指令依次装车。所述装车顺序为：从车箱俯视角度看为从上到下、从左至右盛装第一行物料，当第一行物料装车完毕后，第二行物料则采用从右至左盛装，直到第一层物料装车完毕，并开始第二层物料装车。所述物料摆放方向为：将物料的长边或者宽边与车箱的侧壁对齐，即摆放分为横放和纵放。控制模块自动计算上述摆放方式和装车顺序，并将装车过程中机械臂行程最短，装车时间最少的装车方案确定为实际装车方案，并进行执行，直到装车完毕。
特别值得说明的是：EPC控制器的装填程序可自定义，包含但不限于上述装填方式，且EPC控制器属于现有的产品，故而，在此对该控制器的内部逻辑计算原理不再赘述，关于传感装置可采用包含但不限于激光传感器、红外传感器在内的中任意一种，只要能够精准读取到位置距离的均可实现。
实施例2：
为了进一步明确并提高所述传感装置的精度，缩短反应时间周期，在实施例1的基础上，结合附图1-7所示，本发明特别采用下述结构，所述传感装置包括安装在下料箱4靠近所述机械臂3一侧的第一传感器201、与第一传感器201所在面对应面上安装的第三传感器203、安装在底部的第五传感器205，以及安装在沿物料输送方向左侧的第四传感器204和右侧的第二传感器202，且上述传感器均为红外线距离传感器。
为了进一步明确并提高所述执行机构的精度，缩短反应时间周期，以及执行机构的稳定性，优选地，本发明特别采用下述结构，所述执行机构包括用于驱动机械臂纵向来回移动的第一伺服驱动单元101、用于驱动机械臂横向来回移动的第二伺服驱动单元102、用于驱动机械臂旋转摆动的第三伺服驱动单元103、用于驱动下料箱4相对于机械臂3水平伸缩的第四伺服驱动单元104、用于驱动下料箱4水平转动的第五伺服驱动单元105、用于驱动下料箱4横向滚动的第六伺服驱动单元106、用于驱动下料箱4进行下料的伸缩气缸107，以及用于将物料与下料箱基准侧对齐的电动推板108。
优选地，所述检测装置包括用于检测机械臂3纵向移动位移量的第一位置传感器302和用于检测机械臂3横向移动位移量的第二位置传感器303。
优选地，所述控制模块为EPC控制器。
工作原理：
当机械臂3处于起始位置并进行同一行物料装车时，以从左往右依次装车为例。首先，EPC控制器同时向第三伺服驱动单元103和第五伺服驱动单元105发送相同旋转角度a，旋转方向相反的驱动指令信号，此时机械臂3旋转的方向为俯视的逆时针，下料箱4下第五伺服驱动单元105的驱动下的旋转方向为顺时针，直到第三传感器203、第二传感器202传感距离等于EPC控制器预设的最小安全距离停止任何动作；此时，EPC控制器向用于驱动下料箱4进行下料的伸缩气缸107的驱动源发送指令，打开位于下料箱4下方的下料板，完成一件物料的装车。EPC控制器再向伸缩气缸107的驱动源发送指令关闭下料箱4下方的下料板，然后立即同时向第三伺服驱动单元103和第五伺服驱动单元105发送相同旋转角度a，旋转方向相反的驱动指令信号，此时机械臂3旋转的方向为俯视的顺时针，下料箱4下第五伺服驱动单元105的驱动下的旋转方向为逆时针，下料箱4向右水平偏转的水平距离为物料包在第一行装车方向所在边长的数值，以此类推，逐一装车。
为了详述本发明的装车流程、顺序和原理，下面结合上述控制系统即机械臂3的结构，对本发明的装车控制方法进行进一步说明。
结合附图1-12所示，一种自动物料装车机械臂控制系统的控制方法，通过上述控制系统实现物料的自动装车堆垛，具体包括如下步骤：
(一)所述控制系统自检，并在显示系统上显示控制系统状态；
(二)用户通过编辑系统输入物料数据信息，所述物料数据信息包括物料的单个外形尺寸、重量以及所需物料总量信息；
(三)所述机械臂3带动下料箱4沿着车箱轴线方向做直线水平移动和竖直直线运动，通过传感装置获取的车箱各个位置的长宽高信息获得车箱容积数据并记录在控制模块中；
(四)控制模块通过将步骤(二)中的物料数据信息与步骤(三)中获取的车箱容积数据进行逻辑运算，获得物料装车的排列顺序和装车数量；
(五)控制模块通过步骤(三)获取的车箱长宽信息确定车箱长度方向的中轴线并通过执行机构移动和调整机械臂3使机械臂3长度方向的中轴线投影与所述车箱长度方向的中轴线对齐重合，控制模块记录为起始位置；
(六)控制模块按照步骤(四)中所述的排列顺序向执行机构发送装车指令，通过执行机构驱动机械臂3和下料箱4将物料进行依次装车，直到物料装车数量等于步骤(二)中输入的物料总量信息，控制模块自动停止发送装车指令并自动回到步骤(五)中所述的起始位置。
优选地，如图3-5、7所示，所述步骤(三)中的车箱长宽高信息获取具体为：所述机械臂3带动下料箱4沿着车箱轴线方向做直线水平移动，直到第一传感器201或者第三传感器203传感的距离值等于控制模块设定的安全距离值时停止动作；同时机械臂3带动下料箱4沿竖直方向做直线运动，直到第一传感器201、第二传感器202、第三传感器203和第四传感器204均出现检测距离数据无效时时停止动作，并记录每一个传感器第一次出现传感距离数据无效时第五传感器205所传感的距离值，作为对应车箱侧面的最高栏板高度；
车箱长度值等于所述第一传感器201传感的直线距离、第三传感器203传感的直线距离与下料箱4的宽度数值之和；
车箱宽度值等于所述第二传感器202传感的直线距离、第四传感器204传感的直线距离与下料箱4的长度数值之和；
车箱高度值等于所述第五传感器205传感的直线距离。
优选地，所述排列顺序为物料在车箱中采用横向盛装或者纵向盛装中单层排列物料数量的最大值，逐行逐层堆垛装车且相邻两行物料堆垛之间的堆垛顺序相反进行。
优选地，如图11-12所示，所述步骤(五)中起始位置的确定具体包括以下步骤：
5.1下料箱4首先移动到车箱一端，EPC控制器分别记录该时刻第二传感器202获取的下料箱4距离车箱的直线距离L2和第四传感器204获取的下料箱4距离车箱的直线距离L3；
5.2下料箱4移动到车箱另一端，EPC控制器分别记录该时刻第二传感器202获取的下料箱4距离车箱的直线距离L4和第四传感器204获取的下料箱4距离车箱的直线距离L5；
5.3通过对比ΔL1＝L2-L3与ΔL2＝L4-L5的数值关系获得车箱沿长度方向的中轴线与机械臂3中轴线的投影之间的关系，EPC控制器向第三伺服驱动单元103发出指令调整机械臂3向平行于车箱中轴线方向偏转角度，同时，EPC控制器向第二伺服驱动单元发出指令调整机械臂3向车箱中轴线一侧移动，直到L2-L3，L4＝L5，ΔL1＝ΔL2＝0，此时机械臂3停止动作，EPC控制器将此时位置标记为起始位置。
附图11中所示k1和k2分别为机械臂3在装配同一行相邻两包物料的偏转状态图，R表示机械臂3的长度，即旋转时的半径；O为机械臂3的旋转支点。
优选地，所述步骤(六)中控制模块按照步骤(四)中所述的排列顺序向执行机构发送装车指令，具体包括：
6.1EPC控制器向第三伺服驱动单元103发送旋转指令，同时EPC控制器向第五伺服电驱动单元105发送与第三伺服驱动单元103相同旋转角度，相反旋转方向的指令，直到第三传感器203、第二传感器202或第四传感器204传感距离等于EPC控制器预设的最小安全距离停止任何动作；
6.2EPC控制器向升降机构2发送指令控制机械臂3升降，同时向第六伺服驱动单元106发送指令控制下料箱4横向滚动，且机械臂3升降偏转角度与下料箱4横滚角度方向相反，角度相等，直到第五传感器205传感的直线距离等于EPC控制器预设的下料高度值后停止动作；
6.3EPC控制器向控制电动推板108的伺服单元发送推料指令，直到物料与下料箱4内壁接触；
6.4EPC控制器向控制伸缩气缸107的伺服单元发送送料指令，下料箱4的下料板打开，物料自动落入车箱指定位置；
6.5EPC控制器根据单件物料沿车箱宽度方向摆放的尺寸数据L1计算出摆放同一行下一物料的机械臂3的偏转角度a，计算公式如下：
如图11-12所示，其中，L1为装车物料沿车箱宽度方向的外形尺寸值；
L0为装车物料沿车箱长度方向的外形尺寸值；
O1O为下料箱位于起始位置时，第一传感器的传感距离值；
R为机械臂的长度值；
6.6EPC控制器向第一伺服驱动单元101发送指令，驱动机械臂3沿物料装车顺序的第二行纵向后退L0，并按照第一行的装车顺序的相反方向进行装车，同一行的下一物料的装配偏转角度a的计算方法与步骤6.5相同，直到第一传感器201、第二传感器202或第四传感器204传感距离均等于EPC控制器预设的最小安全距离，停止动作，完成第一层物料安装；
6.7EPC控制器向升降机构2发送上升指令，直到下料箱4的上升高度等于单一物料的外形高度值，升降机构2停止动作；再重复上述步骤6.1-6.6的装配过程，直到实际装配物料数量等于步骤(四)中所述的装车数量时，停止所有动作，完成物料装车。
值得说明的是：当机械臂3带动下料箱4进行升降运动过程中，所述下料箱4在纵向运动的轨迹是以机械臂3为半径所画的圆，由于在物料装车的堆垛过程中，第一层物料与第二层物料的摆放位置和面积都是相同的。因此，当机械臂3从水平姿态向上或者向下运动时，下料箱4的投影与机械臂3的投影距离逐渐减小，同一位置的不同层次的物料应该放在同一位置才能实现装车堆垛的整齐度，因此，需要一个上升或者下降前后的水平距离偏移量的补偿(如图10中的EF线段)。
已知量有线段CE，即等于相邻两层物料之间的直线距离，等于物料的高度，等于下料箱4上升或下降的高度；已知线段OC＝OF＝R＝机械臂的长度；由此可知，
EF2＝(2DF)2-CE2 ④
OD2＝OF2-DF2 ⑤
由上述等式①-⑤可得关系等式：
其中，CE已知，并等于物料外形高度尺寸；
OF已知，等于机械臂的长度R；
根据上述公式⑥可得出线段DF的长度，其中，
根据勾股定理可知
根据公式⑥和⑧可知，线段CE与EF之间的对应关系，故而，当向EPC控制器输入物料的长宽高信息时，EPC控制器可自动根据其物料的高度尺寸根据上述公式⑥和⑧获得EF的长度，并向第一伺服驱动单元101发送纵向回退指令，直到第一位置传感器302读取到移动的直线距离等于线段EF的长度值时停止动作，并按照步骤6.4进行下料，依次类推，逐件物料装车。
同理，当机械臂3需要横向水平移动时，EPC控制器向第二伺服驱动单元102发出向右或者向左移动的指令，假定指令驱动距离为x，当第二位置传感器303读取到实际移动直线距离等于x时，停止移动动作，重复上述步骤6.4进行下料。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动物料装车机械臂控制系统，其特征在于，
包括传感装置：分别安装在机械臂(3)下料端头的下料箱(4)上的四个侧面和底面用于传感装料车辆与所述传感装置的直线距离；
控制模块：与所述传感装置连接的用于接收、对比、运算、记录和控制信号输出；
执行机构：与所述控制模块连接并执行所述控制模块输出的信号；
检测装置：安装在所述执行机构上并与所述控制模块连接，用于反馈所述执行机构的实际位置；
编辑及显示系统：与所述控制模块连接的用于接收、显示和播报人工输入的物料装配信息和设备工作状态信息。
2.根据权利要求1所述的一种自动物料装车机械臂控制系统，其特征在于，所述传感装置包括安装在下料箱(4)靠近所述机械臂(3)一侧的第一传感器(201)、与第一传感器(201)所在面对应面上安装的第三传感器(203)、安装在底部的第五传感器(205)，以及安装在沿物料输送方向左侧的第四传感器(204)和右侧的第二传感器(202)，且上述传感器均为红外线距离传感器。
3.根据权利要求2所述的一种自动物料装车机械臂控制系统，其特征在于，所述执行机构包括用于驱动机械臂纵向来回移动的第一伺服驱动单元(101)、用于驱动机械臂横向来回移动的第二伺服驱动单元(102)、用于驱动机械臂旋转摆动的第三伺服驱动单元(103)、用于驱动下料箱(4)相对于机械臂(3)水平伸缩的第四伺服驱动单元(104)、用于驱动下料箱(4)水平转动的第五伺服驱动单元(105)、用于驱动下料箱(4)横向滚动的第六伺服驱动单元(106)、用于驱动下料箱(4)进行下料的伸缩气缸(107)，以及用于将物料与下料箱基准侧对齐的电动推板(108)。
4.根据权利要求3所述的一种自动物料装车机械臂控制系统，其特征在于，所述检测装置包括用于检测机械臂(3)纵向移动位移量的第一位置传感器(302)和用于检测机械臂(3)横向移动位移量的第二位置传感器(303)。
5.根据权利要求4所述的一种自动物料装车机械臂控制系统，其特征在于，所述控制模块为EPC控制器。
6.根据权利要求5所述的一种自动物料装车机械臂控制系统的控制方法，通过上述控制系统实现物料的自动装车堆垛，其特征在于，具体包括如下步骤：
(一)所述控制系统自检，并在显示系统上显示控制系统状态；
(二)用户通过编辑系统输入物料数据信息，所述物料数据信息包括物料的单个外形尺寸、重量以及所需物料总量信息；
(三)所述机械臂(3)带动下料箱(4)沿着车箱轴线方向做直线水平移动和竖直直线运动，通过传感装置获取的车箱各个位置的长宽高信息获得车箱容积数据并记录在控制模块中；
(四)控制模块通过将步骤(二)中的物料数据信息与步骤(三)中获取的车箱容积数据进行逻辑运算，获得物料装车的排列顺序和装车数量；
(五)控制模块通过步骤(三)获取的车箱长宽信息确定车箱长度方向的中轴线并通过执行机构移动和调整机械臂(3)使机械臂(3)长度方向的中轴线投影与所述车箱长度方向的中轴线对齐重合，控制模块记录为起始位置；
(六)控制模块按照步骤(四)中所述的排列顺序向执行机构发送装车指令，通过执行机构驱动机械臂(3)和下料箱(4)将物料进行依次装车，直到物料装车数量等于步骤(二)中输入的物料总量信息，控制模块自动停止发送装车指令并自动回到步骤(五)中所述的起始位置。
7.根据权利要求6所述的一种自动物料装车机械臂控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(三)中的车箱长宽高信息获取具体为：所述机械臂(3)带动下料箱(4)沿着车箱轴线方向做直线水平移动，直到第一传感器(201)或者第三传感器(203)传感的距离值等于控制模块设定的安全距离值时停止动作；同时机械臂(3)带动下料箱(4)沿竖直方向做直线运动，直到第一传感器(201)、第二传感器(202)、第三传感器(203)和第四传感器(204)均出现检测距离数据无效时时停止动作，并记录每一个传感器第一次出现传感距离数据无效时第五传感器(205)所传感的距离值，作为对应车箱侧面的最高栏板高度；
车箱长度值等于所述第一传感器(201)传感的直线距离、第三传感器(203)传感的直线距离与下料箱(4)的宽度数值之和；
车箱宽度值等于所述第二传感器(202)传感的直线距离、第四传感器(204)传感的直线距离与下料箱(4)的长度数值之和；
车箱高度值等于所述第五传感器(205)传感的直线距离。
8.根据权利要求7所述的一种自动物料装车机械臂控制系统的控制方法，其特征在于，所述排列顺序为物料在车箱中采用横向盛装或者纵向盛装中单层排列物料数量的最大值，逐行逐层堆垛装车且相邻两行物料堆垛之间的堆垛顺序相反进行。
9.根据权利要求6所述的一种自动物料装车机械臂控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(五)中起始位置的确定具体包括以下步骤：
5.1下料箱(4)首先移动到车箱一端，EPC控制器分别记录该时刻第二传感器(202)获取的下料箱(4)距离车箱的直线距离L2和第四传感器(204)获取的下料箱(4)距离车箱的直线距离L3；
5.2下料箱(4)移动到车箱另一端，EPC控制器分别记录该时刻第二传感器(202)获取的下料箱(4)距离车箱的直线距离L4和第四传感器(204)获取的下料箱(4)距离车箱的直线距离L5；
5.3通过对比ΔL1＝L2-L3与ΔL2＝L4-L5的数值关系获得车箱沿长度方向的中轴线与机械臂(3)中轴线的投影之间的关系，EPC控制器向第三伺服驱动单元(103)发出指令调整机械臂(3)向平行于车箱中轴线方向偏转角度，同时，EPC控制器向第二伺服驱动单元发出指令调整机械臂(3)向车箱中轴线一侧移动，直到L2＝L3，L4＝L5，ΔL1＝ΔL2＝0，此时机械臂(3)停止动作，EPC控制器将此时位置标记为起始位置。
10.根据权利要求6所述的一种自动物料装车机械臂控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(六)中控制模块按照步骤(四)中所述的排列顺序向执行机构发送装车指令，具体包括：
6.1EPC控制器向第三伺服驱动单元(103)发送旋转指令，同时EPC控制器向第五伺服电驱动单元(105)发送与第三伺服驱动单元(103)相同旋转角度，相反旋转方向的指令，直到第三传感器(203)、第二传感器(202)或第四传感器(204)传感距离等于EPC控制器预设的最小安全距离停止任何动作；
6.2EPC控制器向升降机构(2)发送指令控制机械臂(3)升降，同时向第六伺服驱动单元(106)发送指令控制下料箱(4)横向滚动，且机械臂(3)升降偏转角度与下料箱(4)横滚角度方向相反，角度相等，直到第五传感器(205)传感的直线距离等于EPC控制器预设的下料高度值后停止动作；
6.3EPC控制器向控制电动推板(108)的伺服单元发送推料指令，直到物料与下料箱(4)内壁接触；
6.4EPC控制器向控制伸缩气缸(107)的伺服单元发送送料指令，下料箱(4)的下料板打开，物料自动落入车箱指定位置；
6.5EPC控制器根据单件物料沿车箱宽度方向摆放的尺寸数据L1计算出摆放同一行下一物料的机械臂(3)的偏转角度a，计算公式如下：
其中，L1为装车物料沿车箱宽度方向的外形尺寸值；
L0为装车物料沿车箱长度方向的外形尺寸值；
O1O为下料箱位于起始位置时，第一传感器的传感距离值；
R为机械臂的长度值；
6.6EPC控制器向第一伺服驱动单元(101)发送指令，驱动机械臂(3)沿物料装车顺序的第二行纵向后退L0，并按照第一行的装车顺序的相反方向进行装车，同一行的下一物料的装配偏转角度a的计算方法与步骤6.5相同，直到第一传感器(201)、第二传感器(202)或第四传感器(204)传感距离均等于EPC控制器预设的最小安全距离，停止动作，完成第一层物料安装；
6.7EPC控制器向升降机构(2)发送上升指令，直到下料箱(4)的上升高度等于单一物料的外形高度值，升降机构(2)停止动作；再重复上述步骤6.1-6.6的装配过程，直到实际装配物料数量等于步骤(四)中所述的装车数量时，停止所有动作，完成物料装车；
所述升降机构(2)上升的高度值与机械臂(3)上升角度的计算公式为：
机械臂(3)上升前后下料箱(4)的投影在车箱纵向位移偏移量的计算公式为：
EF = ( 2 DF ) 2 - CE 2
其中，
CE为物料外形高度尺寸；
OF为机械臂的长度R；
EF为机械臂(3)上升前后下料箱(4)的投影在车箱纵向位移偏移量；
DF为下料箱(4)上升前后移动的直线距离的一半。
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