CN110788856A - 一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统 - Google Patents

一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统，其技术方案要点是，包括码垛机器人、PLC控制模块、红外测距模块、步进驱动模块、气动模块、人机交互模块和电源模块，PLC控制模块与红外测距模块连接，PLC控制模块与步进驱动模块连接，PLC控制模块与气动模块连接，PLC控制模块与人机交互模块连接，红外测距模块实时检测码垛机器人与货物之间距离的信号并传送给PLC控制模块，步进驱动模块驱动码垛机器人运动并进行货物搬运，气动模块为码垛机器人末端提供动力，人机交互模块为码垛机器人提供系统操作的显示终端，电源模块分别为PLC控制模块、红外测距模块、步进驱动模块供电。

Description

一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统。
背景技术
码垛机器人是现代化智能工厂的重要设备，使用码垛机器人能有效提高企业生产效率和保障产品质量。码垛就是按一定的顺序和层次将货物整齐地堆叠好。目前，码垛机器人在饮料、医药和消费品包装等行业中得到了广泛应用。码垛机器人系统形式和结构各不相同，而且传统的码垛机器人具有体积笨重和抗扰性能差的缺点。随着科技的快速发展，社会生产需求对码垛机器人的处理能力和控制性能要求越来越高，码垛机器人控制系统决定其作业性能的好坏，因此，设计一种简单有效的码垛机器人控制系统是非常有意义和具有挑战性的课题。
红外测距技术是利用红外线反射特性和三角测量原理来获取距离信息的，红外测距具有测量速度快、精度高和成本小等特点，所以，红外测距传感器广泛应用于自动报警、机器人路径规划和地形测量等领域。
因此，设计一种结合红外测距传感器的码垛机器人控制系统，通过精确测量码垛机器人与货物之间的距离，实现码垛机器人与货物的准确吸合，所以该系统具有广泛应用前景和推广价值。
发明内容
本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统。
技术效果：考虑每种货物的外包装规格会有所不同，码垛机械手每次所到达的位置也会不同，本方案采用了高精度的红外测距传感器获取码垛机与货物距离，控制器将该距离转化为步进电机的运动角度，实现码垛机械手与货物的准确吸合，避免了因距离过小吸不到货物或者距离过小压坏货物的情况。该系统实现PLC技术、红外传感技术和步进驱动技术的有机结合，结构简单，体积小，成本低廉，具有一定推广应用价值。
本发明进一步限定的技术方案是：一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统，包括码垛机器人、PLC控制模块、红外测距模块、步进驱动模块、气动模块、人机交互模块和电源模块，所述PLC控制模块与红外测距模块连接，所述PLC控制模块与步进驱动模块连接，所述PLC控制模块与气动模块连接，所述PLC控制模块与人机交互模块连接，所述红外测距模块实时检测码垛机器人与货物之间距离的信号并传送给PLC控制模块，所述步进驱动模块驱动码垛机器人运动并进行货物搬运，所述气动模块为码垛机器人末端提供动力，所述人机交互模块为码垛机器人提供系统操作的显示终端，所述电源模块分别为PLC控制模块、红外测距模块、步进驱动模块供电。
进一步的，所述PLC控制模块为Micro850控制器,其具体型号为2080-LC50-48QBB，所述Micro850控制器通过插件、扩展I/O实现所需功能，通过以太网、USB、串口端口进行灵活通信，最多支持3个PTO控制的轴，通过CCW编程软件进行运动轴的组态与控制。
进一步的，所述PLC控制模块接收红外测距模块的输出电压，所述PLC控制模块上连接有模拟量扩展模块。
进一步的，所述红外测距模块为GP2Y02传感器，所述GP2Y02传感器由位置灵敏探测器(PSD)和红外发光二极管(IRED)以及信号处理电路三部分组成，所述红外测距模块将测量出的数据转换为输出对应的电压值，所述GP2Y02传感器的测量范围为15-150，输出电压范围为0.5-5V。
进一步的，所述步进驱动模块为TB6600驱动器，所述TB6600驱动器为四线双极步进驱动器，所述TB6600驱动器的输入电压范围为直流9-42V。
进一步的，所述人机交互模块为2711C-T7T触摸屏，所述2711C-T7T触摸屏与Micro850控制器兼容匹配，其通过虚拟网络计算(VNC)服务器远程监控和配置终端，支持串行通信和EtherNet/IP通信协议。
进一步的，所述气动模块为4V210-06电磁阀作为控制气源的开关状态，所述气动模块上设有真空发生器与真空吸盘，所述4V210-06电磁阀采用CV-15HS发生器作为真空发生器，采用ZPT50HN/S作为真空吸盘。
进一步的，所述电源模块使用2080-PS120-240VAC模块为Micro850控制器、TB6600驱动器、2711C-T7T触摸屏和4V210-06电磁阀提供24V电源，通过电源转换芯片LM2596S降压模块将电源电压由24V降为5V给GP2Y02传感器供电。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中，控制系统中实现可编程控制技术、红外测距技术、步进驱动技术和气动技术的有机结合，开放性好，稳定性高，有一定的推广价值；
(2)本发明中，可通人机交互模块操作界面实现码垛机器人启动、暂定、停止、速度设定等功能，操控方便灵活；
(3)本发明中，整套控制系统对应的硬件结构简单，体积小，适用于多种货物码垛场合。
附图说明
图1是实施例1中基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统结构框图；
图2是实施例1中电源模块原理图；
图3是实施例1中PLC控制模块原理图；
图4是实施例1中步进驱动模块原理图；
图5是实施例1中红外传感器和气动模块原理图。
图中，1、码垛机器人；2、PLC控制模块；21、Micro850控制器；3、红外测距模块；31、GP2Y02传感器；311、位置灵敏探测器；312、红外发光二极管；313、信号处理电路；4、步进驱动模块；41、TB6600驱动器；5、气动模块；51、4V210-06电磁阀；52、真空发生器；521、CV-15GS发生器；53、真空吸盘；531、ZPT50HN/S；6、人机交互模块；61、2711C-T7T触摸屏；7、电源模块；71、2080-PS120-240VAC；8、模拟量扩展模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统，如图1所示，整个控制系统包括：PLC控制模块2、红外测距模块3、步进驱动模块4、气动模块5、人机交互模块6和电源模块7，PLC控制模块2与红外测距模块3、步进驱动模块4、气动模块5和人机交互模块6相连；红外测距模块3用于实时检测码垛机器人1与货物之间距离信号并传送给PLC控制模块2；步进驱动模块4用于驱动机器人关节运动并进行货物搬运；气动模块5为机器人末端提供动力；人机交互模块6为码垛机器人1系统操作显示终端；电源模块7给PLC控制模块2、红外测距模块3、步进驱动模块4提供所需电源。
如图1及图2所示，电源模块7采用2080-PS120-240VAC71模块为Micro850PLC、TB6600步进驱动器、2711C-T7T触摸屏61和4V210-06电磁阀51提供24V电源，通过电源转换芯片LM2596S降压模块将电源电压由24V降为5V给GP2Y02传感器31供电。其中2080-PS120-240VAC71模块为系统提供了足够的额定输出电流和稳定的稳压性能，是一款安全系数高、稳压质量指标高的电源模块7。其中LM2596S降压模块具有可调输出电压范围宽、转换效率高、功耗低、输出电压稳定和过热保护机制，适用于GP2Y02红外测距模块3供电，如图1及图2所示，该模块采用2080-PS120-240VAC71作为系统供电模块，由S1急停开关LAY7-11ZS作为系统急停开关，H1交流指示灯AD16-22D5作为系统供电状态的指示灯，F2两级断路器188-K2D250作为系统的空气开关。2080-PS120-240VAC71作为系统的开关电源为系统的各个模块进行供电，LM2596降压模块输入接入2080-PS120-240VAC71的输出点，通过LM2596降压芯片降为稳定的5V电压为红外测距传感器供电。
如图1及图3所示，PLC控制模块2可采用Micro850控制器21,具体型号为2080-LC50-48QBB,Micro850控制器21可通过插件、扩展I/O实现所需功能，可通过以太网、USB、串口端口进行灵活通信，最多支持3个PTO控制的轴，可通过CCW编程软件进行运动轴的组态与控制，是一款具有控制策略多样、数据实时强、设计环境高度集成的控制器。PLC控制模块2接收红外测距模块3输出电压，Micro850控制器21的本体中无模拟量输入点，可采用2080-IF2模拟量扩展模块8，该模块有两个模拟电压量输入端口和两个模拟电流量输入端口，转换分辨率为12位，输入电压范围为0-10V,输入电流范围为0-20mA，扩展模块具有转换精度高、抗干扰能力强和安装简单等优点。
如图1及图3所示，采用Micro850控制器21作为系统的控制器，由输出端口O-00作为码垛机器人1的连杆驱动器的脉冲输出端口，由输出端口O-03作为码垛机器人1的连杆驱动器的输出方向端口，由输出端口O-06作为码垛机器人1的连杆驱动器的输出使能端口，由O-00、O-03和O-06三个输出端口共同控制码垛机器人1的连杆驱动器，控制码垛机器人1的连杆运动。同理，输出端口O-01作为码垛机器人1的主动臂驱动器的脉冲输出端口，输出端口O-04作为码垛机器人1的主动臂驱动器的输出方向端口，输出端口O-07作为码垛机器人1的主动臂驱动器的输出使能端口，由O-01、O-04和O-07三个输出端口共同控制码垛机器人1的主动臂驱动器，控制码垛机器人1的主动臂运动。同样的，输出端口O-02作为码垛机器人1的腰部驱动器的脉冲输出端口，输出端口O-05作为码垛机器人1的腰部驱动器的输出方向端口，输出端口O-08作为码垛机器人1的腰部驱动器的输出使能端口，由O-02、O-05和O-08三个输出端口共同控制码垛机器人1的腰部驱动器，控制码垛机器人1的腰部运动。
如图1及图3所示，在Micro850控制器21扩展口处接入2080-IF2高精度模拟量扩展模块8，其中VI-1端口接GP2Y02红外测距传感器的输出端，用来接收GP2Y02红外测距传感器的输出电压；COM端用来接0V电压，作为VI-1端口的公共端。
如图1及图3所示，该Micro850控制器21中集成有EtherNet/IP接口，通过双绞线直接与人机交互模块6连接，二者之间的数据的传输遵循EtherNet/IP工业以太网通信协议。
如图1及图3所示，Micro850控制器21的输出端口O-10接4V210-06电磁阀51线圈的24V端口，Micro850控制器21通过控制输出端口O-10的开闭控制气源的开闭，进而控制气动吸盘搬运货物。
如图1及图4所示，步进驱动模块4可采用TB6600驱动器41，该驱动器为四线双极步进驱动器，输入电压范围为直流9-42V,并提供了一种H桥双极恒相流驱动和多种细分、输出电流的解决方案，是一款具有输入电压范围宽、抗干扰能力强、多种保护机制并存的步进驱动器。
如图1及图4所示，该模块的3个TB6600步进驱动器均采用共阴极接法，由24V直流电源供电。其中Q1步进驱动器用来驱动额定电流为2A，保持扭矩为1.4N.m，步距角1.8°的STP-59D3012GA步进电机，用来控制码垛机器人1的腰部运动；Q2步进驱动器用来驱动额定电流为2A,保持扭矩为10N.m，减速比为1：5.1，步距角1.8°的42BYGP48步进减速电机，用来控制码垛机器人1的主动臂运动；Q3步进驱动器用来驱动额定电流为2A,保持扭矩为10N.m，减速比为1：5.18，步距角1.8°的42BYGP48步进减速电机，用来控制码垛机器人1的连杆运动。
如图1及图5所示，人机交互模块6可采用2711C-T7T触摸屏61，2711C-T7T触摸屏61与上述的Micro850控制器21兼容匹配，可通过虚拟网络计算(VNC)服务器远程监控和配置终端，支持串行通信和EtherNet/IP通信协议，提供了安全的可视化解决方案，是一款通信简单、功能强大、编程时间短的触摸屏。
如图1及图5所示，2711C-T7T触摸屏61集成有EtherNet/IP接口，通过双绞线直接与PLC控制模块2连接，接线简单、方便，二者之间的数据的传输遵循工EtherNet/IP工业以太网通信协议。
如图1及图5所示，该触摸屏可通过Connected Components Workbench软件进行控制界面设计，包括码垛机器人1的启动、暂停、停止控制，可实时对码垛机器人1的各电机运行速度进行修改，可直接将各电机的速度典型值作为配方直接下载到触摸屏内存中，也可将PLC控制器所触发的警报信息进行提示并记录。
如图1及图5所示，气动模块5可采用4V210-06电磁阀51作为控制气源的开关状态，可采用CV-15HS发生器作为真空发生器52，可采用ZPT50HN/S531作为真空吸盘53。其中4V210-06电磁阀51具有不易漏气、不易发热和高频次气阀精度的优点。其中CV-15HS发生器具有流量大、吸力大和噪音小的优点。
如图1及图5所示，4V210-06为五通二位电磁阀，P端口接气源输入，B端口接气源输出，气源的开闭由电磁阀线圈控制，0V端口接2711C-T7T触摸屏61的电源0V,24V端口接Micro850控制器21的输出端口O-10。ZPT50HN/S531为气动吸盘，所需的气源为负压，故需通过CV-15HS真空发生器52将气源由正压转换为负压，供气动吸盘吸合货物，实现货物的搬运。
如图1及图5所示，红外测距模块3可采用GP2Y02传感器31，GP2Y02传感器31由位置灵敏探测器311(PSD)和红外发光二极管312(IRED)以及信号处理电路313三部分组成。传感器将测量出的数据转换为输出对应的电压值，测量范围为15-150，输出电压范围为0.5-5V,是一款测量精度高、测量速度快的红外测距传感器。
如图1及图5所示，GP2Y02红外测距传感器由LM2596降压模块输出的5V直流电压进行供电，GP2Y02红外测距传感器的输出接入Micro850控制器212080-IF2高精度模拟量扩展模块8的VI-1端口，将电压信号传送到Micro850控制器21进行数据处理。
2080-IF2模拟量扩展模块8将电压信号转换为数字量，GP2Y02红外测距传感器的测量距离与数字量为非线性关系，可采用数据拟合方式，得出如下关系式：
y＝Ax3-Bx2+Cx-D
其中，A＝7.028*10-8,B＝1.631*10-4,C＝0.1339,D＝28.64，y为实际测量距离,单位为cm，x为PLC读取的数字量。
上述的实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统，包括码垛机器人(1)、PLC控制模块(2)、红外测距模块(3)、步进驱动模块(4)、气动模块(5)、人机交互模块(6)和电源模块(7)，其特征在于：所述PLC控制模块(2)与红外测距模块(3)连接，所述PLC控制模块(2)与步进驱动模块(4)连接，所述PLC控制模块(2)与气动模块(5)连接，所述PLC控制模块(2)与人机交互模块(6)连接，所述红外测距模块(3)实时检测码垛机器人(1)与货物之间距离的信号并传送给PLC控制模块(2)，所述步进驱动模块(4)驱动码垛机器人(1)运动并进行货物搬运，所述气动模块(5)为码垛机器人(1)末端提供动力，所述人机交互模块(6)为码垛机器人(1)提供系统操作的显示终端，所述电源模块(7)分别为PLC控制模块(2)、红外测距模块(3)、步进驱动模块(4)供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统，其特征在于：所述PLC控制模块(2)为Micro850控制器(21),其具体型号为2080-LC50-48QBB，所述Micro850控制器(21)通过插件、扩展I/O实现所需功能，通过以太网、USB、串口端口进行灵活通信，最多支持3个PTO控制的轴，通过CCW编程软件进行运动轴的组态与控制。
3.根据权利要求2所述的一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统，其特征在于：所述PLC控制模块(2)接收红外测距模块(3)的输出电压，所述PLC控制模块(2)上连接有模拟量扩展模块(8)。
4.根据权利要求1所述的一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统，其特征在于：所述红外测距模块(3)为GP2Y02传感器(31)，所述GP2Y02传感器(31)由位置灵敏探测器(311)（PSD）和红外发光二极管(312)（IRED）以及信号处理电路(313)三部分组成，所述红外测距模块(3)将测量出的数据转换为输出对应的电压值，所述GP2Y02传感器(31)的测量范围为15-150，输出电压范围为0.5-5V。
5.根据权利要求1所述的一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统，其特征在于：所述步进驱动模块(4)为TB6600驱动器(41)，所述TB6600驱动器(41)为四线双极步进驱动器，所述TB6600驱动器(41)的输入电压范围为直流9-42V。
6.根据权利要求1所述的一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统，其特征在于：所述人机交互模块(6)为2711C-T7T触摸屏(61)，所述2711C-T7T触摸屏(61)与Micro850控制器(21)兼容匹配，其通过虚拟网络计算（VNC）服务器远程监控和配置终端，支持串行通信和EtherNet/IP通信协议。
7.根据权利要求1所述的一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统，其特征在于：所述气动模块(5)为4V210-06电磁阀(51)作为控制气源的开关状态，所述气动模块(5)上设有真空发生器(52)与真空吸盘(53)，所述4V210-06电磁阀(51)采用CV-15HS发生器作为真空发生器(52)，采用ZPT50HN/S(531)作为真空吸盘(53)。
8.根据权利要求1所述的一种基于红外测距传感器的码垛机器人控制系统，其特征在于：所述电源模块(7)使用2080-PS120-240VAC(71)模块为Micro850控制器(21)、TB6600驱动器(41)、2711C-T7T触摸屏(61)和4V210-06电磁阀(51)提供24V电源，通过电源转换芯片LM2596S降压模块将电源电压由24V降为5V给GP2Y02传感器(31)供电。
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