自动化搬运系统(通用7篇)
自动化搬运系统 篇1
随着电子技术和机电一体化技术的迅速发展, 关于智能电动车和机器人的研究也就越来越受人关注。本设计就是在这样的背景下提出的。要求设计的自动搬运小车应该能够实时显示时间, 具有自动寻迹、可程控行驶、准确定位停车和搬运小物体功能。
总体思路是采用如下方案:在现有玩具电动车或自制小车的基础上, 加装寻迹传感器, 金属探测器实现对电动车的速度、位置、运行状况实时测量, 并将测量数据传送至单片机进行处理, 然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制, 控制灵活、可靠, 精度高, 可满足对系统的各项要求。
设计出自动搬运车系统框图。单片机是控制核心, 采集信息后分析、判断发出控制信号;黑线识别电路提供寻迹信息;货物识别电路提供货物信息;驱动和电机控制电路依照单片机发出的信号控制电机的转动, 从而达到对小车的行驶控制;货物搬运电路按单片机指令提起或放下所搬运的物体;电源电路为以上各电路供电。
复位电路的基本功能是:系统上电时提供复位信号, 使单片机在系统电源稳定后从初始状态启动工作。
由于MSP430F449芯片具有极低的功耗, 如果C3电容过大, 当系统断电后立即上电, 则系统中电容所存储的电荷来不及释放, 此时系统电压不会下降到最低复位电压以下, 因而MSP430F449芯片不会产生上电复位, 同时RST/NMI管脚上也没有足够低的电平使MSP430F449芯片复位。这样, 系统断电后立即上电, MSP430F449芯片并没有被复位。为了解决这个问题, 可增加一个二极管, 这样断电后储存在复位电容中的电荷就可以通过二极管释放, 从而加速电容的放电。
1 LCD显示电路设计
MSP430F44x系列单片机片内包含了液晶驱动模块。使用MSP430F449驱动LCD时, 采用最多的是4MUX模式。4MUX模式是指LCD带有4条COM线, 一条段线可驱动4段液晶。
2 信号采集电路设计
小车在搬运货物时必须沿着预先设计好的黑色轨迹行驶, 因此寻迹方法非常关键。本设计轨迹寻迹方法采用红外反射式光电传感器, 它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管。由于采用红外发光管代替普通可见光发光管, 可以降低环境光源干扰。发射管发出一定光强的红外信号, 光敏管接收反射的红外信号, 其寻迹的工作原理是:发射管两端有固定的电压, 发出的光强基本恒定, 而白纸与黑线对光的反射效果不同, 因此接收管在同一光强上表现的吸收效果就不同, 从而表现出反向电流有较大变化, 导致与其串联的电阻两端电压出现明显变化。为消除背景光干扰, 使用两个传感器输出的电压值做比较, 就可以得出传感器是否在黑线上, 达到寻迹的目的。主控制器依据该信息来确定黑线位置和电动小车的行走路线。
对于不同颜色, 光电传感器测得电压差很小。因此, 使用光电探测电路分辨物体颜色, 必须消除背景光干扰。本设计利用电磁铁先吸起物体, 挡在探测器遮光罩前端遮住背景光, 然后红外对管对铁片的颜色进行判断。不是所选物体, 放下;是所选物体, 电磁铁继续吸合铁片, 小车带着铁片行进。当小车来到仓库前, 金属探测器会检测到仓库前的预埋铁片, 判断出经过的是哪一个仓库, 从而决定是放下铁片还是带着铁片继续行进[1]。
3 驱动电路设计
L293D是驱动直流电机专用芯片, 内含双H桥电路。光电隔离器在传送信号同时实现了电平转换, 将高电压 (6~9V) 电机驱动电路与低电压 (4.5V) 单片机电路隔离, 消除了干扰。两电路地线标志不同, 焊接时不能连接。
4 MSP430F449定时器产生PWM信号原理
4.1 定时器功能
定时器A具有多种功能, 但基本结构是一个十六位计数器, 由时钟信号驱动。具有如下特性:
1) 输入时钟可以有多种选择, 可以是慢时钟, 快时钟以及外部时钟。2) 虽然没有自动重载时间常数功能, 但产生的定时脉冲或PWM (脉宽调制) 信号没有软件带来的误差。3) 不仅能捕获外部事件发生的时间, 还可选择触发沿 (由上升沿或下降沿触发) 。
定时器A功能模块主要包括:1) 计数器部分;2) 捕获/比较器;3) 输出单元。
4.2 声音提示装置电路
电磁继电器吸附铁片后报警电路导通, 蜂鸣器鸣响, 持续一分钟后停止。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器, 采用直流电压供电, 广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后 (1.5~15V直流工作电压) , 多谐振荡器起振, 输出1.5~2.5k HZ的音频信号, 阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
5 结论
本设计采用MSP430F449单片机为控制核心, 此单片机片内外设功能相对比较多, 超低功耗。黑线寻迹的光电传感器采用不调制的反射式红外发射-接收器。由于采用红外管代替普通可见光管, 可以降低环境光源干扰, 在红外对管外套上了黑色的胶皮套进一步降低了环境光的干扰。搬运识别模块采用电磁吸附, 与常见的抓、叉比较, 电磁吸附用时短, 效果好。
信号采集处理, 在规划的赛道实现电机和搬运识别装置的控制, 在运行过程通过LCD显示货车的总运行时间和各物件的运送时间, 整个寻迹过程可顺利吸附、放置金属铁片。行走过程具有声音提示功能。
参考文献
[1]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2000.
自动化搬运系统 篇2
(1) 对小车运动轨迹设计采用红外发射接收探头检测路面寻迹线, 从起始线出发, 自动将物体按设计好的轨迹线逐一运送到库房内, 运行的时间应力求最短。
(2) 小车运送物体到达库房时, 把物体放到库房挡板线以内。
1 系统方案设计、比较与论证
本文主要设计一辆带有机械手的智能电动小车, 采用轮式结构以减少制造成本。能够实现把物体放入库房内, 同时对搬运过程中自动记录、显示每一次往返的时间和总的行驶时间。为完成相应功能, 系统可以划分为以下几个基本模块:单片机最小系统模块、舵机驱动模块、步进电机驱动模块、液晶显示模块、转向指示模块、声音提示模块。
2 车体设计
制定了左右两轮分别驱动, 车尾安装牛眼轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流步进电机进行驱动, 车体尾部装两个牛眼轮。这样, 当一个直流步进电机转动另一个不动时就可以实现机器人的旋转, 由此可以轻松的实现机器人的90度和180度的转弯。在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时, 左右两驱动轮与后万向轮形成了四点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳, 可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移, 车尾的牛眼轮还起支撑作用。
对于车架材料的选择, 我们经过比较选择了有机玻璃。用有机玻璃做的车架比塑料车架更加牢固, 比铁制小车更轻便, 美观。
3 智能小车控制系统的总体设计
控制器模块采用宏晶公司的STC12C5A32S2单片机作为控制器的方案。该单片机I/O资源丰富, 并具有两路PWM, 可以很容易的控制两个舵机;寻迹线探测与寻木探测模块
集成式GP2A25反射式光电传感器。它具有集成度高、工作性能可靠的优点, 只须要调节探头与被测物之间的距离达到1.5cm就可, 此种探头还能有效地防止普通光源 (如日光灯等) 的干扰;电动机选择采用旧打印机拆机的步进电机控制机器人的运动, 由于其转过的角度可以精确的定位, 可以实现小车前进路程和位置的精确定位。当不给步进电机发送脉冲的时候, 能实现自锁, 从而能较好的实现小车及时停车的目的;电机驱动模块采用专用芯片L298作为电机驱动芯片。L298是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片, 它相应频率高, 一片L298可以控制一个步进电机, 而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动, 操作方便, 稳定性好, 性能优良;舵机驱动模块采用三极管驱动电路, 单片机I/O口只需要控制三极管的集极来控制三极管的导通或是截止, 来给驱动舵机;显示模块用LCD1602液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点;电源模块采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6 V给步进电机供电, 然后将12.6V电压再次降压5v、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足, 并且可以充电, 重复利用, 体积小巧, 便于安装到机器人;供电模块消耗的功率过大, 采用2576将电压稳至5V。2576的输出电流最大可至3A, 完全满足系统要求。经过反复论证, 最终确定了如下方案:
(1) 车体用有机玻璃车架手工制作。
(2) 采用宏晶STC12C5A32S2单片机作为主控制器。
(3) 用GP2A25型光电对管进行寻迹与寻木块。
(4) L298作为步进电机的驱动芯片。
(5) 用9013三极管作为舵机的模块
(6) 用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6 V给步进电机供电, 将12.6V电压经2576降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。
4 硬件设计与软件流程
寻迹线探测电路采用型号为GP2A25P2A25反射式光电传感器, 该探头输出端只有三根线 (电源线、地线、信号线) , 只要将信号线接在单片机的I/O口, 然后不停地对该I/O口进行扫描检测, 当其为底电平时则检测到路面, 当为高电平时则检测到运动轨迹线。搬运机器人前进时, 始终保持运动轨迹线在车头两个传感器之间, 当搬运机器人偏离轨迹时, 探测器一旦探测到有轨迹线, 单片机就会按照预先编定的程序发送指令给搬运机器人的控制系统, 控制系统再对搬运机器人路径予以纠正。当搬运机器人回到了轨道上时, 搬运机器人车头两个探测器都只检测到路面, 则搬运机器人继续直线行走, 否则搬运机器人会持续进行方向调整操作, 直到搬运机器人恢复正常。
寻木块探测电路采用型号为GP2A25P2A25反射式光电传感器, 该探头输出端只有三根线 (电源线、地线、信号线) , 只要将信号线接在单片机的I/O口, 然后不停地对该I/O口进行扫描检测, 当其为高电平时则检测到物体, 当为底电平时则检测没有检测到物体, 搬运机器人再前进时探头始终寻找物体, 当搬运机器人寻物探头探测到物体时, 单片机就会按照预先编定的程序发送指令给搬运机器人的机器手夹持物体。
步进电动机驱动电路如图所示该驱动动电路J2接单片机I/O口进行向L298输入脉冲, J3接步进电机的线上L298输出地脉冲来驱动步进电机转动或停止。
5 结束语
本文对智能小车的硬件及软件进行分析设计, 并且通过使用Pro/E三维软件对车体的设计。通过测试, 系统完全达到了设计要求, 不但完成了基本设计要求, 并增加了全路程记时、每次往返时间和全程时间显示和语音提示, 转向时转向灯显示三个创新功能。
参考文献
[1]赵健领.51系列单片机开发宝典[M].北京:电子工业出版社, 2007.
自动搬运机器人 篇3
木块运送到达库房时, 应能堆放到库房档板20cm线以内;如果不能全部运入库房, 记录木块距离20cm线的最大距离, 根据此距离将分档扣分。用秒表记录整个搬运时间。
发挥部分:自动记录、显示每一次往返的时间 (记录显示装置要求安装在机器人上) 和总的行驶时间。
木块运送到达终点库房时, 应能够整齐排列堆放到库房挡板10cm线以内, 3个木块的左右边线应尽量对齐, 记录偏差尺寸。
一、系统设计
1.主控制器及行进电机控制电路的设计
由于设计系统中所需采集的数据数量较少, 因此采用STC89C52单片机作为主控制器的芯片。电机控制电路主要采用L298N驱动芯片。工作中, 将单片机四个输入输出I/O口提供的信号送到L298N的控制端, 改变控制信号的占空比和极性就能实现控制小车的速度和方向。电路如图1所示。
2.感知部分的设计
设计系统中, 车身上安装的7个红外避障传感器 (车身右侧中下部安装一个, 中上部两侧各安装一个, 车头前面安装两个, 车头左右各安装一个) 和机械手上安装的一个RPR220光电对管组成感知部分 (见图2) 。
3.机械手电路的设计
为使机械手抓取木块动作准确、可靠, 在机械手设计中选用了三台电机, 其中两个步进电机分别控制机械手指左右张角和机械手抬起, 舵机控制机械手左右偏移角度。当抓取木块时, 首先机械手张角缩小使其抓住木块, 再由另一个步进电机控制机械手将木块抬起。当机器人进入仓库放下木块时, 舵机将控制木块的左右摆放顺序。
工作中, 利用两个ULN2003驱动芯片分别为两个步进电机提供驱动电流。主控制器单片机需为ULN2003驱动端提供频率和方向不同的脉冲信号, 实现控制步进电机的转速和转向。舵机的控制不需要专用驱动芯片, 只需单片机给其信号即可实现控制。电路如图3。
二、工作原理
在位置1处, 小车 (机器人) 开始倒车行进。如果没有探测到木块则从位置1向位置2方向不断运动, 一旦右侧传感器探测到木块即小车到达位置2, 小车将右转直至车体前面两个传感器同时探测到木块, 证明小车左右正对准木块, 小车前进。当机械手臂抓取部分传感器探测到木块经控制器单片机数据处理、判断前后正对准木块时停车, 并抓取木块,
然后左转一定角度后前进。当小车右侧寻仓库传感器探测到仓库即小车到达位置1和3之间时, 小车右转一定角度后, 通过小车左右两端的传感器检测, 控制器单片机数据处理、判断保证小车沿直线进入仓库, 当车前面的两个传感器探测到车库两侧的墙时停车, 卸下木块, 再倒车返回位置1附近后重复上述动作, 再将另外两个木块运送进仓库。实物图见题图。
三、软件设计
依据任务要求, 编制系统的工作程序流程图 (见图5) , 程序利用C语言编写实现。
四、系统测试
1.测试仪器
秒表、梯形尺、三角尺等。
2.测试方法
当小车开始运动时计时, 每运完一只木块记录一次时间, 最后累计三只木块搬运时间和。最后, 和小车上液晶显示的单次和总时间进行对比, 并用梯形尺和三角尺测量木块最后点距离十厘米库区线的距离, 即判断木块是否完全进入十厘米库区内。
3.测试数据
测试结果表明 (见表1) , 小车不但完成了基本任务, 还达到了发挥部分的要求。
4.误差分析
木块搬运进入库区程度和小车行进时间有所不同, 究其原因是小车有时并不能完全直线行走, 略微有点跑偏, 导致小车行走路线并不完全一致, 当探测到木块或者仓库时, 纠正方向的时间和进库的角度都略微有一定变化, 经分析小车跑偏原因可能有三个:
1) 小车的两个轮子的齿轮磨合程度有差异, 车轮外径有误差, 导致直线运动时两轮的线速度有差异。
2) 因为小车上装置比较多, 重心不在中心, 两个轮子负载不同, 导致小车跑偏。
3) 由于小车测试时震动颠簸, 各个连接线接口瞬间接触不良导致两个驱动电机供电不同。
五、设计总结
本作品以STC89C52单片机为核心部件, 以各个功能部分的传感器的反馈信号为依据, 配合一套完整的程序, 实现了小车对木块和车库的精确定位, 进而实现将木块搬运进库。在设计中我们尽量采用低功耗器件, 力求硬件电路的经济性和精简性, 充分发挥软件控制灵活方便的特点, 来满足设计要求, 并最终完成任务要求。
自动化搬运系统 篇4
本文设计的智能小车是一种集实时采集传感器信号,智能分析外部环境、路径信息,自动方向控制及速度调节等技术的自动设备。本系统设计的智能小车具有图形识别能力,能自动识别三角形(▲)、圆形(●)、正方形(■)和十字形(╋)标志,并将该尺寸为(8cm×8cm×8cm)的立方体搬起,运送到指定地点。而且,要求小车以最快的速度和最高的精度完成以上功能,此外,由于立方体任意放置,搬运顺序不限,还要求小车具有最优路径选择的能力。
2. 方案设计与论证
本设计主要实现小车在限定的区域内用自设的路线循迹完成立方体的搬运,并能显示走过的路径长度、时间和路径示意图。据此提出系统方案,其系统方案框图如图1所示。为实现各模块功能,针对关键模块提出了几种设计方案并进行论证。
2.1 电机的选择与论证
方案1:采用直流电机。直流电机具有最优越的调速性能,主要表现在调速方便(可无级调速)、调速范围宽、低速性能好(起动转矩大、起动电流小)、运行平稳、噪音低、效率高等方面。
方案2:采用步进电机。步进电机具有控制简单、定位精确、无积累误差等优点。但它在运行时噪音大、高速扭矩小、启动频率低、价格较高。
方案选定:基于上述比较,为了方便地对电机进行无级调速,节约成本以及需要电机带负载能力强的特性,故本设计采用方案1。
2.2 电机驱动方案的选择与论证
方案1:采用继电器对电动机的开和关进行控制,通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单,实现容易;缺点是继电器的响应速度慢、机械结构易损坏、寿命较短[1]。
方案2:采用H型脉冲宽度调制(PWM)全桥式驱动电路。通过PWM脉宽调制的方法,实现对小车速度的控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大,能承受频繁的负载冲击,还可以实现频繁的快速启动、制动和反转等优点,是一种广泛采用的调速技术。H型全桥式电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制。这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行,分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。为了电路设计简单,采用电机专用驱动芯片L298N,其驱动电流大,瞬时电流最高可达2A,为电机驱动专门设计,工作稳定可靠。
方案3:采用DSP芯片,配以电机控制所需要的外围功能电路,通过数控电压源调节电机运行速度,实现控制物体的运动轨迹。该方案优点是体积小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。但系统软硬件复杂、成本高。
方案选定:综合三种方案的优缺点,基于上述理论分析和实际情况,本设计选择方案2。
2.3 寻迹模块的选择与论证
在本设计中,要求电动小车沿着路面的黑色轨道行驶。其探测路面黑线的基本原理:光线照射到路面并反射,由于黑线和白纸对光的反射系数不同,可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。利用这个原理,可以控制电动小车行走的路迹。下面三种方案是根据本原理设计的。
方案1:由可见光发光二极管与光敏三极管组成的发射-接收电路。该方案成本较低,易于制作,但其缺点在于周围环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰,一旦外界光亮条件改变,很可能造成误判和漏判;如果采用超高亮发光管和高灵敏度光敏管可以降低一定的干扰,但又将增加额外的功率损耗。
方案2:利用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时,光线反射强烈,光线照射到黑线上面时,光线反射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时,阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大,不能够稳定的工作。
方案3:采用反射式红外线光电传感器。红外探测法,即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点[2]。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射,反射光被装在电动小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收,电动小车上的接收管接收不到红外光。单片机根据是否收到反射回来的红外光来确定黑线的位置,从而控制小车的行走路线。采用红外线发射,外面可见光对接收信号的影响较小,再用射极输出器对信号进行隔离。红外线光电传感器的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小。它的外围电路简单。
方案选定:综合比较三种方案,方案3易于实现,也比较可靠,故本设计采用方案3。
2.4 图形识别模块的选择与论证
方案1:采用320线的线阵型CCD摄像头作为图形识别传感器,它以隔行扫描的方式采集图像上的点,当扫描到某点时,通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值,然后将该电压值通过视频信号端输出。当扫描完一行时,视频信号端输出一个低于最低视频信号电压的电平,即行同步脉冲,它是扫描换行的标志。摄像头输出的PAL制式模拟信号必须经过视频分离电路分离后,才能得到单片机可以处理的图像采集信息,然后利用采样图像中各点的电压值,就可以判断出图形的形状[3]。该方案的优点是探测的距离足够远,能探测的信息量也足够多。但是该方案所用到的视频分离电路复杂,需要对大量图像信息进行数据处理,对控制器的要求比较高,成本相对也比较高。
方案2:采用反射式红外传感器[4]阵列。通过红外发射管发射红外线光照射物体表面,物体表面与图形具有不同的反射强度,利用红外接收管可以检测到这些信息,再通过编写程序利用检测到的信息来判断图形的形状。此方案简单易行程序调试也简单且成本低廉。
方案选定:本设计的寻迹模块也采用的反射式红外传感器,为了图形识别实现方便和节约成本,故本设计采用方案2。
2.5 搬运模块的选择与论证
方案1:采用舵机制作机械手来实现立方体的搬运。机械手原理简单,可行性高,但是稳定的机械手加工复杂,舵机的控制也相对较难,需要占用微处理器的定时/计数器。
方案2:采用吸盘式电磁铁吸引带有小铁块的物立方体。就本题目来说,该方案控制简单,操作方便,加工也容易,而且能为图形的识别提供可靠的识别环境。
方案选定:综合比较两种方案,为了图形识别的方便,本设计选用方案2。
2.6 无线通信模块的选择与论证
方案1:采用用DF无线数据收发模块。DF超再生式接收模块通讯方式为调频AM,接收灵敏度高,抗干扰能力强,但是其数据传输量较小,而且需要对数据编解码,增加了设计复杂度。
方案2:采用nRF24L01模块。nRF24L01是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的无线单片收发芯片,编程很方便,实际传输距离在50-80米左右。
方案选定:综合比较以上方案,方案2易于实现,也比较可靠,故本设计采用方案2。
3. 理论分析
3.1 场地循迹路线的规划
根据题目给出的仓储场地示意图,为了循迹方便,让所走的路径尽可能的短。我们设计出了如图2所示的场地路线图。
在图2中的黑线为搬运小车的循迹路线,通过这个路线,小车可以去到图中存放立方体的任何位置。
3.2 最优路径的选择
根据图2所示的仓储场地路线示意图,将各个立方体的存放位置和路口坐上标记,如图3所示。
最短路径问题是图论研究中的一个经典算法问题,旨在寻找图(由结点和路径组成的)中两结点之间的最短路径。常用的路径规划方法有很多种,例如人工势场法、遗传算法等。其中人工势场容易出现振荡和陷于局部极小,因此难以得到最优的规划路径。遗传算法具有较好的寻优能力,但实际使用时容易出现早熟收敛现象。
根据要求,小车从起始点出发,将4个立方体依次运送到指定地点即可。虽然立方体的摆放顺序是任意的,但放置地点固定。因此,一旦识别出立方体的摆放顺序,那么立方体到各放置点的距离、小车到各个立方体和放置点的距离均是确定的。根据题意,上述问题可以描述如下:设有n个地点,小车从起始点出发到其他每个地点一次且仅是一次,问如何选择行走的路线,使小车走过的总路径最短?
为此,建立如下数学模型:小车从起始地点1
表示由地点1到地点i的中间地点集合,S表示到达地点i之前中途所经过的地点的集合。因此可选取(i,S)作为描述小车行进过程的状态变量,决策为由一个地点走到另一个地点,并定义最优值函数fk(i,S)为从地点1开始经由k个中间地点的S集到地点i的最短路线的距离.。由于n较小,因此可以采
其中k=1,2,…,n-1;i=2,3,…,n;dji为地点i到地点j的距离;边界条件为f0(i,Φ)=d1i。
由动态规划的最优性原理可知,一个最优策略的子策略总是最优的。所以从k=1到k=n-1逐个阶段求最优策略,最终得到的解即为小车的最优路径。根据图3所给出的路线图,我们统称1、2、3、4号位置为仓库位置,A、B、C、D四个位置为目标物处,由此可以知道,从任一出发位置到任一目标物位置的路径唯一确定,反之亦然。因此,要求最短路径即是确定小车去向。从目标物位置回到仓库位置是由题目确定的,我们唯一能选择的只有从仓库位置去到哪一个目标物处。基于以上分析,我们设计出路径选择策略:小车在仓库位置时,若其对面的位置上的立方体没有被搬走,则小车去其对面的位置。反之,则选择邻近的目标物处。我们设定在选择邻近目标物位置出现路径长短相同时,优先选择左边的目标物处。
3.3 图形识别
图形识别模块在本设计中起着至关重要的作用,其识别正确与否直接影响到小车搬运的正确与否。本系统场景设置比较单一,图形信息较为规则,故可以将黑色图形绘在白底的立方体上,采用提取特殊位置的反射强度,综合后判断图形的形状。图形识别传感器位置设置如图4所示。
由图可以很容易的知道:若假定传感器检测到反射信号,则为1,反之,则为0。故有如下判定:
(1)若ABCD为1111,则检测到的图形为正方形(■);
(2)若ABCD为0111,则检测到的图形为圆形
(3)若ABCD为0011,则检测到的图形为三角形(▲);
(4)若ABCD为0010,则检测到的图形为十字形(╋)。
4. 系统的硬件设计
系统硬件框图如图5所示,主要包括电源模块、H全桥式驱动电路、nRF24l01无线模块、图形识别模块、循迹模块、搬运模块、显示模块七个部分。其中显示模块完成如下功能:通过nRF24l01无线模块接收从小车上发来的路径、里程等信息,经W79E227微处理器处理后利用串口发送到上位机上进行显示。
寻迹模块和图形识别模块,我们采用反射式光电对管,其输出接比较器,由地面或立方体表面反射状况的不同而输出1,0信号予以反馈。其电路连接如图6示。
H全桥式驱动电路用一片L298N可控制两个直流电机,我们用PWM输出来调制车速,且为了防止电机模块对前级的干扰,我们加了光电耦合级,电路连接如图7示。
5. 系统的软件设计
由于本系统的功能复杂,因此不但硬件电路复杂同时也需要很强的软件系统支持。本系统软件包含三个部分:小车控制软件、显示模块上的通行转换软件、上位机上的显示软件。其中小车控制软件流程图如图8所示。
6.总结
本文采用了特征提取的图形识别方案,大大提高了图形识别的难度。应用遗传算法,采用基于动态规划的路径规划技术,提高了小车的路径规划效率。采用数字PID控制算法,提高了小车的控制精度。系统反复测试,性能良好,实物如图9所示。智能仓储搬运系统为智能机器人系统设计提供了有力的技术支持,对系统将做进一步研究,它将有着广泛的市场应用前景。
摘要:以Winbond生产的W79E227作为控制系统的核心,通过对直流电机驱动、红外引导、图形识别、无线通讯、显示等模块的软件编程,设计了一个能够实现以最优路径、最快速度、最高精度自动搬运仓储物体,并能显示走过的路径长度设计了一个能够实现以最优路径长度、时间及示意图的智能小车。
关键词:自动化,红外光电传感器,图形识别,无线传输
参考文献
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自动化搬运系统 篇5
一、项目简介
该项目中的库区如图1所示,总共有三库区,每一层库区为80m×60m×4.3m,总共约4000个货位,共8台AGV,为24小时工作制。一天可入库成品托盘约500盘,同时完成7个小时内353成品托盘的出库任务。AGV该项目中主要用于成品托盘的高效率双层入库与出库。
工作流程包括:
1. 成品入库
各品牌成品通过机器手码至成组托盘,数据库进行信息计算统计后,将指令下达给AGV系统,AGV系统指定某台AGV在入库口取货后,送入相应区域进行精确双层码垛存放。
2. 空托盘供给
空托盘组存放在固定区域,当入库需要时,AGV将其送到空托盘组的上线站台,经输送到空托盘拆分机处拆为单个托盘后,自动送到成品码垛工位,供成品码垛使用。
3. 成品出库
管理调度系统根据发货单生成出库任务,AGV将相应品牌成品托盘调出,一楼库区的成品托盘直接由AGV送至指定出库口;二楼与三楼库区的成品托盘需送到往复提升机处,待其到达一楼库区成品托盘出库口后,继续由AGV运至指定出库口进行出库。
4. 空托盘返库
发货后产生的空托盘经码垛后,在非出库时间段由AGV取出并经由往复提升机送到二楼库区,再经AGV送到空托盘组存放区;如入库需要,则直接送到空托盘组上线站台,供入库使用。
二、AGV在项目中的应用
1. AGV技术指标(见表1)
2. AGV安全系统
为确保AGV在运行过程中的安全,特别是现场人员及各类设备的安全,AGV采取如下多级安全保护措施
软件保护:偏离导航线保护、导航丢失保护、部件故障保护、通讯故障保护、超差保护和失速保护等。
硬件保护:在AGV前进和后退方向上设有非接触式激光防碰传感器;前部有接触式保险杠作为最后的安全防护装置;AGV周边设有多个急停开关,任何时候按下开关,AGV会立即停止运行。
AGV设有报警提示装置,包括状态提示、运行提示、异常停车提示等,同时AGV根据不同提示采用不同的声光报警,并且通知AGV监控系统,操作人员即可将发生故障的AGV使用手控操作器,操作AGV至安全位置
3. AGV控制系统(见图2)
AGV上位控制系统包括地面控制和图形监控系统,采用集中调度管理方式,统筹调度所有AGV,并统一交通指挥,避免AGV间相互碰撞。现场AGV的数量可自由增减根据生产管理系统下达运输任务,按AGV效率最高原则选择
AGV,被选中的AGV根据命令完成成品托盘的输送。任务完成后,AGV通知控制台完成情况,并回到待命位置,等待下一次任务
AGV控制台前有屏幕图形显示系统,显示所有AGV的即时位置及状态,如AGV的运行状态、等待状态、充电需求、充电状态、手动状态、路径堵塞、停止状态等。一旦AGV出现故障,操作和维修人员能够通过AGV的故障诊断系统及时准确地查找故障原因,并及时排除。
如果需要,操作人员还可在控制台上完成手动下达临时任务、修改参数、上传下载相应信息、查看事件日志等操作
三、项目中的技术难点
1. 成品托盘的双层码垛
为了满足平库模式的库存量要求,在有限平面内,由AGV系统来实现成品托盘的单层存放是远远达不到库存需求的,所以要采用成品托盘双层码垛的方法来满足库存需求
成品托盘的双层垛位的高度为3.9m,而每层楼的高度为4.3m。AGV如果使用标准的激光导航方式,双层货位会将激光定位用的反光板遮挡,AGV无法实现准确定位;如果使用磁导航方式,那么埋设磁钉的工作量是相当巨大的。
在这种环境下,项目规划方采用了混合导航方式来实现成品托盘的双层码垛,即主干道使用激光导航,货位区域内部使用电磁导航方式,通过路径属性和AGV本身的程序来选择切换导航方式
2. 混合导航及其定位精度
单纯的激光导航或磁导航,都是独立完整的导航体系,其定位精度也是相对独立准确的。既然采用了激光与磁混合导航,该如何保证混合导航下的AGV定位精度呢?
首先,要以激光导航坐标为基准建立基准坐标系,在这个坐标系中选择激光导航与磁导航的交汇点为基点进行切换,并且按照基准坐标系的相对距离去调整磁导航的距离,进而达到激光导航与磁导航两者坐标系的优化融合,使混合导航的定位精度满足项求,保证成品托盘的双层码垛工作的准确与稳定。
3. 高效率的出入库任务
该项目中24小时入库500成品托盘,而第二天要在7小时内完成约350成品托盘的出库任务由于库区面积大、路线复杂、AGV数量有限,如何在保证正常入库的同时高效率完成出库任务,是此项目中遇到的一大难题最终的处理方法如下:
(1)AGV的高效分配
经过计算与实际工作测试,将AGV配置为:一楼库区4台,二楼库区2台,三楼库区2台。在白天7小时中同时存在出、入库任务,二楼2台AGV保证正常入库任务,且生产出的成品托盘均存放在二楼;一楼4台AGV与三楼2台AGV在这期间同时完成出库任务,一楼AGV按要求将一楼不同区域内的成品托盘送至3个出库口处(如图1),三楼利用提升机B将三楼的成品托盘送至一楼,再由一楼的AGV在一楼的提升机B处取出送至出库口。一楼与三楼出库数量按照5:3的比率分配,此外还需要根据成品托盘存放的远近距离经过计算使一楼和三楼同时下达出库任务。在完成白天出库任务后,二楼存入的成品托盘会通过AGV与提升机转运至一楼,其他入库任务经过设定按照成品总量的5:3比率分配入库至一楼和三楼,以便第二天继续出库。这样可以保证6台AGV的最高效率运行。
(2)提高AGV运行速度
将该系统设定AGV直线速度为90m/min,后退与弯道速度控制在36m/min左右,AGV采用交流行走电机和交流伺服驱动器,可以更加高速稳定地完成连续无间断运行。
(3)合理完善避碰系统
该AGV系统路线错综复杂,交汇点多,而且在每个区域内相邻货位间AGV的距离只有150mm,在完成出库任务时,AGV会集中于一个区域内取成品托盘,这就需要精确计算出局部区域内相干涉路线的合理距离以及优先关系,以便既可以保证AGV安全运行,同时也可以防止AGV相互往复避让而影响工作效率。
(4)保证充电效率
AGV的充放电比率为1:6,也就意味着在这7小时中,每台AGV至少需要充电6次,而三层库区每层只有一台充电机。在这种高效率工作中,需要合理地根据程序控制来处理充电等待问题,保证每个楼层只能同时存在一个进行中的充电任务,其他AGV继续工作,然后当充电站空闲时,根据其他AGV电量的优先级来选择最需要充电的AGV执行充电任务。
经过对以上细节的综合处理,通过实际运行(如表2),成功突破了这个瓶颈,完成了高效的出入库任务
四、结论
在该项目应用AGV之前,需要24小时人工驾驶叉车进行出入库工作,不仅劳动强度大,而且在夜间进行高速往复工作一直都存在安全隐患,如果产品出现质量问题,问题产品的追踪也存在不可靠性。
自动化搬运系统 篇6
关键词:微型零件,自动装配,搬运机械手,动态特性分析
0 引言
随着数字化技术和微电子技术的迅速发展, 对小型电子产品部件的自动装配需求越来越迫切, 由此对小型电子产品部件的自动装配技术研究也越来越深入[1,2,3]。本文针对一种微型音圈马达自动装配过程中的某零件的自动搬运, 设计了一种与其实用零件自动搬运的机械手, 以满足微型音圈马达自动装配要求。微型音圈马达自动装配线如图1所示。
由图1可知, 被装配的零件需要从输料线上转移到装配线上, 这一任务的执行是依靠擒纵机械手来实现。
设计要求:抓取零件时零件不能产生变形;释放零件时位置要准确;抓放的节拍要符合装配线中的装配节拍。
1 擒纵机械手设计
针对自动装配过程要求, 确定抓取零件的方式采用真空吸附;机械手的抬起采用气缸的直线运动来实现, 抬起速度为100 mm/s;零件抓取后的转位采用摆动气缸来实现, 擒纵机械手的摆动速度为180°/s;擒纵机械手的安装位置和高低可以利用基座的调整来实现。擒纵机械手的整体结构图见图1所示。
擒纵机械手的设计由5个部分组成, 抓取机构;升降机构;摆动机构;定位机构和基座。
抓取机构是由真空吸附器和连接杠杆所组成。真空吸附器的形状和大小依据于被传送零件的大小和重量来设计, 连接杠杆的设计依据输料线和装配线之间的间隔来设计[4]。升降机构由直线气缸、气动元件等组成, 通过气缸的直线运动来实现零件的上升与下降。摆动机构由摆动气缸、气动元件等组成, 通过摆动气缸的180°摆动来带动被抓取零件的转动。定位机构是采用梳齿盘定位机构, 保证定位准确与稳定可靠。
2 擒纵机械手的有限元分析
2.1 工作状态分析
擒纵机械手在工作过程中涉及到抓取与释放的精度和稳定性, 这就要求整个机构在工作过程中的稳定性和吸附器工作的稳定性。
2.2 网格划分
1) 网格划分。建立三维模型, 模型采用自由划分方式, 对于尖角、孔等一些部位, 则采用映射划分。
2) 边界条件施加。为保证该模型构件在现实环境中自由度一致, 结构不出现刚体位移, 因此对底座采取全约束。
2.3 模态分析
擒纵机械手的激振力来源于各个机构在工作过程中气体的冲击过程。不同模态的振型使吸附器的准确位置也发生了较大的变化。
本文所设计的装置, 手臂的上升与下降都是匀速, 在此情况下系统的激振频率为20~50 Hz变化。针对擒纵机械手上升与下降两种典型工作状况进行了有限元动态特性分析。并围绕激振频率范围, 分别研究了两种工作状态下第6、7、8、9、10阶的阵型。
由图2可知, 当擒纵机械手处于6阶振型时, 图2 (a) 为擒纵机械手上升时刻的振型, 机械手臂在XZ平面内产生了一次弯曲, 最大位移量为0.31 mm;图2 (b) 为擒纵机械手下降时刻的振型, 机械手臂在XZ平面内产生了一次弯曲, 最大位移量为0.31 mm。
由图3可知, 当擒纵机械手处于7阶振型时, 图3 (a) 为擒纵机械手上升时刻的振型, 机械手臂在XZ平面内产生了两次弯曲, 最大位移量为0.26 mm;图3 (b) 为擒纵机械手下降时刻的振型, 可以得知机械手臂在XY平面内产生了一次弯曲, 最大位移量为0.22 mm。
图4中, 当擒纵机械手处于8阶振型时, 图4 (a) 为擒纵机械手上升时刻的振型, 升降杆在YZ平面内产生了一次弯曲, 机械手臂在YZ平面内产生了两次弯曲, 最大位移量为0.11 mm;图4 (b) 为擒纵机械手下降时刻的振型, 机械手臂在XZ平面内产生了一次弯曲, 最大位移量为0.19 mm。
由图5可知, 当擒纵机械手处于9阶振型时, 图5 (a) 为擒纵机械手上升时刻的振型, 升降杆在XY平面内产生了一次弯曲, 最大位移量为0.06 mm;图5 (b) 为擒纵机械手下升时刻的振型, 升降杆在YZ平面内产生了一次弯曲, 最大位移量为0.07 mm。
图6中, 当擒纵机械手处于10阶振型时, 图6 (a) 为擒纵机械手上升时刻的振型, 机械手臂在XY平面内产生了一次弯曲, 升降缸在XY平面内产生了向下的位移, 位移量为0.16 mm;图6 (b) 为擒纵机械手下升时刻的振型, 机械手臂在XY平面产生了两次弯曲, 最大位移量为0.30 mm。
由上述的分析得出;擒纵机械手在上升时的最大位移发生在第6阶, 最大位移量为0.31 mm。擒纵机械手在下降时的最大位移也是在第6阶, 最大位移量为0.31 mm。最大的弯曲振型发生在第10阶, 最大位移量为0.30 mm。
3 结论
1) 微型零件的自动装配在一定的条件下完全可以实现;2) 影响装配擒纵机械手运动精度主要取决于机构的动态特性好坏;3) 对图3机构的稳定性和定位精度影响最大的是6阶振型, 最大位移量为0.31 mm;4) 机构在上升与下降的过程中, 机械手臂与升降杆是主要发生变形与位移的部位, 易产生疲劳破坏;5) 吸盘处的变形和位移都比较小, 本文的擒纵机械手设计符合要求。
参考文献
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自动化搬运系统 篇7
某生产线的桶装成品搬运堆垛, 目前主要由人工驾驶行车来完成, 5个成品堆垛成一组, 然后手工对此成品组按集装箱要求捆扎。这种人工搬运堆垛作业, 造成行车频繁启动使行车部件磨损加剧, 易发生故障, 且劳动强度大, 工作效率低。近年来, 随着企业生产规模的扩大, 这种人工搬运堆垛方式已不能满足生产的要求;同时, 重型桶装成品主要出口到国外, 外商对成品包装物的外观要求严格, 桶面不能有碰伤、掉漆、变形等缺陷。为此, 研究开发了一种自动搬运堆垛机器人。该机器人具有不损坏成品桶表面油漆、桶盖开启定位销、能按海运装集装箱规格的要求进行堆垛捆扎、价格便宜等特点。
1 系统整体设计
根据需求, 要将辊道输送线上的成品桶在不损坏表面油漆及桶盖开启销的前提下, 搬至承桶平台上的包装箱堆垛并打捆, 该包装箱是一正方形木框, 桶的放置位置如图1所示, 桶与桶之间要有一定的空隙用来插入木条以防止碰伤, 桶上的插销不能摆放在包装箱的对角线上, 也不能使插销朝外, 因为在进行捆扎装集装箱时容易将插销碰坏。桶的直径为420 mm, 高为500 mm。参考工厂中行车的行走机构及起重机械的结构, 设计了一种重型桶装物品专用的搬运堆垛机械, 其中, 行车的行走主要采用液压缸活塞杆的伸缩实现。
2 系统设计原理
当辊道输送线上的桶被输送并碰到橡胶挡条时 (橡胶挡条被设置在输送线的终端) , 为了使桶停留在输送线的中心, 设计了一个类似漏斗状的铁皮, 其漏斗出口正好对准输送线的中心, 这就精确保证了桶的停留位置 (设该停留位置是位置0) 。包装箱的位置也被精确定位 (设其中心位置是位置1) 如图1所示。由于包装箱的对角距离大约为1 500mm, 考虑到行车的行程及搬运速度, 位置0与位置1之间的水平距离定为2 000 mm。为了固定提升机构及行车的行走机构, 设计焊接了一立方体形框架, 四面都是空的, 各棱边用铁柱支撑, 顶面焊接了两条水平行走导轨 (X方向) 。行车的移动是通过液压缸活塞杆的伸缩实现。因此, 要实现X方向的移动必须由液压缸来驱动。行走机构移动到位置0的正上方, 通过液压缸的伸缩下放抓夹机构, 下放一定距离后, 通过步进电机驱动抓夹机构转动, 抓夹机构上装有一竖直细铁丝, 当竖直细铁丝碰到桶的插销时, 抓夹机构上的步进电机失电, 停止转动。然后, 液压缸提升, 通过提升机构的自身重力夹紧桶上提, 上提到一定高度后, 步进电机通电旋转, 当碰到固定在液压缸上的挡铁时, 步进电机失电停止转动, 此时的桶位置即是摆放位置, 然后水平移动到摆放位置正上方放置。这就完成了一次搬运过程。当行车返回搬运第二个桶的同时, 包装箱下的旋转机构驱动使其旋转90°, 等待第二个桶的摆放。以上的行走机构移动到位均是通过安装行程开关, 并应用PLC实现精确控制的。桶的摆放顺序依次为图1中的1, 2, 3, 4, 5。
3 系统机构设计
整个系统可分为行车的行走机构、提升机构、抓夹机构、包装箱的旋转机构及一些辅助安装的行程开关等。
3.1 行走机构
行走机构 (见图2) 主要包括行走小车和驱动液压缸两大部分。行走小车的停止完全由行程开关限定, 当液压缸推动行走小车向左移动一段距离后, 碰到行程开关, 此时电磁阀断电, 液压缸停止供油, 行走小车停止移动, 这是行车的左极限位置。因此, 必须在图1位置0的正上方设置行程开关1, 确保抓夹机构的抓夹位置。当抓夹机构抓紧桶后, 提升并旋转使插销符合摆放位置, 此时液压缸排油收缩, 拉动行走小车向右移动, 到达位置1的正上方, 碰到行程开关3, 使行走小车停止, 这就是行车的右极限位置, 左、右极限位置相距2 000 mm。要摆放中心左边的桶时, 由于桶与桶之间的中心距是450 mm, 因此要在距右极限位置的左边450 mm位置处安装一个行程开关2。由于在包装箱底下有一旋转机构, 每次使其旋转90°, 所以, 无须再另外安装行程开关。
3.2 提升机构
提升机构 (见图3) 主要是由垂直固定安装在行走小车正下方的液压缸所组成, 它起到上下提升桶的目的。
3.3 抓夹机构
抓夹机构 (见图3) 主要由步进电机、旋转桶、旋转齿轮、X形抓手、顶销、悬挂细铁丝、刚性弹簧等组成。当行走小车移动到位置0的正上方时停止, 提升机构的液压缸推动抓夹机构下放到一定距离, 步进电机通电驱动旋转桶旋转, 使得悬挂细铁丝与桶上的插销相碰, 此时, 步进电机失电停转, 提升机构的液压缸继续相下推进, 顶销压住桶顶盖, 液压缸停止下移开始提升, 靠重力实现桶的夹持, 在细铁丝底部要安装行程开关。
3.4 包装箱的旋转机构
包装箱的旋转机构 (见图4) 主要由齿条、驱动液压缸、棘轮及一些辅助机构等组成。由于要使包装箱每次旋转90°, 因此棘轮设计成4个均布棘齿。当液压缸收缩时, 拉动齿条向右移动, 齿条带动棘轮一起旋转90°, 然后液压缸活塞杆向外推进使齿条向左移动, 由于齿轮外圈与棘轮是空套的, 因此它不会与棘轮一起旋转。
4 结束语
重型桶装成品搬运堆垛系统具有价格低廉、搬运堆垛速度快、效率高、操作简便等特点, 现已成功配备在桶装成品搬运堆垛生产线上, 使用效果良好。
参考文献
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