《工业视觉》课件-实验4开放式机器人视觉引导控制综合设计

实验三开放式机器人视觉引导控制综合设计二、实验目的

四、实验内容工业机器人视觉引导与控制综合设计实验一、知识点回顾三、PLC通信与控制测试实验五、结果提交一、知识点回顾1. 工业自动化系统集成；2. 工业系统中的通信技术；3. 可编程逻辑控制器（PLC）简介；一、知识点回顾工业自动化系统集成是创新的工业生产解决方案，具体是指综合运用控制理论、电子设备、仪器仪表、计算机软硬件技术及其他技术，对工业工艺过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到控制目标和质量、保证运行效率及安全性等要求的一类综合性技术。其中包含多种技术的综合应用，如系统设计、设备选型、产线搭建、控制技术、通信技术以及工程管理技术等。其控制方案的设计对象不再针对于单体被控对象，而主要面向系统级的控制方案设计，将各设备有机联结起来，共同实现工艺功能，完成控制效果。1.1 工业自动化系统集成；一、知识点回顾特别地，在工业机器人领域，国内80%的机器人企业都集中在系统集成领域，系统集成商主要围绕工业机器人做整线集成，并应用于很多产业，如汽车制造行业、电子制造行业、物流包装行业等。工业自动化系统集成是国内工业自动化发展的方向，机器人的应用也离不开系统集成企业。应用集成系统的研发，是机器人产业链上利润最高也是技术门槛最高的环节。集成系统以零配件和工业机器人为基础，是企业未来提高生产效率、增加生产利润减少成本的主要方式之一。通常情况下，系统集成市场规模可达机器人本体市场规模的三倍，根据中投顾问产业研究中心预测，2020年机器人本体市场规模可达276亿左右，集成系统市场规模则有望接近830亿元，未来五年年均增速可达20%。1.1 工业自动化系统集成；一、知识点回顾为了使系统间的设备能够相互配合完成相应功能并实现工艺过程，其中的通讯技术尤为重要，其主要是设备间按照某个共享的协议进行信息交互，实现联通。现场总线技术是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，它作为工业数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。该技术已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。1.2工业系统中的通信技术一、知识点回顾这里需要注意，总线标准指系统与各模块、模块与模块之间的互连标准界面，其包含机械结构规范、功能结构规范等要素；而通信协议指通信双方对数据传送控制的一种约定，其主要包含数据格式、同步方式、传输速率等。初学者对这两种定义要加以区分，在本仿真平台中，现场实际设备采用了西门子PLC进行系统产线控制，基于profibus现场总线；仿真软件中采用的是TCP/IP协议进行通讯，通讯方式已集成于平台，无需操作。1.2工业系统中的通信技术一、知识点回顾可编程逻辑控制器（PLC）是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。其硬件结构基本上与微型计算机相同，主要由电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出（I/O）单元等组成，用户可根据其配套的上位机操作软件对其进行编程及控制，实现对系统的控制功能。在PLC编程过程中，主要是针对产线的节拍控制和逻辑控制，编程语言主要为梯形图。在编程过程中要理解每个设备的I/O端口含义和对应的标签，将产线设备按照工艺功能连接起来，基于工艺过程完成节拍控制，实现系统级控制方案。1.3可编程逻辑控制器（PLC）简介一、知识点回顾目前国际上主流的PLC及工控设备厂商仍以国外公司为主，如德国西门子(SIEMENS)、瑞士ABB、美国罗克韦尔（ROCKWELL）、日本三菱（MITSUBISHI）和法国施耐德（SCHNEIDER）等，国产工控设备主要有北京和利时以及浙江浙大中控等，但产品类别功能和可靠性仍有一定差距，是我国工控事业的重要发展方向。PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描，在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段:首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入，随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。图1Portal软件中的梯形图程序示例1.3可编程逻辑控制器（PLC）简介一、知识点回顾梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言。由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。1.3可编程逻辑控制器（PLC）简介一、知识点回顾在对系统进行编程控制时要注意将这些“编程单元”与实际的硬件（或仿真中的设备）端口进行对应，可以通过查询或定义其端口号来实现。在本实验设计中，我们基于SIEMENS公司的博途（Portal）软件来进行上位机PLC程序编程，并利用通讯接口软件与虚拟仿真环境进行通讯，实现系统的控制。梯形图和虚拟设备的I/O端口号示例见图1-2。图2虚拟仿真环境中的设备I/O端口地址1.3可编程逻辑控制器（PLC）简介二、实验目的

四、实验内容工业机器人视觉引导与控制综合设计实验一、知识点回顾三、PLC通信与控制测试实验五、结果提交二、实验目的1.了解机器人自动化生产线工位的工艺设计流程2.深入理解多设备集成系统通讯与控制的基础知识3.在新建工位实现视觉引导与控制算法的创新应用3.学习运用虚拟调试实现复杂系统的控制编程与试验四、实验内容工业机器人视觉引导与控制综合设计实验一、知识点回顾三、PLC通信与控制测试实验五、结果提交二、实验目的三、PLC通信与控制测试基础实验3.1实验简介本平台结合西门子博图V15软件、PLCSim软件和自行开发V+Factory的虚拟仿真实验软件，建立了完整的虚拟PLC通讯与控制实验平台。使用该平台可实现机器人产线多工序多工位PLC远程控制测试。学生可通过完成如下虚拟PLC通讯与控制实验基本步骤，掌握平台的基础使用知识。三、PLC通信与控制测试基础实验3.2实验步骤第一步：在仿真程序跟目录下找到NetToPLCsim.exe，右键单击选择属性，选择兼容性，勾选以管理员身份运行此程序，如图6.1所示。

图6.1NetToPLCsim管理员设置三、PLC通信与控制测试基础实验3.2实验步骤第二步：在虚拟仿真平台的仿真设置中点击控制方式，选择PLC控制，如图6.2所示。再在通讯接口选项中点击NetToPlcsim打开NetToPLCsim.exe软件，如图6.3所示。若出现启动NetToPlcSim出现102端口被占用的情况，点击是，暂时停止102端口，如图6.4所示。出现提示成功对话框，点击ok，如图6.5所示。①②③图6.2选择仿真控制方式图6.3打开NetToPLCsim软件图6.4暂停102端口图6.5102端口连接成功三、PLC通信与控制测试基础实验3.2实验步骤第三步：在NetToPLCsim软件中点击File，点击Open，在仿真程序跟目录下找到NetToPLCsim/plc.ini文件，如图6.6所示，打开plc.ini文件。

图6.6打开plc.ini文件三、PLC通信与控制测试基础实验3.2实验步骤第四步：在NetToPLCsim软件中选中刚添加的PLC站，点击Modify，点击NetworkIPAddress后面的按钮，选择自己电脑的网卡地址，点击OK，如图6.7所示。①②③④图6.7PLC站IP设置三、PLC通信与控制测试基础实验3.2实验步骤第五步：打开TIAPortalV15软件，选择并打开第一工位项目文件，如图6.8所示，再点击打开项目视图，如图6.9所示。图6.8打开工程文件

图6.9打开项目视图三、PLC通信与控制测试基础实验3.2实验步骤第六步：在项目树中找到程序块，点击Main[OB]打开PLC程序，再点击软件上方开始仿真按钮启动PLCSIM，弹出提示对话框，点击确定，如图6.10所示。若需配置访问节点，则选择接口类型及接口（默认选择类型PN/IE，接口PLCSIM），点击开始搜索，选择搜索到的PLCSIM，点击下载，如图6.11所示。弹出转载PLC程序窗口后点击装载，如图6.12所示。弹出装载结果后，点击启动模块后的动作框，选择启动模块，最后点击完成，如图6.13所示。图6.10启动PLCSIM图6.11配置访问节点①②图6.12转载PLC程序图6.13下载结果界面三、PLC通信与控制测试基础实验3.2实验步骤第七步：检查PLCSIM是否处于运行状态（显示绿灯），若未运行则点击“RUN”，再点击NetToPLCsim软件的“StartServer”按钮，如图6.14所示。图6.14启动通讯三、PLC通信与控制测试基础实验3.2实验步骤第八步：回到虚拟仿真平台，点击通讯接口，点击PLC通讯，在弹出的窗口中第一栏PLC型号选择中选择西门子S7-1200系列，在第二栏输入电脑的网卡地址，点击保存，再点击仿真设置，点击启动仿真，如图6.15所示。若虚拟仿真平台左上角显示plc连接成功，表明通讯已连接，若显示plc连接失败，则进行以下检查：①IP地址是否为本机IP地址；②网卡是否起作用；③博图软件中PLC属性设置是否开启了“允许远程put/get访问”。图6.15在虚拟平台启动仿真①④③

②三、PLC通信与控制测试基础实验3.2实验步骤第九步：点击仿真软件中电控柜的绿色按钮启动仿真，如图6.16所示。若虚拟平台中机械臂运动，表明PLC通讯正常，如图6.17所示。若虚拟平台机械臂未动且外部通讯程序消息未更新，但有启动的声音，则检查是否设好示教点（可直接选用参考示教点）。否则表明PLC与虚拟平台未连接。图6.16启动PLC程序图6.17PLC通讯正常结果三、PLC通信与控制测试实验工业机器人视觉引导与控制综合设计实验一、知识点回顾五、结果提交二、实验目的四、实验内容四、实验内容4.1机器人上料通过前述实验的学习，大家了解到实验场景一中，机器人与视觉相机、传送带等硬件系统构成了机器人上料工位，机器人控制柜、PLC控制器、工控机等系统相互配合使得相关硬件设备协调合作，完成了机器人上料过程。四、实验内容4.2机器人下料机器人下料是指通过机器人实现加工完成的物料（手机壳）的搬运，即将物料从传送带搬运至指定存放位置（如托盘）。如何实现下料过程，需要学习者综合运用前述学习知识，如图6.18所示重新设计机器人下料工位及工艺流程，实现多类型新旧设备的互联互通，并运用机器人轨迹规划与控制、视觉检测与定位引导、PLC控制等方法技术，编写相应控制程序，完成多系统协同控制。图6.18自定义新增设备与生产线虚拟调试环境四、实验内容4.3开放性实验步骤实验主要包括如下三个部分：（1）机器人下料工位工艺自由设计；（2）下料机器人视觉控制算法编程；（3）机器人下料工位控制的虚拟调试。知识复习

机器人上料基础实验：通过视觉引导控制机器人抓取物料并放置在传送带上四、实验内容4.3开放性实验步骤机器人上料逻辑控制程序样例：四、实验内容4.3开放性实验步骤四、实验内容4.3开放性实验步骤1.打开并登录虚拟实验平台，进入实验场景一，在传送带末端思考建立机器人下料工位。打开工艺设备窗口，根据自定义设计方案添加设备（如机器人、光电传感器、执行末端、物料仓库等）。运用新增设备组合搭建机器人下料工位，并思考下料工艺流程。图6.19机器人下料工位建立点综合设计任务：自主设计机器人新工位，将传送带上的物料抓取并放置回物料架打开仿真实验软件手机壳是运动的！如何定位抓取？如何放置手机壳？挑战问题1你的思考？你的方案？问题2你的方案？请同学们运用虚拟设备库，自主添加设备，设计机器人下料方案四、实验内容4