基于激光測距引導定位系統概述

林均華

摘 要 隨著智能化裝備的不斷發展，傳統制造業不斷的升級改造，機器人、多軸機械手等在制造業廣泛應用于搬運，上下料等工作。由于機器人機械手要精確抓取物料，需要不接觸產品情況下有較高精度的柔性定位系統。本文針對輸送帶對稱產品開發的基于激光測距非接觸式、高兼容性的柔性機器人、機械手引導定位系統進行闡述。

關鍵詞 激光測距;智能化裝備;定位系統

引言

隨著智能化裝備的發展，國內傳統制造企業，逐步大規模應用工業機器人、機械手等替換人工取放料等高強度高風險工作，以提高半自動設備的利用率、提高生產效率降低工人勞動強度、降低用工成本等。然而，應用工業機器人、機械手等進行取放料需要較高精度、兼容性高的定位機構。目前，制造自動化生產線絕大部分采用機械式定位，其主要原因是成本低、結構簡單、技術門檻低。但是采用機械定位的缺點十分明顯，精度低，更換產品是需要調整或更換機械定位，而且干擾輸送帶連續性，更重要的是在定位過程中經常損壞已加工工件表面或者導致產品堆疊而損壞產品，導致不良率升高。要解決這些問題，可以采用非接觸式、高精度的定位系統。目前，高要求的自動化生產線大多采用視覺定位引導系統，但是該系統技術門檻高，操作復雜，造價昂貴，尤其大視野、惡劣工況系統成本更高、從而限制其在中低端制造業的應用。本文采用了基于激光測距傳感器、伺服驅動系統定位，通過PLC控制伺服驅動系統以及采集激光測距傳感器數據，實現不接觸產品的情況下，獲取產品高度及中心坐標。并通過通用工業協議將引導坐標數據發送至工業機器人、機械手等執行機構，從而實現引導執行機構定位抓取產品[1]。

1定位系統主要結構及工作原理

全部系統主要由激光測距、數據采集及處理、伺服驅動定位、PLC控制器等部分組成（如圖1）。系統硬件主要有三個激光測距儀，伺服電機及驅動器，模擬量采集，PLC控制器以及定位光眼。

激光測距部分由三個激光測距傳感器組成，主要用于測量產品高度，產品中心與輸送帶中心軸線的位置偏差。

高度由安裝在Z坐標的激光測距傳感器測量，通過測量傳感器至輸送帶H1和傳感器到產品上表面高度H2，可以計算出產品高度H：

產品與輸送帶中心軸線的位置偏差由安裝在輸送帶兩邊的兩個激光測距傳感器測量產品至輸送帶兩邊傳感器距離y1、y2，可以計算出產品與輸送帶中心軸線的位置偏差y：

通過來料檢測光眼對射信號上升沿獲取產品進入檢測區域坐標X1，下降沿獲取產品剛離開檢測區域坐標X2，可以獲取X方向的直徑DX：

兩個傳感器間的距離L已確定，通過等間距測量y1及y2，多點比較獲取最小的（y1+y2）min，從而擬合計算圓截面Y方向的直徑DY：

2系統測量流程

通過來料檢測光眼，觸發測量產品與輸送帶中心軸線的位置偏差，X方向等距多點測量。產品通過料檢測光眼后，觸發X方向產品定位，利用伺服系統驅動輸送帶以多段速度逼近定位光眼感應點方式，提高產品在X方向的重復精度。X方向定位完成停止輸送帶，觸發高度檢測。產品高度可以根據實際需要是否安裝，從而降低系統成本。

3系統主要誤差來源及降低誤差方法

系統誤差因素來源有：①傳感器安裝精度，安裝方式;②激光測距傳感器檢測精度，響應時間;③模擬量采集器分辨率，模擬量信號共模干擾，電磁干擾，線纜長度等;④光源干擾等環境因素、產品顏色材質影響激光測距因素;⑤定位光眼響應時間，檢測靈敏度。前幾個因素主要影響產品與輸送帶中心軸線的位置偏差的精度。可以通過：①提高安裝座剛度機械加工精度，保證兩個傳感器測量點軸線重合度以及軸線與輸送帶軸線垂直度;②選取合適精度及測量范圍的傳感器，保證傳感器重合精度達到設計要求;③通過多點對稱測量，使用合適算法修正測量誤差。④遠離干擾源，模擬量采集與傳感器共用電源，盡量縮短兩者間線纜長度，減少模擬量信號干擾。⑤實施封閉生產減少環境影響因素，排除無法使用激光測距的產品。產品X方向定位受定位光眼的影響較大，選用合適檢測精度、響應速度，保證伺服系統的重復定位精度。

4系統適用范圍及優點

本系統主要針對高度不小于40mm直徑大于10mm圓形截面的產品，單次通過一個產品的輸送帶產品定位。能夠在不接觸產品表面的情況下，獲取較高精度的產品中心偏移坐標，保證產品輸送帶輸送的連續性。在定位機構或者工位設備故障情況下，可以自動切換保證生產的連續性。而且避免了傳統機械定位機構在定位過程中，對產品已加工表面破壞，產品間隔太小導致前后產品堆疊而損壞產品 導致不良率上升。操作簡單，測量范圍覆蓋廣，從直徑10mm到輸送帶能夠覆蓋的產品，更換不同產品不需要對定位系統進行調整。具有良好的系統兼容性，集成多種通用的工業協議，可以兼容不同品牌機器人、機械手等執行機構的數據交換。

針對截面為對稱圖形的產品，放料時要保證產品與模具軸線重合度較好，才能成功將產品放入模具。可以通過兩點法間接計算產品軸線與輸送帶軸線夾角A，以X方向等間距L，截取產品與輸送帶中心軸線的位置偏差兩點位置偏差δY1及δY2。通過以下公式：

可以間接計算夾角A。由于通過間接方法測量中心坐標及軸線夾角，測量誤差較大。而且產品傾斜角度越大，測量精度越差，因此必須在產品入口處增加產品導流裝置，產品以較小的偏差角度進入抓取區。

5結束語

本文針對圓截面或定位精度要求低的對稱截面產品而設計的定位系統，主要解決機械定位的定位精度差、兼容性差、易破壞產品表面等問題，而且成本低廉，環境適應性較好，操作容易，兼容性好，一次安裝后能夠兼容在輸送帶范圍內所有尺寸的產品。

參考文獻

[1] 宋建輝，袁峰，丁振良.脈沖激光測距中高精度時間間隔的測量[J]. 光學精密工程，2009（5）：1046-1050.