一种平板型工件无人上料的智能控制系统的制作方法

本发明属于机电自动化领域，具体涉及平板型工件无人上料的智能控制系统，用于提高平板型工件的上料效率、上料精准度、上料安全性、上料自动化与智能化水平，可以广泛应用于智能制造企业。

背景技术：

生产制造是生产企业整合相关的生产资源，按预定目标进行系统性的从前端概念设计到产品实现的物化过程。中国制造是世界上认知度最高的标签之一，因为快速发展的中国和他庞大的工业制造体系，这个标签可以在广泛的商品上找到，从服装到电子产品。

世界经济因为美国的次贷危机而陷入低潮。世界上最大的三个经济体：美国、欧洲和日本的需求不振，中国出口制造业的外贸订单随之减少。尽管中国的出口在2008年仍在增长，但增幅已经大幅度下降。这预示着中国2009年可能面临更加困难的局面。导致出口制造业困境的还有成本上升。这包括几个方面的内容：原材料、能源和土地涨价、劳动力成本和环保成本增加，以及针对出口的税收优惠越来越少。低成本是“中国制造”在国际竞争中胜出的主要武器。20年来，正是价格低廉的劳动力、土地和能源，引导制造业从中国台湾、中国香港地区以及马来西亚等地转移到中国大陆。中国正在丧失这一竞争优势。

制造型企业的根本目的，就是用更低的成本、更高的质量、更便利的方式满足消费者不断变化的需求。在全球化市场，消费者和企业客户成为主导，他们可以从各种销售渠道寻找价格最低、最优、最方便的产品和服务，竞争已经不仅在地区间展开，更在全世界范围内进行。要达到这种竞争的根本目的，必然与实现这个目的的制造过程密切相关。一般制造业的活动过程，可以分解为原料生产、产品设计、各级采购、仓储运输、订单处理、批发销售、零售等连续的环节，即供应链过程。

智能制造是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。智能化是制造自动化的发展方向。在制造过程的各个环节几乎都广泛应用人工智能技术。

平板型物料是一种常见的物料，例如：手机壳、光伏电池。为了提升平板型物料的上料自动化、智能化、无人化水平。这里，公布一种平板型工件无人上料的智能控制系统，用于提高平板型工件的上料效率、上料精准度、上料安全性、上料自动化与智能化水平，可以广泛应用于智能制造企业。

技术实现要素：

本发明针对智能制造的前沿趋势，公布一种平板型工件无人上料的智能控制系统，用于提高平板型工件的上料效率、上料精准度、上料安全性、上料自动化与智能化水平，可以广泛应用于智能制造企业。

本发明包括智能上料协调控制器、机械臂横移非线性控制器、机械臂纵移非线性控制器、传输带非线性控制器、顶料机构非线性控制器、第一吸附非线性控制器、第二吸附非线性控制器、第三吸附非线性控制器、第四吸附非线性控制器、上料传输装置、上料传输装置的吸附装置、顶料装置、机械臂机构、机械臂机构的吸附装置。其中，智能上料协调控制器用于控制械臂横移控制器、机械臂纵移控制器、传输带控制器、顶料机构控制器、第一吸附控制器、第二吸附控制器、第三吸附控制器、第四吸附控制器，具有协调、支配其他控制器的优先权。

所述智能上料协调控制器一方面接收无人上料系统被控对象的输出反馈信号，另一方面接收外部传来的特殊工作指令；智能上料协调控制器输出的控制信号不直接给无人上料系统被控对象，而是给一系列的控制器发送控制指令，即：机械臂横移非线性控制器、机械臂纵移非线性控制器、传输带非线性控制器、顶料机构非线性控制器、第一吸附非线性控制器、第二吸附非线性控制器、第三吸附非线性控制器、第四吸附非线性控制器；

所述机械臂顶料机构非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号；然后对机械臂顶料机构进行控制，具体的：机械臂顶料机构包括多个阵列形式的独立执行机构；每一套独立机构包括顶杆电机、顶杆装置、料盒、料盒物料；顶杆电机的输出齿轮与顶杆装置的齿条相啮合，形成一对齿轮齿条机构；顶杆装置位于料盒的内部，形成一种活塞机构；料盒物料置于料盒物料内部，顶杆装置的顶部；机械臂顶料机构非线性控制器接收到控制信号后：顶杆电机接收到控制命令后，产生可控旋转，通过齿轮齿条机构推动顶杆装置上行，产生进给料盒物料的作用(事实上，顶料机构有多套，相互协调配合，给真空吸附机器手持续供料)；

机械臂机构包括真空吸附机器手、机械臂支撑结构、机械臂前臂横向驱动电机、机械臂上臂、机械臂前臂纵向驱动电机、机械臂前臂，由机械臂横移非线性控制器和机械臂纵移非线性控制器控制。机械臂上臂的一端固定在机械臂支撑结构的顶端；机械臂前臂悬挂在机械臂上臂的横梁上；真空吸附机器手位于机械臂前臂的末端，称为末端执行器；

机械臂横移非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号；机械臂前臂横向驱动电机接收到控制命令后，驱动悬挂在机械臂上臂横梁上的机械臂前臂产生沿着机械臂上臂横梁的横向运动；

机械臂纵移非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号；机械臂前臂纵向驱动电机接收到控制指令后，驱动机械臂前臂上的真空吸附机器手产生沿着机械臂前臂的纵向运动；

第四吸附非线性控制器用于控制机械臂机构的吸附装置，机械臂机构的吸附装置包括第四真空吸附通道、第四流量控制阀和第四真空吸附装置，第四真空吸附通道通过第四流量控制阀与第四真空吸附装置连接；第四真空吸附通道与机械臂机构的真空吸附机器手的内部通道相连接，保证真空吸附机器手有可控的吸附作用；第四吸附非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号；第四真空吸附装置的控制阀门接收到控制信号后，在第四真空吸附通道产生真空负压，并输送压力到真空吸附机器手的末端执行器产生对物料的吸附作用或释放作用。

传输带非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号，用于控制上料传输装置；上料传输装置具体装配如下：上料传输带依次绕过第一张紧轮、第二张紧轮、传输带主动齿轮、第三张紧轮、第四张紧轮、第五张紧轮，张紧轮和主动齿轮能够将皮带撑开，形成一个环形的上料传输装置；传输带主动齿轮与上料传输带电机的电机输出齿轮啮合，传输带主动齿轮与上料传输带内齿啮合，上料传输带随传输带主动齿轮同向旋转。当上料传输带电机接收到控制信号后，上料传输带电机产生旋转，并通过齿轮啮合机构使得上料传输带电机能够驱动传输带主动齿轮旋转，进而带动上料传输带旋转，由于在一系列张紧轮的撑开和随动作用下，上料传输带能够在最顶层张紧轮之间产生一定距离的横向运动，该横向运动；

所述第一吸附非线性控制器、第二吸附非线性控制器、第三吸附非线性控制器分别用于控制上料传输装置的吸附装置ⅰ、ⅱ和ⅲ，上料传输装置的吸附装置ⅰ装配关系如下：第一真空吸附通道通过第一流量控制阀与第一真空吸附装置连接，第一流量控制阀的阀门开合量决定第一真空吸附通道的真空吸附力大小；上料传输装置的吸附装置ⅱ的装配关系如下：第二真空吸附通道通过第一流量控制阀与第一真空吸附装置连接，第二流量控制阀的阀门开合量决定第二真空吸附通道的真空吸附力大小；上料传输装置的吸附装置ⅲ的装配关系如下：第三真空吸附通道通过第三流量控制阀与第三真空吸附装置连接，第三流量控制阀的阀门开合量决定第二真空吸附通道的真空吸附力大小。此外，上料传输带留有多排针孔状通孔，第一真空吸附通道、第二真空吸附通道、第三真空吸附通道的末端开口位于上料传输带的多排针孔状通孔的附近。第一吸附非线性控制器、第二吸附非线性控制器、第三吸附非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号；第一吸附非线性控制器、第二吸附非线性控制器、第三吸附非线性控制器各自控制一个真空吸附装置的控制阀门，当真空吸附装置的控制阀门接收到控制信号后，在各自的真空吸附通道产生真空负压，并输送压力到传输带的孔隙，产生对物料的吸附作用或释放作用。

所述控制系统能够完成若干个料盒顶料运动控制、机器手平面坐标的运动控制、机器手从料盒取料动作、机器手置放物料到传输带的上料动作、传输带传送物料的传输动作、以及物料的吸附固定和释放动作等，该工作过程可以往复循环，形成一个无人上料智能控制系统。

本发明的控制流程如下：

首先：智能系统启动后，设备开始初始化，并检验系统是否满足正常运行的条件；

其次：通过初始化后，系统会接收外来指令消息(例如：上级控制器的指令，反馈控制信号等)，确保系统启动后，能够结合外来消息进行动作；智能控制系统启动后，会发送不同的控制指令给三个控制子系统(其中，吸附控制作用不作为子系统，它属于一种辅助控制作用)；

第一个控制子系统为顶料控制系统，它按照智能控制系统的逻辑顺序决定是否执行顶料动作，为了顶料的控制响应特性好，顶料过程采用了非线线控制算法；

第二个控制子系统为上料控制系统，它按照智能控制系统的逻辑顺序决定是否执行上料动作，然后，再按照上料的具体动作决定各单元的顺序控制或并行控制，为了上料的控制响应特性好，上料过程的各种动作采用了非线线控制算法；

第三个控制子系统为传输物料控制系统，它按照智能控制系统的逻辑顺序决定是否执行传输送料动作，然后，再按照传输送料的具体动作决定各单元的顺序控制或并行控制，为了传输送料的控制响应特性好，传输送料过程的各种动作也采用了非线线控制算法；若全部料盒清空，那么无人系统完成了所有上料动作，智能控制系统再进行一定的后处理后，程序自动终止。

这里，控制过程中一方面产生了类似流程所述的顺序执行各单元的控制过程(主要过程)；另一方面也产生了各部件基于事件的控制过程。所谓基于事件的控制过程是指，各个子系统实际上是等待接收智能控制系统发送的“消息”，各个消息独自触发各子系统，各子系统可以同时或异步进行控制。在各系统独立运行的过程中，各子系统既有协调动作，也有独立操作，它提升了智能控制系统的动作频率，也避免了系统动作产生冗余。因此，智能控制系统有先进性。

所述上料传输装置装配关系如下：上料传输带依次绕过第一张紧轮、第二张紧轮、传输带主动齿轮、第三张紧轮、第四张紧轮、第五张紧轮，张紧轮和主动齿轮能够将皮带撑开，形成一个环形的上料传输装置；传输带主动齿轮与上料传输带电机的电机输出齿轮啮合，使得上料传输带电机能够驱动传输带主动齿轮旋转；传输带主动齿轮与上料传输带内齿啮合，上料传输带随传输带主动齿轮同向旋转；

所述上料传输装置的吸附装置装配关系如下：第一真空吸附通道通过第一流量控制阀与第一真空吸附装置连接，第一流量控制阀的阀门开合量决定第一真空吸附通道的真空吸附力大小；第二真空吸附通道通过第一流量控制阀与第一真空吸附装置连接，第二流量控制阀的阀门开合量决定第二真空吸附通道的真空吸附力大小；第三真空吸附通道通过第三流量控制阀与第三真空吸附装置连接，第三流量控制阀的阀门开合量决定第二真空吸附通道的真空吸附力大小；此外，上料传输带留有多排针孔状通孔，第一真空吸附通道、第二真空吸附通道、第三真空吸附通道的末端开口位于上料传输带的多排针孔状通孔的附近。

本发明的有益效果如下：

提出了两层控制系统，顶层控制系统实现对底层控制系统的协调和监督控制作用；底层控制系统分别实现了平板型物料的自动顶料、自动上料、自动传输、自动吸附和释放等自动化动作；各控制作用的组合实现了面向平板物料的料盒供料、取料、放料、工件固定、工件传输、以及工件释放等完整的控制动作循环，并可以持续供料；结合过程控制与基于事件的控制两种控制作用可以提高无人上料的工作效率，协调性，安全性；该智能控制系统实现了平板型物料的无人上料，符合智能制造的发展趋势，能够推动国家中国制造2025产业政策的实施，可以广泛用于制造业企业。

附图说明

图1本发明的控制器组成示意图。

图2本发明的控制系统框图。

图3本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的控制器包括：智能上料协调控制器、机械臂横移控制器、机械臂纵移控制器、传输带控制器、顶料机构控制器、第一吸附控制器、第二吸附控制器、第三吸附控制器、第四吸附控制器。其中，智能上料协调控制器是其他控制器的控制器，具有协调、支配其他控制器的优先权。

参考图2，本发明的控制系统框图。

所述智能上料协调控制器一方面接收无人上料系统被控对象的输出反馈信号，另一方面接收外部传来的特殊工作指令；智能上料协调控制器输出的控制信号不直接给无人上料系统被控对象，而是给一系列的控制器发送控制指令，即：机械臂横移非线性控制器、机械臂纵移非线性控制器、传输带非线性控制器、顶料机构非线性控制器、第一吸附非线性控制器、第二吸附非线性控制器、第三吸附非线性控制器、第四吸附非线性控制器；

所述机械臂顶料机构非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号；顶杆电机执行机构接收到控制命令后，产生可控旋转，通过齿轮齿条机构推动顶杆装置上行，产生进给料盒物料的作用(事实上，顶料机构有多套，相互协调配合，给真空吸附机器手持续供料)；

所述机械臂横移非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号；机械臂前臂横向驱动电机执行机构接收到控制命令后，驱动悬挂在机械臂上臂横梁上的机械臂前臂产生沿着机械臂上臂横梁的横向运动；

所述机械臂纵移非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号；机械臂前臂纵向驱动电机执行机构接收到控制指令后，驱动机械臂前臂上的真空吸附机器手产生沿着机械臂前臂的纵向运动；

所述第四吸附非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号；第四真空吸附装置的控制阀门接收到控制信号后，在第四真空控制管道产生真空负压，并输送压力到真空吸附机器手的末端执行器产生对物料的吸附作用或释放作用；

所述传输带非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号；上料传输带电机接收到控制指令后，电机产生旋转，并通过齿轮啮合机构驱动传输带主动齿轮旋转，进而带动上料传输带旋转，由于在一系列张紧轮的撑开和随动作用下，上料传输带能够在最顶层张紧轮之间产生一定距离的横向运动，该横向运动；

所述第一吸附非线性控制器、第二吸附非线性控制器、第三吸附非线性控制器接收智能上料协调控制器经过非线性控制方程的运算，产生兼具离散和连续控制作用的控制信号；各自控制一个真空管道的控制阀门，使得真空管道产生真空负压，并输送压力到传输带的孔隙，产生对物料的吸附作用或释放作用；

所述控制系统能够完成若干个料盒顶料运动控制、机器手平面坐标的运动控制、机器手从料盒取料动作、机器手置放物料到传输带的上料动作、传输带传送物料的传输动作、以及物料的吸附固定和释放动作等，该工作过程可以往复循环，形成一个无人上料智能控制系统。

参考图3，本发明的控制流程如下。智能系统启动后，设备开始初始化，并检验系统是否满足正常运行的条件；通过初始化后，系统会接收外来指令消息(例如：上级控制器的指令，反馈控制信号等)，确保系统启动后，能够结合外来消息进行动作；智能控制系统启动后，会发送不同的控制指令给三个控制子系统(其中，吸附控制作用不作为子系统，它属于一种辅助控制作用)；第一个控制子系统为顶料控制系统，它按照智能控制系统的逻辑顺序决定是否执行顶料动作，为了顶料的控制响应特性好，顶料过程采用了非线线控制算法；第二个控制子系统为上料控制系统，它按照智能控制系统的逻辑顺序决定是否执行上料动作，然后，再按照上料的具体动作决定各单元的顺序控制或并行控制，为了上料的控制响应特性好，上料过程的各种动作采用了非线线控制算法；第三个控制子系统为传输物料控制系统，它按照智能控制系统的逻辑顺序决定是否执行传输送料动作，然后，再按照传输送料的具体动作决定各单元的顺序控制或并行控制，为了传输送料的控制响应特性好，传输送料过程的各种动作也采用了非线线控制算法；若全部料盒清空，那么无人系统完成了所有上料动作，智能控制系统再进行一定的后处理后，程序自动终止。

这里，控制过程中一方面产生了类似流程所述的顺序执行各单元的控制过程(主要过程)；另一方面也产生了各部件基于事件的控制过程。所谓基于事件的控制过程是指，各个子系统实际上是等待接收智能控制系统发送的“消息”，各个消息独自触发各子系统，各子系统可以同时或异步进行控制。在各系统独立运行的过程中，各子系统既有协调动作，也有独立操作，它提升了智能控制系统的动作频率，也避免了系统动作产生冗余。因此，智能控制系统有先进性。